李昌灵，胡玉平，吴 镝，刘卫今，付 明，邹 娟

（1.怀化学院生物与食品工程学院，湖南怀化 418000；2.怀化学院外国语学院，湖南怀化 418000）

浅谈仿真技术在“发酵食品工艺学”课程教学中的应用

李昌灵1，*胡玉平2，吴 镝1，刘卫今1，付 明1，邹 娟1

（1.怀化学院生物与食品工程学院，湖南怀化 418000；2.怀化学院外国语学院，湖南怀化 418000）

“发酵食品工艺学”是一门涵盖微生物学、食品工艺学及发酵工程等多领域知识的综合性应用课程。将虚拟仿真技术实际应用于“发酵食品工艺学”课程教学中，不仅能取得较好的仿真效果，而且加深学生认识发酵食品生产工艺过程，并提高学习兴趣和强化教学效果。

发酵食品工艺学；仿真技术；课程改革；教学实践

0 引言

近年来，我国发酵食品工业迅猛发展，其生产装备的大型化、复杂化及自动化水平大幅度提高。这些均对高校“发酵食品工艺学”课程教学提出了更新、更高的挑战。该课程教学经验表明，大部分学生未接触相关实际生产设备，由于“发酵食品工艺学”内容较抽象，使得学生难以理解和掌握相关理论知识，获取知识也较片面，进而影响教学效果。

“发酵食品工艺学”是高等院校生物工程、食品科学与工程和食品安全与检测等专业的重要专业课之一，系统讲授了食品发酵基本理论与技术和主要发酵食品生产工艺，具有与生产实际联系密切、实践性强等特征[1]。“发酵食品工艺学”包含较多工艺过程和设备，这些工艺、设备结构及原理较复杂，教师讲授过程中难以将其阐述清楚，然而通过仿真技术生动形象地再现，学生可深刻理解与掌握相关知识。仿真技术是指模拟真实物体和过程进行系统实验和系统研究的一门应用技术[2]。发酵技术仿真借助计算机在仿真系统上再现发酵控制过程的特性，模拟真实发酵生产操作，让学生身临其境，亲身感受并掌握发酵过程各单元设备的操作[3-4]。仿真技术已经应用在一些食品专业课程教学中，并取得较好的教学效果[3-6]，目前应用的有“原料粉碎机仿真”“啤酒发酵工艺仿真”“葡萄酒生产工艺仿真”“奶酪生产工艺仿真”等。因此，将仿真技术应用于“发酵食品工艺学”课程教学中是迫切的研究课题[7]。

1 “发酵食品工艺学”课程教学存在几点不足

近年来，尽管国家对教育经费投入加大，但是地方院校经费和资源仍然投入不足，尤其是工程类学校或专业更加明显，主要体现在课程教学硬件不足或陈旧（如实验设备不足且落后）和教学软件不足（如专业师资较少）。以怀化学院“发酵食品工艺学”课程教学为例，即使采用一些所谓的多媒体教学，仍然与传统教学方法相差无几[6]。另外，由于是新建专业，师资有限，导致“发酵食品工艺学”课程教学效果提高不显著。目前，“发酵食品工艺学”课程教学存在以下3点不足：

首先，“发酵食品工艺学”课程内容较多，课时偏少，无法保证知识与技能的巩固。根据当前教学计划，通过压缩学时减轻学生负担，使得原本不足的学时更加捉襟见肘。

其次，专业师资不足，大多数主讲教师是刚毕业，尤其与工厂生产实际联系不足，接触和操作工厂生产设备机会不多，缺乏实践经验，如目前学校有食品科学与工程、食品安全与检测2个专业，共有专业课程教师8人，其中仅有3人有过工厂实践经验。教师在教学过程中难以有效指导学生积极学习并获得相关知识，不能深入理解设备运行情况、阐述相关仪器设备参数与实际操作规程[6]。

再次，食品发酵生产工艺过程中应用较多大型仪器和设备，其大多数为封闭式结构，仅由外部观察不同仪器的差别不显著。学生不仅无法观测设备内部构造，更难以了解设备的组装和运行，导致他们只能较肤浅认识相关仪器设备的结构、性能与运行方式[8]。

最后，由于资金和教学场地不足等原因，食品发酵工艺相关仪器相对缺乏，较难满足日常教学需求（如学校仅有一套啤酒发酵工艺物理仿真设备，其他的发酵食品工艺设备很少，即使有少部分设备也较为陈旧落后），严重影响课堂教学和实践教学效果。

学校的上述不足阻碍了培养学生“发酵食品工艺学”课程理论和实践技能，传统的课程教学改革势在必行。由于学校经费难以满足学生具体操作发酵食品工艺中大型仪器设备的需求，仿真技术可使学生不必直接接触真实设备，操作仿真软件能达到相似的效果，提高教学质量[6]。

2 “发酵食品工艺学”课程利用仿真教学的优越性

所谓仿真教学为运用建立食品发酵生产工艺过程和设备的数学模型，综合计算机技术、信息技术、网络技术及仿真技术，于计算机上建立一套反映真实发酵食品生产工艺过程和设备完全相同的虚拟分析系统进行教学[9]。在课堂教学中，采用仿真动画进行演示和讲解，能够生动形象地介绍相关工艺过程及设备运行方式，学生通过操作虚拟设备及软件，可以得到与真实设备与仪器类似的丰富操作经验[6]。仿真技术于“发酵食品工艺学”课程教学的优势表现在以下2个方面：第一、增强学习兴趣，提高学习效率。模拟仿真技术借助计算机软件将发酵食品生产工艺和设备展现在学生面前，这些软件具有较强的直观性和互动性，合理使用不但能解决大部分“发酵食品工艺学”教学内容抽象和课堂枯燥等问题，而且让学生全面了解发酵食品生产全部工程、工艺要求及条件等[6，10]。第二、节约教学经费，方便实用。仿真系统不但能较好地提高学生分析问题和解决问题的能力，还可大幅度减轻教师的授课压力。通过仿真系统，教师能够很容易地查看相关设备介绍的图片、文字说明、原理演示、动画和录像等，逼真地表现出来部分不易讲解清楚的结构、工作原理及操作过程，较好地提高教学效果[6]。学生可以直接在计算机上通过仿真软件了解相关仪器的结构、原理，还可以进行具体的实验模拟操作，从而掌握不同仪器使用方法。

3 仿真技术在“发酵食品工艺学”理论教学中的应用实例

首先，在讲授第3章啤酒时，主要内容是介绍生产啤酒工艺、啤酒生产过程。以大麦及酿造水为主要原料，由大麦、米等原料粉碎开始，经过原料粉碎、原料蒸煮、糖化发酵、啤酒瓶清洗和灌装消毒等重要部分组成。由于啤酒生产工艺过程内容较多，如工段多、工艺复杂及用到的设备多，所以讲授过程中仅用语音和几张图片无法清除完整地介绍，学生也感觉枯燥乏味。

啤酒生产工艺过程见图1。

图1 啤酒生产工艺过程

困难和理解较浅，最终的学习效果和效率较差，从而影响教学效果。然而，教学中利用啤酒生产工艺仿真软件能够完整地把啤酒由原料开始直至酿造出成品啤酒的生产工艺呈现给学生，并系统了解啤酒生产工艺全过程，部分工段操作界面。

虚拟蒸煮锅操作界面见图2，虚拟啤酒发酵罐操作界面见图3。

通过图文并茂的形式和交互式方法，一方面可详细介绍啤酒生产工艺系统的基础知识，让学生充分了解啤酒生产发展过程、分类知识和生产原料；另一方面可为学生提供啤酒生产过程的主要单元设备进行仿真模拟操作训练。在这一系列过程中，由整粒麦芽和米粉碎变成麦粉及米粉，再通过糖化和添加酒花，最后经酵母发酵后制成酒。最重要的是在啤酒罐的发酵过程，经过横位发酵变化曲线让学生了解影响发酵的主要因素，如酵母投放量、发酵温度、发酵时间等因素缺一不可[7，11]。通过以上虚拟仿真技术，让学生真实感觉到啤酒工厂生产情形，直观地认识啤酒生产。通过仿真技术生动形象介绍和身临其境的体验，知识介绍更加深入浅出，学生的学习兴趣更加浓厚和效果更佳，提高了学习效率及教学效果。

葡萄酒生产工艺见图4，红葡萄酒酒精发酵仿真操作界面见图5。

图2 虚拟蒸煮锅操作界面

图3 虚拟啤酒发酵罐操作界面

图4 葡萄酒生产工艺

其次，在讲授葡萄酒酿造章节时，以干红葡萄酒生产工艺为例，其生产工艺流程见图4。葡萄酒酿造工艺过程长，所用的设备多，如气囊压榨机、冷冻机、发酵罐、保温罐、缓冲罐、硅藻土过滤机、泵、除菌过滤机、振动筛选台、移动提升架、除梗破碎机、发酵罐自流酒收集罐及压榨酒收集罐等。通过在课堂教学中利用红葡萄酒发酵工艺仿真软件操作演示（部分操作界面见图5，图6及图7），能让学生深入理解干红葡萄酒的工艺机理，熟悉操作、增长经验。

皮渣压榨仿真操作界面见图6，除菌过滤仿真操作界面见图7。

图5 红葡萄酒酒精发酵仿真操作界面

图6 皮渣压榨仿真操作界面

图7 除菌过滤仿真操作界面

在讲授第7章酱油时，主要内容是介绍酱油生产工艺。其中，制曲一节中原料处理部分用到的原料粉碎机设备。这些设备平时学生接触少，且设备类型多，大部分为封闭形式，部件多且结构复杂，采用常规方法讲解，难以全面系统介绍且效果不佳。通过设备仿真系统教学，可以详细、系统地介绍上述设备的结构、运行方式和设备各部件的组装（见图5）。使学生身临其境地学习和掌握这些设备的结构、运行方式甚至是设备的组装，其教学效果用语言及几张图片阐述难以达到。

锤击式粉碎机仿真操作界面见图8，奶酪生产工艺流程见图9。

图8 锤击式粉碎机仿真操作界面

图9 干酪生产工艺流程

最后，在讲授干酪生产工艺章节时，干酪是一种在牛乳、稀奶油、脱脂或部分脱脂乳、酪乳或其中的化合物凝结后通过排放液体（乳清） 而得到的新鲜或成熟制品。干酪的生产工艺流程见图9。干酪的生产工艺过程复杂、工段多、所用设备较多，借助干酪生产工艺仿真软件同样能让学生真实地感受到干酪厂生产情境，对干酪生产有直观的认识，具体演示部分过程见图10和图11。通过仿真技术生动形象介绍和身临其境的体验，知识介绍更加深入浅出，实现相同的学习效率及教学效果。

干酪发酵与凝乳仿真操作界面见图10，凝乳入模与压榨仿真操作界面见图11。

图10 干酪发酵与凝乳仿真操作界面

图11 凝乳入模与压榨仿真操作界面

4 仿真技术在“发酵食品工艺学”课程教学中的效果

近2年来，经过在“发酵食品工艺学”课程教学中的改革，一方面采取了考核方式改革，教学效果显著提高；另一方面在该课程的课堂教学改革进行了尝试，除采用传统教学方法和一些多媒体技术外，借助先进的虚拟仿真技术，该技术可很好地弥补传统教学手段的不足，具有无法比拟的优势。总体教学效果反应良好：一是上课出勤率高，由以前的93.5%左右上升到99.2%；二是学习兴趣浓厚，课堂纪律良好且学生参与程度高，讨论热烈，玩手机、讲话及开小差的几乎为零；三是学生课后问卷调查表面98.5%以上的学生非常认同这种方式方面；四是学习效率和效果显著提高了，学生在课堂内对讲授的相关知识掌握较好（如约90%学生掌握良好，6%掌握较好，其他掌握一般），学生成绩提高较显著，平均总成绩从68.5分提高到76.7分，低于70.0分的比例从43.4%降至16.1%，而且优秀率提高了5.9%。总之，“发酵食品工艺学”课程教学改革必须紧随现代科技发展的脚步与时俱进，才能更好地引导学生主动学习，提高教学效果。此外，现代化教学手段也不是一种完美的教学手段，需要与传统教学方式相结合，才能相得益彰，最大限度地发挥其功能，达到理想的教学效果。最后，提高学生解决问题的能力和综合素质，培养出具有创造性和专业性的竞争力人才，实现创新性应用型人才的培养目标。

5 结语

虚拟仿真技术为计算机技术发展的一种必然产物，作为一种现代化教学手段，具有传统教学手段无法比拟的优点，可弥补传统教学手段不足。仿真软件架起了理论与实践教学之间的桥梁，其可实现理论与实践教学有机结合。仿真教学环节必须加强学生了解并初步掌握发酵设备，促进他们深刻理解理论讲解内容。将仿真技术运用于“发酵食品工艺学”辅助教学中，不仅带来诸多方便和节省大量教育成本，而且能使学生改正一些不良学习习惯，显著提高学习效率和效果，是提高教学质量的一种有效手段。尽管如此，仿真教学仍然存在一些不足。由此，实践教学任务不能完全依靠仿真教学解决，主要为实物教学与生产实习不可能完全被仿真教学代替。总之，只有将实践教学与虚拟仿真技术有机结合，充分发挥各自特点，扬长避短，相辅相成，才能推动“发酵食品工艺学”教学进步[11-12]。

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[12]梁蕊芳，徐龙，翁鸿珍，等.仿真技术在发酵工程教学中的应用 [J].中国现代教育装备，2012（11）：9-12.◇

A Primary Study on Application of Artificial Technique in Teaching of Fermentation Food Technology

LI Changling1，*HU Yuping2，WU Di1，LIU Weijin1，FU Ming1，ZOU Juan1
（1.College of Biologic and Food Engineering，Huaihua University，Huaihua，Hu'nan 418000，China；2.College of Foreign Languages，Huaihua University，Huaihua，Hu'nan 418000，China）

Fermentation Food Technology is a comprehensive application course which covers many fields of microbiology，food technology and fermentation engineering and so on.The simulation system applied in the teaching of fermented food technology was feasible，which could simulate well the complete process of fermentation food.With appllication of artificial technique in Fermentation Food Technology，it couldn't only obtain a better simulation result，in which the students could understand the process of fermented food production pretty well，and could improve the learning interest and strengthen the teaching effect.

Fermentation Food Technology；artificial technique；educational reform；teaching practice

TS201.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.11.024

1671-9646（2017） 11a-0079-04

2017-09-06

怀化学院教学改革研究项目（2014-42）。

李昌灵（1973— ），男，博士，副教授，研究方向为工业微生物与发酵技术。

*通讯作者：胡玉平（1974— ），女，硕士，讲师，研究方向为课程与教学法。