虚拟仿真在食品工程原理实验传统教学中的有机结合

陈燕萌，柳富杰，覃逸明

(广西科技师范学院 食品与生化工程学院，广西 来宾 546199)

食品工程原理是食品类专业必修的一门基础专业课，有很强的理论性和实践性，且与食品工业生产密切联系，在课程体系中起着承前启后和由理及工的重要纽带作用[1]。食品工程原理实验课程是食品工程原理课程的重要补充和实践，是学生理论联系实践的重要途径，对学生工程意识和工程思维的培养起着重要作用。虚拟仿真教学是一种共享型虚拟实验系统，是以计算机网络为核心，利用多媒体、人机交互和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，为学习者提供一个生动、逼真的学习环境，是目前国际先进的教学模式[2]。

1 食品工程原理实验传统教学的优点与不足

1.1 传统实验教学的优点

1.1.1 提高学生的感知认识

传统的食品工程原理实验教学是指学生到食品工程原理实验室亲自操作真实的仪器开展真实的实验。从心理学的角度出发，学生总是对自己能够亲身接触的实物记忆得更加深刻和透彻[3]。在传统的实验教学中，学生可以看到真实的实验设备构造和组成，可以通过实体的仪器理清管路和阀门的作用，可以学习某些重要设备的实际操作方法，如离心泵、板框压滤机的使用等，这种通过视觉、触觉、听觉等来认识事物并获得感性认知的过程，可提高学生对食品工程原理实验的兴趣，同时也会加深学生对理论知识的理解与掌握。

1.1.2 培养学生解决实际问题的能力

学生在进行传统的实验时，总会遇到各种各样的问题，学生能否正确、快速解决这些问题，将会直接或间接影响实验结果。如，在雷诺演示实验过程中，水箱液位的波动幅度将会直接影响红墨水呈现出来的流动形状，间接影响学生所观察到的流体流动形态，对此，要求学生在操作过程中必须随时根据出水流量的变化，调节正确的阀门，控制水箱的液位达到平衡，以防进、出水量失衡造成的水箱液位波动严重、或水箱水量不足、或水箱水量溢出等现象的出现。学生通过经历传统实验，不仅提高了动手操作的能力，也培养了分析和解决问题的能力。

1.2 传统实验教学的不足

1.2.1 教学设备守旧，数量不足

目前，传统的食品工程原理实验室现有的实验设备大多是流体力学、恒压过滤、吸收、传热、干燥、精馏等操作单元的教学仪器，这些教学仪器与化工原理实验的仪器大体相同，大多是一些基础型、验证性实验项目，缺乏一些综合性、设计性的实验项目。此外，食品工程原理实验的每个实验项目仅有一台仪器设备，而上课对象一般多达15人/组以上，学生操作工位非常拥挤，使得在实际教学中往往会出现部分学生操作、部分学生围观等现象，不利于学生的学习探索。

1.2.2 仪器易出现异常，实验结果不理想

传统的实验仪器有一定的使用寿命，常因使用率高、或学生操作不当等因素会出现异常，影响实验结果。如，在流体流动阻力的测定实验中，其中一个步骤是对倒U型压差计进行排气，学生对这步操作经常做不对，需要重重复复操作，增加了对仪器的使用率，使高压阀、低压阀超负荷扭转，最终出现漏水，影响了仪器的性能；在传热实验中，由于温度探头接触不良，使得测量冷流体的出口温度间歇性出现异常，也会影响实验结果。

1.2.3 教学内容单一，范围狭窄

传统的食品工程原理实验教学内容主要是雷诺演示实验、流体阻力测定实验、离心泵特性曲线测定实验、洞道干燥实验、填料吸收塔实验、恒压过滤实验、筛板精馏实验、传热实验这八大实验项目，内容都较偏向化工原理实验方向，缺乏一些与食品工业相近的基础性实验项目和综合性设计的实验项目，如蒸发实验、喷雾干燥实验、流化床干燥实验、超临界流体萃取实验等。

1.2.4 实验教学受时间、场地限制

传统的实验教学一般都是在规定的时间到特定的实验室开展相关的实验项目，基本是一周学习一个实验项目，每个实验项目安排3学时。对于原理抽象、过程复杂的食工原理实验，3学时的学习时间肯定是不够的，学生需要更多的时间和机会对所学项目进行练习和更深入的探讨。然而，高校的食品工程原理实验教学普遍存在学生人数众多、仪器数量较少、食品工程原理实验的教师和实验员人数不足的现象，这些因素在很大程度上限制了学生的自主学习，导致学生不能根据自己的时间自主规划自己的学习内容。

2 虚拟仿真实验的优点与不足

2.1 虚拟仿真实验的优点

2.1.1 教学内容全面，综合性实验增多

食品工程原理实验的虚拟仿真实验内容比较全面，除了传统教学的实验项目外，还包括了流体黏度测定实验、气体液体扩散实验、蒸发实验、喷雾干燥实验、流化床干燥实验、液液萃取实验、超临界萃取、葡萄酒发酵单元虚拟实验等，既包含了所有化工操作单元的基础性实验，又包含了一些综合性设计实验，教学内容全面，符合国家对应用型人才的培养要求。

2.1.2 操作思路清晰，安全简便

虚拟仿真实验在程序设定过程中会遵循安全操作的原则，对于学生操作不当、设置不合理的地方，系统会立即出现提示或安全警告，让学生意识到错误和危险，从而提高了学生的安全防患意识。如，在虚拟仿真恒压过滤实验中，系统操作界面如图1所示，当配料桶的悬浮液未经“泵入口阀-离心泵-回流阀”混合均匀时，就点击采出阀输送液体到高位槽，这时系统就会提示“悬浮液未混合均匀”的提示；若加水量少了，配制的悬浮液浓度过高，点击采出阀时，系统会提示“悬浮液浓度太高，请加水”；当未打开排气阀，就点击采出阀输送样品时，系统会提示“请先打开高位槽排气阀”。此外，还有更多不正确的操作，系统都会给予正确的提示，引导实验一步步有序进行。可见，虚拟仿真实验避免了传统实验过程中可能出现的泄露、高压等危险事故的发生，避免了学生现场操作手忙脚乱、一片混乱的场景。

图1 虚拟仿真恒压过滤实验系统操作界面

2.1.3 可无限重复，数据更接近理论值

虚拟仿真实验是在仿真软件下进行实验的，不受实体物料、设备的限制，学生只要有电脑、软件就能开展相关的学习。在学习过程中，学生可根据自己的时间，进行重复练习，同时也可通过更改参数条件，采集不同的数据，比较实验参数变化对实验结果的影响。此外，虚拟仿真实验的实验避免了传统实验过程中的种种故障和异常，即减少了传统实验的系统误差、人为误差和偶然误差等，故采集出来的实验数据较理想，学生通过虚拟仿真实验数据验证出来的结果也会更接近理论值。

2.1.4 虚拟实验不受时间、场地的限制

与传统实验不同的是，虚拟仿真实验实施的条件是电脑+软件，学生可在自己的笔记本电脑装上食品工程原理仿真实验软件，随时随地开展实验项目的自主学习，不再受传统教学学时、仪器设备、场所的限制。

2.2 虚拟仿真实验的不足

2.2.1 缺乏实验的氛围

虚拟仿真实验采用人机交互的模式，学生面对的是冰冷的电脑和一些不真实的软件。授课时教师一般是通过主机控制方式与学生互动，这会给学生带来一种感觉：他们面对只是一个会讲解实验知识的机器，而并非真正的人。虚拟仿真实验模式一般采取一人一机，无法提供真实实验中的人文环境，难以实现核心素养中提出的培养学生合作交流能力的要求[3]。

2.2.2 实验过程过于理想化

虚拟仿真实验完全是在虚拟的实验环境中进行，每个步骤的进行都是通过操控鼠标或键盘来完成的。食品工程原理实验注重培养学生面对实际事件时分析问题和解决问题的能力，而虚拟实验过程都非常理想，对真实实验过程中的一些细节，特别是易出现的实验故障等问题缺乏模拟，不利于培养学生发现问题和解决问题的能力[3]。

3 传统教学与虚拟仿真的有机结合

3.1 从实验内容的构架将两者有机结合

根据国家教育部对高校应用型人才培养的要求，实验课的实验内容应包含基础性、验证性、综合性、设计性的实验项目。在食品工程原理实验的教学中，教师可采用传统教学模式开展一些基础性、验证性的实验项目，采用虚拟仿真教学模式开展一些综合性、设计性的实验项目，以此合理安排框架完整的实验项目。

3.2 从实验的操作可行性将两者有机结合

食品工程原理实验传统教学中，个别实验操作繁琐、数据不稳定、存在安全隐患等问题，如，在恒压过滤实验中，由于学生控制压力不恒定、所装板框滤布漏液、实验存在高压风险，该实验项目的常不能顺利开展全部实验内容，或采集出来的原始数据也不理想。因此，教师针对操作不稳定、操作存在安全隐患等实验项目，可结合虚拟软件开展仿真教学，以此实现教学目的。

4 结束语

食品工程原理实验的传统教学模式与虚拟仿真实验教学模式各有其独特的优点与不足，两者不应独立存在，而应相互共存、相互补足、相互促进的统一体。为了使食品工程原理实验的教学效果达到最优，在高校的食品工程原理实验教学中应将两种实验教学模式有机结合起来，从而实现实验教学的目的。