食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

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

【關(guān)鍵詞】虛實(shí)結(jié)合；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)際實(shí)驗(yàn)；食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)課程不僅是理論具體到實(shí)際的重要環(huán)節(jié)，而且是學(xué)生進(jìn)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(shí)驗(yàn)課雖然可以有效鍛煉學(xué)生的動手操作能力，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場地的限制，導(dǎo)致相當(dāng)一部分學(xué)生不能充分參與實(shí)驗(yàn)，理論和實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)效果大打折扣。虛擬仿真技術(shù)可以高效的調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系，且可以看到每一步的階段性結(jié)果，實(shí)現(xiàn)“黑箱”的透明化，充分掌握實(shí)驗(yàn)的動態(tài)過程。本文試圖將實(shí)際實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行結(jié)合，互相取長補(bǔ)短，以提高實(shí)驗(yàn)效果和學(xué)生對實(shí)驗(yàn)中的動態(tài)過程的理解。

2食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)及問題分析

2.1涉及知識面寬

食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備有限

食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)中所涉及內(nèi)容范圍廣，因而實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的需要，無法保證每個學(xué)生都能實(shí)踐操作，不利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的感性認(rèn)識。

2.3實(shí)驗(yàn)效果差

食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生既要清楚實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、整體方案，也要領(lǐng)會操作中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)；在實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(tuán)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(tuán)所發(fā)生的變化，但仍然不夠直觀感受面團(tuán)的醒發(fā)過程，對于不同因素對面團(tuán)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(shí)踐基礎(chǔ)

食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的實(shí)際操作性和繁瑣的工藝流程，在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常需要操作大型的工藝設(shè)備，搬運(yùn)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(shí)驗(yàn)缺乏信心，實(shí)驗(yàn)開展時容易手忙腳亂，理不清頭緒。更由于實(shí)驗(yàn)課時有限，學(xué)生難以獲得多次練習(xí)機(jī)會以提升操作能力。針對食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)效果可能是一種有效的方法。

3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

3.1實(shí)驗(yàn)過程直觀化

在食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，一方面受設(shè)備和時間所限，學(xué)生只能看到實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的直觀化，不僅加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的印象，而且可以強(qiáng)化學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程的理解[4]。

3.2實(shí)現(xiàn)多次練習(xí)，感受實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)際食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，很多產(chǎn)品指標(biāo)的變化是漸進(jìn)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(biāo)，而對于加工過程中這些指標(biāo)的變化缺乏直接感受。在虛擬仿真平臺上，實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度可以根據(jù)需要由學(xué)生自己控制；對實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中某些指標(biāo)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(shí)驗(yàn)中的耗時、低效的環(huán)節(jié)加快進(jìn)度甚至縮減。這不僅有利于學(xué)生多次練習(xí)，而且強(qiáng)調(diào)了對關(guān)鍵環(huán)節(jié)的重視，增強(qiáng)了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的感受，提高實(shí)驗(yàn)效率和效果。

3.3強(qiáng)化危險(xiǎn)點(diǎn)提醒，提高實(shí)驗(yàn)操作安全性

食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dāng)，會有很大的危險(xiǎn)性，甚至造成人身傷害。在仿真軟件中對工藝過程的危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)標(biāo)注，若學(xué)生操作不當(dāng)和錯誤，系統(tǒng)會給出各種警告以提醒，并可以給出詳細(xì)的錯誤信息，以及可行的補(bǔ)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(shí)驗(yàn)流程，而且能夠深刻了解工藝過程中的危險(xiǎn)點(diǎn)，保證實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的正確操作和安全。通過“虛實(shí)結(jié)合”開展食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的一種教學(xué)模式。該模式中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是內(nèi)核，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則可以使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到事半功倍的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)具有靈活性和自由性，不受時間和地點(diǎn)的約束，且易與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)交互。但食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)終究是一個強(qiáng)調(diào)動手操作的課程，實(shí)驗(yàn)過程中的工藝條件和操作單元對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有極大的影響，若僅僅依賴虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能將無從獲得。因此，根據(jù)食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式既能從微觀層面展示給學(xué)生實(shí)驗(yàn)的動態(tài)過程，強(qiáng)化其對實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)技能。

4虛實(shí)結(jié)合提升實(shí)驗(yàn)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(fèi)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(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。但對于實(shí)驗(yàn)這種操作類型的課程，仿真軟件并不能完全取代實(shí)際實(shí)驗(yàn)。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(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步理解；當(dāng)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(shí)際結(jié)果更為多樣，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定差異性。（2）在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以觀察食品原料的細(xì)節(jié)，有更多的感性認(rèn)識；仿真實(shí)驗(yàn)則難以充分提供相關(guān)信息。

4.2虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)

從食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)的課程特點(diǎn)、虛擬仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)綜合考慮，在實(shí)際教學(xué)過程中將仿真和實(shí)踐兩種教學(xué)方式有機(jī)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(qiáng)、易于重復(fù)、學(xué)習(xí)高效等特點(diǎn)，在實(shí)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(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的原理，也可以熟悉實(shí)驗(yàn)的步驟。最后利用仿真軟件的考核模塊檢驗(yàn)對待操作實(shí)驗(yàn)的掌握程度，若達(dá)到要求，則可開展實(shí)際實(shí)驗(yàn)；否則，繼續(xù)在仿真軟件上練習(xí)。（2）以實(shí)際實(shí)驗(yàn)提高能力通過對實(shí)驗(yàn)過程的虛擬操作，學(xué)生可以基本掌握實(shí)驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟，對實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵注意點(diǎn)也有了基本了解。通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作可進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?shí)際實(shí)驗(yàn)可根據(jù)課程內(nèi)容選取針對強(qiáng)化某一知識點(diǎn)的綜合性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度，可將學(xué)生分成小組，每組2~4人，各組獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)過程中，各小組組員分工協(xié)作，但實(shí)驗(yàn)操作中的關(guān)鍵點(diǎn)要大家共同參與，以利于增強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識。（3）虛實(shí)結(jié)合強(qiáng)化對實(shí)驗(yàn)的掌握和理解經(jīng)過虛擬仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的雙重實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生進(jìn)一步回顧和總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程中的操作要點(diǎn)、觀察到現(xiàn)象、理論知識，并構(gòu)建三者之間的有機(jī)關(guān)系，以達(dá)到了事半功倍的效果。如在開展蛋白凝膠制備實(shí)驗(yàn)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(diǎn)、實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的有機(jī)互動，增強(qiáng)學(xué)生對理論知識點(diǎn)的感性認(rèn)識和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論化，強(qiáng)化學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的掌握和理解。

5總結(jié)

食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)是食品科學(xué)與工程專業(yè)的一門重要的實(shí)驗(yàn)課程，該課程所開展的實(shí)驗(yàn)通常具有很強(qiáng)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(diǎn)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；同樣，學(xué)生只有熟悉了操作要點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程，而且可以反復(fù)多次高效實(shí)現(xiàn)這一過程，它可以有效提高食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真技術(shù)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的結(jié)合是構(gòu)建理論與實(shí)踐有機(jī)關(guān)系的具體體現(xiàn)，兩者可以揚(yáng)長避短、優(yōu)勢互補(bǔ)，能夠有效推動食品工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)課程授課效果的提升。

參考文獻(xiàn)

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