食品工艺学实验教学模式探索

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【摘要】食品工艺学实验课具有很强的实践性和操作性，实验类型多样，实验内容丰富，要求多种实验仪器和设备。虚拟仿真实验与实际实验的结合能够有效实现理论和实践的有机衔接和优势互补，避免传统实验课实现方式的弊端，满足食品工艺学实验立体教学的需求。本文重点介绍虚拟仿真教学在食品工艺学实验课中解决的问题和实现的特点，探索虚实结合教学模式以提高食品工艺学实验教学的效果和质量。

【关键词】虚实结合；虚拟仿真实验教学；实际实验；食品工艺学实验

1前言

食品工艺学是食品科学与工程专业的专业核心课，开设对应的实验课程不仅是理论具体到实际的重要环节，而且是学生进一步了解加工工艺、培养学生开发新产品的重要手段，同样，对锻炼和提高学生学以致用能力也是必需和必要的[1]。传统的实验课虽然可以有效锻炼学生的动手操作能力，由于实验设备和场地的限制，导致相当一部分学生不能充分参与实验，理论和实践不能充分地结合，学生往往只见现象不见本质；对于实验只见到了输入和产出，而中间过程发生了何种变化，也是一种“黑箱”状态，实验效果大打折扣。虚拟仿真技术可以高效的调整实验参数，构建实验参数和实验结果的关系，且可以看到每一步的阶段性结果，实现“黑箱”的透明化，充分掌握实验的动态过程。本文试图将实际实验和虚拟仿真实验教学进行结合，互相取长补短，以提高实验效果和学生对实验中的动态过程的理解。

2食品工艺学实验课程特点及问题分析

2.1涉及知识面宽

食品工艺学实验在保藏和加工原理上主要包括低温保藏、热杀菌、干制、发酵、烟熏、辐照等板块，且每个板块又涉及到谷物食品、果蔬制品、肉制品、乳制品，以及水产品等原料特性[2]。而每一部分都涉及到不同的具体的知识，如低温保藏部分就包括不同温度对保藏效果的不同，又包括食品的冷却、冷藏、冻结、冻藏、解冻等方面。每部分之间既有一定的相关性，又有极大的区别。同样，对于不同的食品原料，如果蔬与肉相比，两者在组成、质构、贮藏条件、加工工艺等存在极大的差异。

2.2实验设备有限

食品工艺学实验中所涉及内容范围广，因而实验过程中所用到的设备较多，且通用性差[3]。设备的配套管路、控制设施组成复杂，不仅占地面积大，而且价格昂贵，如酸奶生产线、果蔬生产线、面包烘焙生产线等。只能购买有限套甚至一套设备用于演示实验和学生分组实验的需要，无法保证每个学生都能实践操作，不利于学生对实验过程的感性认识。

2.3实验效果差

食品工艺学实验过程中，学生既要清楚实验目的、整体方案，也要领会操作中的关键技术点；在实验过程中，往往有若干关键操作单元属于黑箱过程，学生只能看到原料放进去和成品取出来时的外观形态，而对于样品内部发生了什么变化，以及这些变化的动态过程是什么样的完全没有直观感受。如面包焙烤过程中，面团的醒发操作单元。学生在理论上可以理解醒发前后面团所发生的变化，但仍然不够直观感受面团的醒发过程，对于不同因素对面团醒发的影响，如水分含量、膨松剂添加量、温度等因素，难以深刻理解。

2.4学生缺乏实践基础

食品工艺学实验具有很强的实际操作性和繁琐的工艺流程，在实验过程中经常需要操作大型的工艺设备，搬运较重的食品配料等。很多学生存在天然的畏难心理，对顺利完成实验缺乏信心，实验开展时容易手忙脚乱，理不清头绪。更由于实验课时有限，学生难以获得多次练习机会以提升操作能力。针对食品工艺学实验教学中的上述问题，引入虚拟仿真技术以提升学生的学习效率和实验效果可能是一种有效的方法。

3虚拟仿真实验的特点

3.1实验过程直观化

在食品工艺学实验过程中，一方面受设备和时间所限，学生只能看到实验中的宏观变化，甚至只能看到初始原料和最终产品，而对原料到产品这个过程中所发生的变化难以有深刻感受；另一方面，由原料到产品过程中微观的动态过程和分子层面变化难以直接观察。借助虚拟仿真系统则可以很容易实现实验过程的直观化，不仅加深学生对实验内容的印象，而且可以强化学生对实验原理和实验过程的理解[4]。

3.2实现多次练习，感受实验过程

实际食品工艺学实验过程中，很多产品指标的变化是渐进的，如颜色、质构，学生往往只能检测产品最初的和最后的两种状态的指标，而对于加工过程中这些指标的变化缺乏直接感受。在虚拟仿真平台上，实验的进度可以根据需要由学生自己控制；对实验中的关键部分可以降低速度，反复模拟，多次练习；为观察实验过程中某些指标的动态变化，则可以加快速度，并构建动态变化与工艺条件的关系，以及对实验中的耗时、低效的环节加快进度甚至缩减。这不仅有利于学生多次练习，而且强调了对关键环节的重视，增强了学生对实验过程的感受，提高实验效率和效果。

3.3强化危险点提醒，提高实验操作安全性

食品工艺学实验中经常涉及高温高压参数，如烘焙、杀菌等，如果操作不当，会有很大的危险性，甚至造成人身伤害。在仿真软件中对工艺过程的危险点进行重点标注，若学生操作不当和错误，系统会给出各种警告以提醒，并可以给出详细的错误信息，以及可行的补救措施，避免了突发事件时学生手忙脚乱。学生通过操作仿真软件不仅可以有效熟悉实验流程，而且能够深刻了解工艺过程中的危险点，保证实际实验中的正确操作和安全。通过“虚实结合”开展食品工艺学实验教学是利用现代虚拟仿真技术，将该课程虚拟仿真实验和实际实验教学相结合的一种教学模式。该模式中传统实验是内核，虚拟仿真实验则可以使传统实验达到事半功倍的效果。虚拟实验具有灵活性和自由性，不受时间和地点的约束，且易与传统实验实现交互。但食品工艺学实验终究是一个强调动手操作的课程，实验过程中的工艺条件和操作单元对实验结果有极大的影响，若仅仅依赖虚拟实验，学生的实验技能将无从获得。因此，根据食品工艺学实验课程的特点，虚实结合的教学模式既能从微观层面展示给学生实验的动态过程，强化其对实验原理的理解和基础知识的掌握，又能充分培养学生的实验技能。

4虚实结合提升实验效果

4.1仿真技术的局限性

仿真技术可以有效提高学生的学习效率，花费较短的时间即可掌握某一加工工艺的整个流程，且具有灵活、安全、低花费等优点。但对于实验这种操作类型的课程，仿真软件并不能完全取代实际实验。仿真软件的局限性主要有：（1）仿真软件考虑的条件有限，而实际实验中影响因素更多，往往会产生多种结果，甚至出现意想不到的结果，通过对这些结果的分析，有利于加深学生对实验的进一步理解；当加工工艺条件一旦设定，仿真软件只能给出唯一的结果，实际结果更为多样，仿真实验结果与实际实验结果存在一定差异性。（2）在实际实验过程中，学生可以观察食品原料的细节，有更多的感性认识；仿真实验则难以充分提供相关信息。

4.2虚实结合实验教学

从食品工艺学实验的课程特点、虚拟仿真和实际实验的优缺点综合考虑，在实际教学过程中将仿真和实践两种教学方式有机结合，以确保良好的教学效果，具体路径为：（1）以仿真技术巩固基础利用仿真技术形象直观、容错性强、易于重复、学习高效等特点，在实际操作之前，学生先通过仿真软件学习。在此过程，学生既可以强化实验的原理，也可以熟悉实验的步骤。最后利用仿真软件的考核模块检验对待操作实验的掌握程度，若达到要求，则可开展实际实验；否则，继续在仿真软件上练习。（2）以实际实验提高能力通过对实验过程的虚拟操作，学生可以基本掌握实验的原理、实验内容、实验步骤，对实验过程中的关键注意点也有了基本了解。通过实际实验操作可进一步提高学生的实验能力。实际实验可根据课程内容选取针对强化某一知识点的综合性实验。根据实验的复杂程度，可将学生分成小组，每组2~4人，各组独立完成实验操作，实验过程中，各小组组员分工协作，但实验操作中的关键点要大家共同参与，以利于增强对实验的感性认识。（3）虚实结合强化对实验的掌握和理解经过虚拟仿真和实际实验的双重实验过程，学生进一步回顾和总结实验过程中的操作要点、观察到现象、理论知识，并构建三者之间的有机关系，以达到了事半功倍的效果。如在开展蛋白凝胶制备实验时，学生需要观察和分析鸡蛋羹和鱼冻制备条件、操作流程、所形成产品的外观等不同，在理论上与操作要点、实验现象产生互动，深刻理解蛋白质的变性特征、形成凝胶条件、形成凝胶类型等知识点。在实验过程中，实现虚拟仿真和实际实验的有机互动，增强学生对理论知识点的感性认识和实验现象的理论化，强化学生对实验的掌握和理解。

5总结

食品工艺学实验是食品科学与工程专业的一门重要的实验课程，该课程所开展的实验通常具有很强的综合性，通常学生需要很好地综合掌握理论知识，才能深刻理解操作要点和实验现象；同样，学生只有熟悉了操作要点和实验现象才能充分消化吸收理论知识。虚拟仿真技术可以提供形象直观的实验过程，而且可以反复多次高效实现这一过程，它可以有效提高食品工艺学实验课程的学习效果。虚拟仿真技术和实际实验的结合是构建理论与实践有机关系的具体体现，两者可以扬长避短、优势互补，能够有效推动食品工艺学实验课程授课效果的提升。

参考文献

[1]姜启兴,王斌,孟宗,等.食品工艺学实验教学存在的问题与改革思考[J].中国轻工教育,2018(1):67-71.

[2]王斌,吕兵,姜启兴,等.基于虚拟仿真的食品工艺学实验教学改革与实践[J].教育教学论坛,2020(16):376-377.

[3]宋春丽,任健,陈佳鹏.科教融合提升食品工艺学实验教学质量的研究与实践[J].食品工业,2018,39(7):289-291.

[4]王慧,白红英,马丽.高校虚拟仿真实验室的建设与改革研究[J].中国管理信息化,2019,22(7):216-218.

作者：丁保淼 常慧玲 高梦祥 江洪波 单位：长江大学生命科学学院