虚拟仿真技术在“乳品工程”实验教学中的应用

李晓东，张秀秀，郑冬梅，崔立雪，张宏伟，徐 渐，于晓雪，刘 璐

（1. 东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030；2. 东北农业大学乳品科学教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150030）

随着我国乳品工业的快速发展，各大乳品企业新设备及技术已达到甚至超过国外发达国家的水平，熟悉工艺和操控的人才严重短缺，迫切需要相关院校提供此类专业人才。乳品工程作为工科类专业，实践是至关重要的，但是仅依靠乳品实验操作是远远不够的，学生对于接触工厂大型仪器的生疏变成了制约乳品专业人才培养的瓶颈。对乳品专业人才实践能力的要求也由简单的专业技术和理论能力转变为系统思维能力、工程实践能力、团结协作能力和工作适应能力相一致的综合水平[1]。

虚拟仿真教学是一种新的高等教育教学模式，是高等教育信息化发展的内部需求，也就是说，其有助于扩大乳制品教学内容的广度和深度，为实践教学节省时间和空间，有效地提高了教学质量和水平[2]。

1 传统实验教学体系

“乳品工程”的传统实验教学都是围绕小型实验室进行。首先，学生通过理论知识构建实验方案，然后在教师的指导下进行修改，最后在实验室进行实践。在这个过程中，学生可进一步理解理论知识的含义，培养创新和动手能力。然而，传统实验教学中仍存在一些问题，具体表现为以下几个方面：

（1） 受仪器设备的制约。实验室中进行的乳品实验并不适合真正的工厂使用，当乳制品真正投入工厂加工时，需要借助各种大型机械设备才能完成，而这些设备存在价格昂贵、占地面积大、操作复杂，且损坏后的维修费用高等问题。因此，由于经费和实验场地的限制，学校平台不可能购置大量的大型生产设备，这使得工艺实验与生产实际脱节。目前，实验的教学设备，仅仅用于展示原理和作坊式实验，生产实验无法开展，稍有不慎就可能导致不同程度的设备损坏甚至人员伤亡事故，实验教学因此出现短板。

（2） 受教学手段的制约。在实验教学中很难保证每个学生都有亲自动手操作的机会，单靠教师做演示实验，学生对于设备的有些内部结构很难直观看到，不能真正理解设备的工作原理[3-4]。

（3） 受教学时间的制约。由于实验课的课时数较少，一些耗时较长实验只能简单进行原理讲解与操作演示。例如，乳品实验中涉及的“干酪的制作”，应为重点环节，但由于干酪加工过程较长，学生不能全程实践发酵、凝乳、加盐及压榨等制作过程[5]。由于食品安全和生产成本等因素，乳品企业一般也不接受学生参与一线生产，学生只能进行观摩教学。

（4） 受考核方式的制约。在传统实验室课程考核中，实验结果是成绩的主要评定标准，但这会导致学生更加注重结果而轻视实验过程[6]。完整的实验过程应包括预习、准备、操作、结果记录、数据处理及误差分析，除此之外还有一些自主性的创新和突发问题的应变。但目前传统实验教学会忽略这些步骤。甚至有部分学生根本不动手操作，只等待实验结果来撰写实验报告。

2 虚拟仿真在“乳品工程”实验教学的实践与探索

2.1 虚拟仿真实验教学体系

虚拟仿真是利用了虚拟现实、网络通讯和人机交互等重要信息化技术形成的一种高级的教学辅助系统[7]，在1971 年开始进行应用性研究，早期主要应用在军事、航空航天、航海等高精尖领域，2016 年呈现爆发式增长。在教育部建设300 家虚拟仿真实验教学中心项目的推动下，各个高校也兴起应用虚拟现实技术服务教学实践，在应用中获得良好的效果。

虚拟仿真教学是一种面向现代化的新型高等教育教学模式，是高等教育信息化发展的内在要求。自2013 年教育部启动建设国家虚拟仿真实验教学中心以来，已批准建设了300 多个国家级虚拟仿真实验教学中心，覆盖27 个省、204 所高校[8-9]。虚拟仿真技术在“乳品工程”实验教学中，通过虚拟现实仿真乳品技术直观展示加工设备的结构，且现实难以实现的项目的全过程模拟，依靠电脑，可完成整个大型乳品企业在消毒、原料验收、预处理、发酵、真空浓缩、喷雾干燥等中的所有复杂的过程。集仿真、安全、专业、高可靠性等优点于一体，有效地增强了学生的综合实践能力和创新能力，解决了传统实验教学的不足。

（1） 解决工艺设备问题。虚拟仿真实验可以建立虚拟的生产线和乳品工厂布局，可以让学生提前练习，为实际实验操作奠定基础，有效解决了人才培养需求与设备条件的冲突。

（2） 提升学生实践能力。对于虚拟仿真操作而言，每名学生都有上机的机会，可直观地学习实验或设备原理，以动画的形式直观和形象地展示原理，仿佛身临工厂一线，给学生最佳的操作视角，不但避免了实际中机械损坏的危险，同时也让学生锻炼了操作反应能力。

（3） 打破时空限制。虚拟仿真能够有效克服课时和资源的限制，不受时间、场地的影响，具有危害小、可重复、延伸实验教学时间、增强学生自主性等优点，使培养目标更易实现[10]。

（4） 过程化考核。虚拟仿真可进行自主考核，自动评分，在规定时间内允许上机考核多次，取最高分作为最终成绩。同时，教师可通过评分系统及时了解学生知识体系的不足，对学生的指导更加有针对性，提高教学效率和质量。学生也可在练习模式下可以参照评分系统进行操作并找到扣分点。

2.2 虚拟仿真教学活动的组织与实施

将虚拟仿真平台和现有实验教学资源相结合，对于充分发挥信息化教学的优势十分重要。如何协调好虚拟仿真实验与实际实验之间的关系，做到“线上线下虚实结合”，对于切实提高“乳品工艺”实验教学效果也具有深刻的意义[11]。以东北农业大学食品学院实验教学——乳粉为例，具体的实施过程如下：

（1） 教师讲解。教师进行婴儿配方乳粉工艺的讲解，重点讲解理论课上难以讲解明白、较为抽象的知识点，以先进的婴儿配方乳粉厂的虚拟模型为案例着重生产的整体布局和具体工艺的操作参数和步骤。

（2） 师生互动。教师指导学生操作软件，回答学生提出的问题，总结并讲解共同性问题。

（3） 课上练习。学生对乳粉加工虚拟仿真件进行操控，软件的试卷系统实时给出操作是否正确和当前得分。学生根据掌握的知识并参照笔记和讲义，依照给定的配方乳粉配方和生产任务进行各个物料的衡算；根据产品工艺要求设定各个设备的运行参数；调节各个阀门和工艺设备的运行状态；调整物料、工艺用水和蒸汽的使用；最终完整地实施配方乳粉的虚拟生产。

（4） 课前课后自主练习。学生通过“乳品工程”虚拟仿真实验教学中心网站下载乳粉加工虚拟仿真软件，通过学号和密码登录后进行自主操作练习，通过试卷评定系统找到自己操作的扣分点，通过反复操作熟练掌握配方乳粉加工工艺流程。

（5） 自助考核。学生输入学号后自助进行乳粉加工虚拟仿真实验百分制上机考核，系统自动评分收集成绩，得分在70 分以上为合格，得分在80 分以上为良好，得分在90 分以上为优秀，学生可以在规定时间内反复考核，取最高分作为最终成绩。

在虚拟仿真教学活动的组织与实施过程中应注意如下问题：

（1） 以传统实验为基础，以虚拟仿真为辅助。在传统实验中，学生可以直观地观察实验过程，分析实验结果和误差。然而，在虚拟实验中，现实中许多情况并不能完全呈现出来，从而导致许多错误被忽略。但是，这些错误可能会导致实验中出现很大的错误甚至失败。因此，虚拟仿真与传统实验应相辅相成，合理分配。

（2） 尊重客观规律。在利用虚拟仿真实验辅助教学时，一定要以客观规律为依据来设定实验器材、过程和结果，否则会让学生误以为虚拟仿真实验可以替代真实实验，而忽视了真实实验的重要性[12]。

（3） 增设教师讲解环节。在虚拟仿真实验的过程中，应涵盖相应的介绍和帮助。在构建实验教学平台时，应加入课前指导、实验项目的重难点讲解、实验操作过程中结果误差原因分析。增加教师线上答疑模块，促进师生之间的互动与交流，让学生有效地掌握工程知识。

（4） 重视操作过程的监督。实时监控每名学生的操作过程，对问题进行记录。可适当增设设计性的实验。

（5） 加强虚拟仿真教学项目的维护。目前，有些平台上的虚拟仿真项目网站无法打开，没有相关人员进行维护。应该重视完善和形成高质量的虚拟仿真实验课程体系，形成更专业、完整的课程体系。

2.3 虚拟仿真在“乳品工程”实验教学中的实践应用

以东北农业大学食品学院“乳品工程”实验教学为例，乳品工程虚拟仿真实验教学中心初步建成的乳品工程虚拟仿真教学平台拥有“虚拟乳制品生产虚拟仿真实验教学资源”“乳品仪器分析虚拟仿真实验教学资源” “乳品工程原理3D 虚拟仿真实验教学资源”。

（1） 乳品生产虚拟仿真教学资源。由乳粉虚拟仿真生产实验模块和干酪虚拟仿真生产实验模块组成，可进行配方粉虚拟生产实验、干酪虚拟生产实验、常见故障识别与排除实验和机械设备实验。

在乳粉实验教学中，喷雾干燥是典型的教学实验，也是实验的难点。当引入虚拟仿真实验后，学生可先进行喷雾干燥的仿真运行，熟悉喷雾干燥系统的组成，独立地选择样本的浓度，满足在不同样品浓度的需求。在传统的实验操作过程中，学生可熟练地按照喷雾干燥的实验步骤操作，提高实验效率，降低实验操作的错误率。通过虚拟与真实相结合的教学模式，使学生深入了解和掌握喷雾干燥系统的组成和工作过程，从而达到实验教学的目的[4]。干酪在工业生产中涉及干酪槽、杀菌、压榨等设备。在虚拟仿真实验中，学生可通过奶酪槽的模拟操作界面，通过调节发酵剂、氯化钙和凝乳酶的用量来控制奶酪的发酵和凝结过程。有助于学生熟悉和掌握干酪生产工艺流程和关键工艺参数的调节，以及干酪槽、灭菌设备和压榨机的操作和调节[4]。

乳制品生产虚拟仿真实验教学资源教学体系见图1，乳制品生产虚拟仿真实验教学资源见图2。

图1 乳制品生产虚拟仿真实验教学资源教学体系

图2 乳制品生产虚拟仿真实验教学资源

（2） 乳品仪器分析虚拟仿真实验教学资源。由液相色谱、气相色谱、气质联用、原子吸收、紫外-可见吸收和冷场发射扫描电子显微镜六大仿真实验模块构成。以真实设备和实验数据库作为支撑，学生可进行虚拟仪器操作、数据采集、数据分析。

乳品仪器分析虚拟仿真实验教学资源教学体系见图3，乳品仪器分析虚拟仿真实验教学资源实验场景见图4。

图3 乳品仪器分析虚拟仿真实验教学资源教学体系

图4 乳品仪器分析虚拟仿真实验教学资源实验场景

（3） 乳品工程原理虚拟仿真实验教学资源。学生通过流体综合实验、传热实验、搅拌器性能测定实验和精馏实验等实验掌握抽象的设备原理。

乳品工程原理虚拟仿真实验教学资源实验场景见图5。

图5 乳品工程原理虚拟仿真实验教学资源实验场景

3 结语

构建基于虚拟仿真的在线实验教学平台，结合传统的线下实验教学模式，是“乳品工程”实验教学体系改革的一个重要方向。其集理论、设备、仿真于一体，充分发挥传统实验和虚拟实验的优势，坚持“以学生为中心、以生产为导向、持续改进”的原则，解决了传统实践教学的瓶颈问题，达到利用高质量的实验教学提高教育质量的目的。