食品工藝學實驗教學模式探索

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【摘要】食品工藝學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，滿足食品工藝學實驗立體教學的需求。本文重點介紹虛擬仿真教學在食品工藝學實驗課中解決的問題和實現(xiàn)的特點，探索虛實結(jié)合教學模式以提高食品工藝學實驗教學的效果和質(zhì)量。

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

1前言

食品工藝學是食品科學與工程專業(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)，而且是學生進一步了解加工工藝、培養(yǎng)學生開發(fā)新產(chǎn)品的重要手段，同樣，對鍛煉和提高學生學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)致相當一部分學生不能充分參與實驗，理論和實踐不能充分地結(jié)合，學生往往只見現(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進行結(jié)合，互相取長補短，以提高實驗效果和學生對實驗中的動態(tài)過程的理解。

2食品工藝學實驗課程特點及問題分析

2.1涉及知識面寬

食品工藝學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生分組實驗的需要，無法保證每個學生都能實踐操作，不利于學生對實驗過程的感性認識。

2.3實驗效果差

食品工藝學實驗過程中，學生既要清楚實驗?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學生缺乏實踐基礎(chǔ)

食品工藝學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，學生難以獲得多次練習機會以提升操作能力。針對食品工藝學實驗教學中的上述問題，引入虛擬仿真技術(shù)以提升學生的學習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

在食品工藝學實驗過程中，一方面受設(shè)備和時間所限，學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，不僅加深學生對實驗內(nèi)容的印象，而且可以強化學生對實驗原理和實驗過程的理解[4]。

3.2實現(xiàn)多次練習，感受實驗過程

實際食品工藝學實驗過程中，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；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。這不僅有利于學生多次練習，而且強調(diào)了對關(guān)鍵環(huán)節(jié)的重視，增強了學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)事件時學生手忙腳亂。學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”開展食品工藝學實驗教學是利用現(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相結(jié)合的一種教學模式。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，學生的實驗技能將無從獲得。因此，根據(jù)食品工藝學實驗課程的特點，虛實結(jié)合的教學模式既能從微觀層面展示給學生實驗的動態(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)可以有效提高學生的學習效率，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

從食品工藝學實驗的課程特點、虛擬仿真和實際實驗的優(yōu)缺點綜合考慮，在實際教學過程中將仿真和實踐兩種教學方式有機結(jié)合，以確保良好的教學效果，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)、學習高效等特點，在實際操作之前，學生先通過仿真軟件學習。在此過程，學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。（2）以實際實驗提高能力通過對實驗過程的虛擬操作，學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生的實驗?zāi)芰?。實際實驗可根據(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，強化學生對實驗的掌握和理解。

5總結(jié)

食品工藝學實驗是食品科學與工程專業(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實驗課程的學習效果。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.食品工藝學實驗教學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實驗教學改革與實踐[J].教育教學論壇,2020(16):376-377.

[3]宋春麗,任健,陳佳鵬.科教融合提升食品工藝學實驗教學質(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 ?；哿?高夢祥 江洪波 單位：長江大學生命科學學院