利用虛擬仿真技術構建食品專業(yè)一流本科課程體系

劉麗莉，張孟軍，康懷彬，程偉偉，趙勝娟

（河南科技大學食品與生物工程學院，食品加工與安全國家級教學示范中心，河南洛陽 471023）

近年來，隨著科學技術的發(fā)展與進步，教育教學質量在不斷提高，然而實驗實訓等實踐項目受限、教學效果不理想仍是亟待解決的重要問題，還需要探索新的教學思路和方法。另外，經費和資源的不足也使得工科類院?；蛳嚓P專業(yè)的發(fā)展受限，如設備儀器缺乏或落后、師資力量薄弱等，這使得教學在內容上較為枯燥，不夠新穎，創(chuàng)新性和探索性相對缺乏；在形式上較為單一，教和學轉化率相對較低[1]。

以河南科技大學食品與生物工程學院專業(yè)課——“食品工藝學”課程教學為例，該課程在2018年榮獲國家級精品在線課程，達到同類課程的國內領先水平，受到學校和國內同行的一致好評。校內外修讀取得了顯著效果，已獲得一定的進展與廣泛好評。然而，“食品工藝學”課程教學仍存在一些不足：①內容多、課時少，雖然有在線精品課程的加持，但仍無法全面細致，面面俱到；②缺乏實踐，僅僅“走馬觀花”式的觀摩不能直接接觸參與實驗過程，使得學生的知識與技能學習轉化效率不高，且記憶不深刻；③由于部分實驗實訓具有成本高、存在安全問題等特點，再加上時間和空間等方面的限制，學生很難獨立完成實驗操作，導致學生參與度與互動性較低，不易發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有問題，獨立思考、創(chuàng)新性解決問題的能力得不到提升，教學效果嚴重受限[1]。

1 虛擬仿真教學應用于傳統(tǒng)教學的意義

所謂虛擬仿真技術，就是將實訓或實際生產過程中由于時間、空間、經費、安全性等因素限制而無法實現(xiàn)的項目用計算機結合3D 建模等技術采用模型方式展示出來，在計算機上建立一套虛擬分析系統(tǒng)，達到與真實操作相關儀器相似的效果[2]。主要有以下優(yōu)點：①使課堂內容更加豐富，激發(fā)學生的興趣，從而促使學生從不同的角度思考，提出專業(yè)性的問題，提高其創(chuàng)新思維的能力。②通過計算機及仿真技術使學生直觀了解到機器內部運轉情況，有助于加深其對實驗原理的理解，具有較為立體直觀的感受。③節(jié)約成本，受限較小。采用虛擬仿真技術構建虛擬模擬訓練場景，使得一些由于技術、環(huán)境、成本、安全性等原因限制而無法完成整個實驗過程的問題得以解決，且可根據教學任務的變更進行拓展，節(jié)約實驗室維護的成本。

目前，只依靠傳統(tǒng)教學模式已無法適應我國市場經濟發(fā)展的趨勢，必須將傳統(tǒng)教學方式與現(xiàn)代科學技術緊密統(tǒng)一，虛實結合，形成多元化立體教學模式，使教學內容更豐富、可靠；實踐內容更安全、經濟、高效[3-4]。虛擬仿真技術的出現(xiàn)和應用彌補了傳統(tǒng)教學模式的弊端，打破了實踐教學內容在時間、空間、安全性等方面的局限性，進一步從實質上使實踐教學成效得到了拓展，極大程度上提高學生學習的效率，使教和學的轉化率大幅提升，傳統(tǒng)教學方式與虛擬仿真技術有效互補、相輔相成。對培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、動手能力、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力具有重要的意義，可滿足用人單位和社會對人才培養(yǎng)質量的要求[5-6]。

2 “虛實結合”兩位一體教學模式的構建

2.1 虛擬仿真實踐教學中心的建立

2.1.1 食品專業(yè)實踐中適用虛擬技術輔助教學的課程

食品專業(yè)課程虛擬仿真實踐系統(tǒng)具體需要根據其各自的專業(yè)特色進行開發(fā)。例如，“食品工藝學”“食品工程原理”等課程，工程性質強，只依靠概念性文字描述不能對其進行很好的解釋，學生得不到全面系統(tǒng)的理解。這就需要虛擬仿真技術加以輔助，通過三維動畫將食品加工過程場景模擬出來，再加以教師結合動畫進行互動性教學，模擬實際實踐場景，學生在學習后可通過虛擬軟件獨立進行相應的實踐操作，給學生帶來直觀全面的模擬實踐體驗。例如，在啤酒、葡萄酒等食品生產加工工藝過程中，能夠突破時間、空間等的局限性，通過3D 模型高度還原且完整展示其生產加工的全部過程，及相關儀器工作原理和運轉方式，應用于食品專業(yè)，如“食品科學與工程”“食品質量與安全”“乳品工程”等課程的虛擬仿真技術，要求其具有良好的承繼性、合理性、可操作性和方便實用性，且能夠與實踐實訓、實際生產操作相符，具有較高的還原度[1，5-7]。

2.1.2 應用于食品專業(yè)課程的虛擬仿真技術的設計

設計虛擬仿真課程與在線精品課程相結合的軟件技術，滿足學生實驗預習、模擬實驗、實驗數據管理的需求，達到三維動畫流暢，內部結構可視，課堂理論講解與儀器操作能即時結合的效果，從而更好地促進食品專業(yè)課程教學。虛擬仿真技術還需要相關軟件技術的支撐，將專業(yè)軟件技術團隊與食品專業(yè)課程教師結合，由課程教師根據課程需要提供相關素材，由專業(yè)的軟件技術團隊提供技術指導和支持，積極做好交流與溝通，多層次、遞進式地進行模型設計，將抽象的難以理解的儀器設備結構原理更加細致化、形象化，促進知識的轉化，使虛擬仿真實訓平臺更能切合食品專業(yè)課程的實踐教學體系需求[8]。

虛擬仿真技術系統(tǒng)的設計應涵蓋以下方面：①虛擬仿真實踐教學管理系統(tǒng)?；趪揖吩诰€課程針對在線教育研發(fā)后臺管理系統(tǒng)，需通過賬號及密碼登錄，包括個人信息中心、教學管理、資源庫、輔助教學平臺等。②虛擬仿真實訓識圖與構造軟件。由課程教師聯(lián)合專業(yè)技術團隊共同設計，達到具體工藝流程對應三維動畫模型，可通過調整從各個方位各個角度展示，并且生成相應的二維圖紙，模型界面和圖紙界面可以相互轉換進入或是同時打開對比，方便學生理解記憶。③用戶系統(tǒng)建設。需賬戶密碼登錄，包括個人信息中心、課程素材、實踐中心等基本內容，實踐中心按層次劃分為單元操作、過程操作、實際生產加工模擬等，通過實踐中心能達到課前預習，課間操作、課后復習的目的。

2.1.3 應用虛擬仿真技術實現(xiàn)資源整合與共享

隨著互聯(lián)網和相關技術的飛速發(fā)展，借助于遠程虛擬實驗技術的遠程教育隨之興起。聯(lián)合校內外、本地區(qū)各高校乃至全國各高校建立教學資源共享平臺，使教學資源更加完整豐富，節(jié)約開發(fā)成本的基礎上最大程度地滿足學生需求，建立立體化、全方位、多層次的學習平臺。相互彌補，形成完整的教學體系，共同促進，形成一種綠色可循環(huán)的“資源庫共享”模式[9-10]。

2.2 傳統(tǒng)教學與虛擬仿真技術有機結合

實現(xiàn)教學模式的多元化，將傳統(tǒng)教育方式與現(xiàn)代化技術相結合。傳統(tǒng)教學模式中，多以課堂為主，實驗室為輔。虛擬仿真軟件能夠將實驗室搬進課堂，實現(xiàn)理論知識與實驗操作的統(tǒng)一與同步，刺激學生的積極性。另一方面，現(xiàn)代科學技術始終是未來發(fā)展的重要方向，緊跟時代發(fā)展步伐，將現(xiàn)代科技運用到教學中，利用現(xiàn)代科學技術更高效地促進教學。因此通過虛擬仿真實驗軟件開發(fā)，能夠實現(xiàn)教學模式的多元化，促進教學實踐與信息技術的融合，形成“虛實結合”的教學體系[10]。

2.2.1 課程體系的改革

改變傳統(tǒng)教學固定化的教學模式，將虛擬仿真技術融入其中，為學生學習課程提供“先導式”教學內容，學生通過虛擬仿真教學軟件對專業(yè)課程的流程進行提前學習，完成對專業(yè)課程部分的預習。教師根據課程變革重新修訂授課內容，在理論教學的過程中，結合虛擬仿真技術，進一步豐富和完善網上教學資源，對學生仍有疑惑的部分進行講解和系統(tǒng)的總結，保證課程資源的正常、穩(wěn)定建設。通過虛擬仿真技術，極大程度地提高了學生對儀器構造及工作原理的理解，使工藝流程實際操作的記憶能力和空間思維能力得到了更好的塑造。通過教師解惑總結，使得學生的學習效率得到很大的提升。另外，在課程設置方面，要做到精簡、優(yōu)化，更加注重培養(yǎng)和提高學生創(chuàng)新能力、動手能力、獨立思考和解決問題的能力，繼而全方位、多角度、多層次地提升教學質量[11]。

2.2.2 建立“三合一”實習課程體系

建立一種虛擬仿真技術與校內實驗室實習及校外企業(yè)實際生產實習“三合一”的模式，充分利用校內外資源，改革課程實驗內容設置及實習內容設置，與企業(yè)實際生產過程相結合[12]。更新教學理念，實行分階段多層次實踐性教學。首先，將虛擬仿真技術引入實踐教學中，通過仿真技術使學生更高效地掌握實際生產的過程及原理；其次，繼續(xù)加強實驗、實訓場所及設施建筑，構建可持續(xù)發(fā)展的多元實踐教學基地，增強實踐教學基地的仿真性；最后，以校內實驗為依托，校外企業(yè)實際生產實習為目標，充分發(fā)揮校內外實習基地的作用，在虛擬系統(tǒng)模擬訓練的基礎上通過實際操作更深程度地加深學生的理解，提高其動手能力及解決實際生產過程中突發(fā)問題的能力，學會知識與技能的融會貫通。

2.2.3 改革實習實踐模式

將虛擬仿真技術應用在課程實訓、頂崗實習、畢業(yè)設計、項目競賽中，構建虛擬仿真實踐中心及校企聯(lián)合實驗室。將專業(yè)介紹、金工實習、認識實習、課程設計、生產實習、科研訓練課、食品工藝實驗、畢業(yè)實習等實踐教學課程有計劃分階段地安排在整個課程計劃中，以達到最佳的教學效果。

3 現(xiàn)有成效及優(yōu)化辦法

學校食品專業(yè)本科課程自設立以來，經過學院教師20 多年的努力，已建成了完整的課程體系和實踐基地，形成了自己的特色和風格。依靠雄厚的師資力量和先進的科研基地，并利用河南省食品工業(yè)快速發(fā)展的優(yōu)勢，在授課過程中，充分利用現(xiàn)代化設備，在教學手段上更加注重多媒體化。為學校工程教育的國際化打開了新局面，為學校工程類專業(yè)的建設和發(fā)展提供了寶貴的經驗，并獲得了同行的一致認可，得到同類院校專家的高度評價。但是，由于科學技術的發(fā)展與進步，食品企業(yè)實際生產設備也在逐步更新，向智能化、自動化、復雜化、大型化方向發(fā)展。學生未實際接觸過大型設備，這給課程講解帶來了一定的難度，為適應時代的發(fā)展，這使得類似于“食品工藝學”的課程需要接受更新、更大的挑戰(zhàn)，需要不斷地探索與完善。

為此，提出以下幾點優(yōu)化方法：①進一步加強專業(yè)課程建設，更深層次地加大校企合作，在對外交流與宣傳上投入更多精力，提升知名度，積極申報國家級精品在線開放課程，并且結合虛擬仿真技術實現(xiàn)“食品工藝學”等專業(yè)課程推廣。②加強師資隊伍建設，加強課程教師的引進和師資的培訓，向更高水平、更高層次、更高標準的方向發(fā)展，逐步向國內一流教師團隊靠攏。③以食品專業(yè)課程為例進行課程的改革，總結經驗、改進不足，穩(wěn)步完成對食品專業(yè)課程的全部改造，實現(xiàn)食品專業(yè)一流本科課程體系的建設。

4 結語

虛擬仿真技術在食品專業(yè)中的應用，對促進知識的轉化、提升學生學習效率有重要的意義，借助虛擬仿真技術，學生可以清晰地了解到平常不易接觸到的大型儀器內部構造及工作運行狀態(tài)，幫助其更深層次地理解與記憶。隨著科學發(fā)展的趨勢，更高效安全的技術應用到教育行業(yè)中勢在必行，通過在虛擬系統(tǒng)中的模擬與訓練，獲得與實際操作儀器設備相似的效果，使學生工程創(chuàng)新能力、隨機應變能力、迅速創(chuàng)造生產力能力得到有效的提升，這是人才培養(yǎng)中不可或缺的目標。另外，虛擬仿真技術結合傳統(tǒng)教學方式，構建多元化、立體式教學模式，二者相互補充、相輔相成，促進“所學及所用”，達到產學研并行。同時，將成熟的應用模式引進到其他學科建設中，可逐步帶動食品專業(yè)一流本科課程體系的建設。