食品工藝學(xué)實驗教學(xué)模式探索

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【摘要】食品工藝學(xué)實驗課具有很強的實踐性和操作性，實驗類型多樣，實驗內(nèi)容豐富，要求多種實驗儀器和設(shè)備。虛擬仿真實驗與實際實驗的結(jié)合能夠有效實現(xiàn)理論和實踐的有機銜接和優(yōu)勢互補，避免傳統(tǒng)實驗課實現(xiàn)方式的弊端，滿足食品工藝學(xué)實驗立體教學(xué)的需求。本文重點介紹虛擬仿真教學(xué)在食品工藝學(xué)實驗課中解決的問題和實現(xiàn)的特點，探索虛實結(jié)合教學(xué)模式以提高食品工藝學(xué)實驗教學(xué)的效果和質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】虛實結(jié)合；虛擬仿真實驗教學(xué)；實際實驗；食品工藝學(xué)實驗

1前言

食品工藝學(xué)是食品科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)核心課，開設(shè)對應(yīng)的實驗課程不僅是理論具體到實際的重要環(huán)節(jié)，而且是學(xué)生進一步了解加工工藝、培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)新產(chǎn)品的重要手段，同樣，對鍛煉和提高學(xué)生學(xué)以致用能力也是必需和必要的[1]。傳統(tǒng)的實驗課雖然可以有效鍛煉學(xué)生的動手操作能力，由于實驗設(shè)備和場地的限制，導(dǎo)致相當一部分學(xué)生不能充分參與實驗，理論和實踐不能充分地結(jié)合，學(xué)生往往只見現(xiàn)象不見本質(zhì)；對于實驗只見到了輸入和產(chǎn)出，而中間過程發(fā)生了何種變化，也是一種“黑箱”狀態(tài)，實驗效果大打折扣。虛擬仿真技術(shù)可以高效的調(diào)整實驗參數(shù)，構(gòu)建實驗參數(shù)和實驗結(jié)果的關(guān)系，且可以看到每一步的階段性結(jié)果，實現(xiàn)“黑箱”的透明化，充分掌握實驗的動態(tài)過程。本文試圖將實際實驗和虛擬仿真實驗教學(xué)進行結(jié)合，互相取長補短，以提高實驗效果和學(xué)生對實驗中的動態(tài)過程的理解。

2食品工藝學(xué)實驗課程特點及問題分析

2.1涉及知識面寬

食品工藝學(xué)實驗在保藏和加工原理上主要包括低溫保藏、熱殺菌、干制、發(fā)酵、煙熏、輻照等板塊，且每個板塊又涉及到谷物食品、果蔬制品、肉制品、乳制品，以及水產(chǎn)品等原料特性[2]。而每一部分都涉及到不同的具體的知識，如低溫保藏部分就包括不同溫度對保藏效果的不同，又包括食品的冷卻、冷藏、凍結(jié)、凍藏、解凍等方面。每部分之間既有一定的相關(guān)性，又有極大的區(qū)別。同樣，對于不同的食品原料，如果蔬與肉相比，兩者在組成、質(zhì)構(gòu)、貯藏條件、加工工藝等存在極大的差異。

2.2實驗設(shè)備有限

食品工藝學(xué)實驗中所涉及內(nèi)容范圍廣，因而實驗過程中所用到的設(shè)備較多，且通用性差[3]。設(shè)備的配套管路、控制設(shè)施組成復(fù)雜，不僅占地面積大，而且價格昂貴，如酸奶生產(chǎn)線、果蔬生產(chǎn)線、面包烘焙生產(chǎn)線等。只能購買有限套甚至一套設(shè)備用于演示實驗和學(xué)生分組實驗的需要，無法保證每個學(xué)生都能實踐操作，不利于學(xué)生對實驗過程的感性認識。

2.3實驗效果差

食品工藝學(xué)實驗過程中，學(xué)生既要清楚實驗?zāi)康?、整體方案，也要領(lǐng)會操作中的關(guān)鍵技術(shù)點；在實驗過程中，往往有若干關(guān)鍵操作單元屬于黑箱過程，學(xué)生只能看到原料放進去和成品取出來時的外觀形態(tài)，而對于樣品內(nèi)部發(fā)生了什么變化，以及這些變化的動態(tài)過程是什么樣的完全沒有直觀感受。如面包焙烤過程中，面團的醒發(fā)操作單元。學(xué)生在理論上可以理解醒發(fā)前后面團所發(fā)生的變化，但仍然不夠直觀感受面團的醒發(fā)過程，對于不同因素對面團醒發(fā)的影響，如水分含量、膨松劑添加量、溫度等因素，難以深刻理解。

2.4學(xué)生缺乏實踐基礎(chǔ)

食品工藝學(xué)實驗具有很強的實際操作性和繁瑣的工藝流程，在實驗過程中經(jīng)常需要操作大型的工藝設(shè)備，搬運較重的食品配料等。很多學(xué)生存在天然的畏難心理，對順利完成實驗缺乏信心，實驗開展時容易手忙腳亂，理不清頭緒。更由于實驗課時有限，學(xué)生難以獲得多次練習(xí)機會以提升操作能力。針對食品工藝學(xué)實驗教學(xué)中的上述問題，引入虛擬仿真技術(shù)以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實驗效果可能是一種有效的方法。

3虛擬仿真實驗的特點

3.1實驗過程直觀化

在食品工藝學(xué)實驗過程中，一方面受設(shè)備和時間所限，學(xué)生只能看到實驗中的宏觀變化，甚至只能看到初始原料和最終產(chǎn)品，而對原料到產(chǎn)品這個過程中所發(fā)生的變化難以有深刻感受；另一方面，由原料到產(chǎn)品過程中微觀的動態(tài)過程和分子層面變化難以直接觀察。借助虛擬仿真系統(tǒng)則可以很容易實現(xiàn)實驗過程的直觀化，不僅加深學(xué)生對實驗內(nèi)容的印象，而且可以強化學(xué)生對實驗原理和實驗過程的理解[4]。

3.2實現(xiàn)多次練習(xí)，感受實驗過程

實際食品工藝學(xué)實驗過程中，很多產(chǎn)品指標的變化是漸進的，如顏色、質(zhì)構(gòu)，學(xué)生往往只能檢測產(chǎn)品最初的和最后的兩種狀態(tài)的指標，而對于加工過程中這些指標的變化缺乏直接感受。在虛擬仿真平臺上，實驗的進度可以根據(jù)需要由學(xué)生自己控制；對實驗中的關(guān)鍵部分可以降低速度，反復(fù)模擬，多次練習(xí)；為觀察實驗過程中某些指標的動態(tài)變化，則可以加快速度，并構(gòu)建動態(tài)變化與工藝條件的關(guān)系，以及對實驗中的耗時、低效的環(huán)節(jié)加快進度甚至縮減。這不僅有利于學(xué)生多次練習(xí)，而且強調(diào)了對關(guān)鍵環(huán)節(jié)的重視，增強了學(xué)生對實驗過程的感受，提高實驗效率和效果。

3.3強化危險點提醒，提高實驗操作安全性

食品工藝學(xué)實驗中經(jīng)常涉及高溫高壓參數(shù)，如烘焙、殺菌等，如果操作不當，會有很大的危險性，甚至造成人身傷害。在仿真軟件中對工藝過程的危險點進行重點標注，若學(xué)生操作不當和錯誤，系統(tǒng)會給出各種警告以提醒，并可以給出詳細的錯誤信息，以及可行的補救措施，避免了突發(fā)事件時學(xué)生手忙腳亂。學(xué)生通過操作仿真軟件不僅可以有效熟悉實驗流程，而且能夠深刻了解工藝過程中的危險點，保證實際實驗中的正確操作和安全。通過“虛實結(jié)合”開展食品工藝學(xué)實驗教學(xué)是利用現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)，將該課程虛擬仿真實驗和實際實驗教學(xué)相結(jié)合的一種教學(xué)模式。該模式中傳統(tǒng)實驗是內(nèi)核，虛擬仿真實驗則可以使傳統(tǒng)實驗達到事半功倍的效果。虛擬實驗具有靈活性和自由性，不受時間和地點的約束，且易與傳統(tǒng)實驗實現(xiàn)交互。但食品工藝學(xué)實驗終究是一個強調(diào)動手操作的課程，實驗過程中的工藝條件和操作單元對實驗結(jié)果有極大的影響，若僅僅依賴虛擬實驗，學(xué)生的實驗技能將無從獲得。因此，根據(jù)食品工藝學(xué)實驗課程的特點，虛實結(jié)合的教學(xué)模式既能從微觀層面展示給學(xué)生實驗的動態(tài)過程，強化其對實驗原理的理解和基礎(chǔ)知識的掌握，又能充分培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能。

4虛實結(jié)合提升實驗效果

4.1仿真技術(shù)的局限性

仿真技術(shù)可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，花費較短的時間即可掌握某一加工工藝的整個流程，且具有靈活、安全、低花費等優(yōu)點。但對于實驗這種操作類型的課程，仿真軟件并不能完全取代實際實驗。仿真軟件的局限性主要有：（1）仿真軟件考慮的條件有限，而實際實驗中影響因素更多，往往會產(chǎn)生多種結(jié)果，甚至出現(xiàn)意想不到的結(jié)果，通過對這些結(jié)果的分析，有利于加深學(xué)生對實驗的進一步理解；當加工工藝條件一旦設(shè)定，仿真軟件只能給出唯一的結(jié)果，實際結(jié)果更為多樣，仿真實驗結(jié)果與實際實驗結(jié)果存在一定差異性。（2）在實際實驗過程中，學(xué)生可以觀察食品原料的細節(jié)，有更多的感性認識；仿真實驗則難以充分提供相關(guān)信息。

4.2虛實結(jié)合實驗教學(xué)

從食品工藝學(xué)實驗的課程特點、虛擬仿真和實際實驗的優(yōu)缺點綜合考慮，在實際教學(xué)過程中將仿真和實踐兩種教學(xué)方式有機結(jié)合，以確保良好的教學(xué)效果，具體路徑為：（1）以仿真技術(shù)鞏固基礎(chǔ)利用仿真技術(shù)形象直觀、容錯性強、易于重復(fù)、學(xué)習(xí)高效等特點，在實際操作之前，學(xué)生先通過仿真軟件學(xué)習(xí)。在此過程，學(xué)生既可以強化實驗的原理，也可以熟悉實驗的步驟。最后利用仿真軟件的考核模塊檢驗對待操作實驗的掌握程度，若達到要求，則可開展實際實驗；否則，繼續(xù)在仿真軟件上練習(xí)。（2）以實際實驗提高能力通過對實驗過程的虛擬操作，學(xué)生可以基本掌握實驗的原理、實驗內(nèi)容、實驗步驟，對實驗過程中的關(guān)鍵注意點也有了基本了解。通過實際實驗操作可進一步提高學(xué)生的實驗?zāi)芰Α嶋H實驗可根據(jù)課程內(nèi)容選取針對強化某一知識點的綜合性實驗。根據(jù)實驗的復(fù)雜程度，可將學(xué)生分成小組，每組2~4人，各組獨立完成實驗操作，實驗過程中，各小組組員分工協(xié)作，但實驗操作中的關(guān)鍵點要大家共同參與，以利于增強對實驗的感性認識。（3）虛實結(jié)合強化對實驗的掌握和理解經(jīng)過虛擬仿真和實際實驗的雙重實驗過程，學(xué)生進一步回顧和總結(jié)實驗過程中的操作要點、觀察到現(xiàn)象、理論知識，并構(gòu)建三者之間的有機關(guān)系，以達到了事半功倍的效果。如在開展蛋白凝膠制備實驗時，學(xué)生需要觀察和分析雞蛋羹和魚凍制備條件、操作流程、所形成產(chǎn)品的外觀等不同，在理論上與操作要點、實驗現(xiàn)象產(chǎn)生互動，深刻理解蛋白質(zhì)的變性特征、形成凝膠條件、形成凝膠類型等知識點。在實驗過程中，實現(xiàn)虛擬仿真和實際實驗的有機互動，增強學(xué)生對理論知識點的感性認識和實驗現(xiàn)象的理論化，強化學(xué)生對實驗的掌握和理解。

5總結(jié)

食品工藝學(xué)實驗是食品科學(xué)與工程專業(yè)的一門重要的實驗課程，該課程所開展的實驗通常具有很強的綜合性，通常學(xué)生需要很好地綜合掌握理論知識，才能深刻理解操作要點和實驗現(xiàn)象；同樣，學(xué)生只有熟悉了操作要點和實驗現(xiàn)象才能充分消化吸收理論知識。虛擬仿真技術(shù)可以提供形象直觀的實驗過程，而且可以反復(fù)多次高效實現(xiàn)這一過程，它可以有效提高食品工藝學(xué)實驗課程的學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真技術(shù)和實際實驗的結(jié)合是構(gòu)建理論與實踐有機關(guān)系的具體體現(xiàn)，兩者可以揚長避短、優(yōu)勢互補，能夠有效推動食品工藝學(xué)實驗課程授課效果的提升。

參考文獻

[1]姜啟興,王斌,孟宗,等.食品工藝學(xué)實驗教學(xué)存在的問題與改革思考[J].中國輕工教育,2018(1):67-71.

[2]王斌,呂兵,姜啟興,等.基于虛擬仿真的食品工藝學(xué)實驗教學(xué)改革與實踐[J].教育教學(xué)論壇,2020(16):376-377.

[3]宋春麗,任健,陳佳鵬.科教融合提升食品工藝學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量的研究與實踐[J].食品工業(yè),2018,39(7):289-291.

[4]王慧,白紅英,馬麗.高校虛擬仿真實驗室的建設(shè)與改革研究[J].中國管理信息化,2019,22(7):216-218.

作者：丁保淼 常慧玲 高夢祥 江洪波 單位：長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院