淺談仿真技術在“發(fā)酵食品工藝學”課程教學中的應用

李昌靈，胡玉平，吳 鏑，劉衛(wèi)今，付 明，鄒 娟

（1.懷化學院生物與食品工程學院，湖南懷化 418000；2.懷化學院外國語學院，湖南懷化 418000）

淺談仿真技術在“發(fā)酵食品工藝學”課程教學中的應用

李昌靈1，*胡玉平2，吳 鏑1，劉衛(wèi)今1，付 明1，鄒 娟1

（1.懷化學院生物與食品工程學院，湖南懷化 418000；2.懷化學院外國語學院，湖南懷化 418000）

“發(fā)酵食品工藝學”是一門涵蓋微生物學、食品工藝學及發(fā)酵工程等多領域知識的綜合性應用課程。將虛擬仿真技術實際應用于“發(fā)酵食品工藝學”課程教學中，不僅能取得較好的仿真效果，而且加深學生認識發(fā)酵食品生產工藝過程，并提高學習興趣和強化教學效果。

發(fā)酵食品工藝學；仿真技術；課程改革；教學實踐

0 引言

近年來，我國發(fā)酵食品工業(yè)迅猛發(fā)展，其生產裝備的大型化、復雜化及自動化水平大幅度提高。這些均對高?！鞍l(fā)酵食品工藝學”課程教學提出了更新、更高的挑戰(zhàn)。該課程教學經驗表明，大部分學生未接觸相關實際生產設備，由于“發(fā)酵食品工藝學”內容較抽象，使得學生難以理解和掌握相關理論知識，獲取知識也較片面，進而影響教學效果。

“發(fā)酵食品工藝學”是高等院校生物工程、食品科學與工程和食品安全與檢測等專業(yè)的重要專業(yè)課之一，系統(tǒng)講授了食品發(fā)酵基本理論與技術和主要發(fā)酵食品生產工藝，具有與生產實際聯(lián)系密切、實踐性強等特征[1]。“發(fā)酵食品工藝學”包含較多工藝過程和設備，這些工藝、設備結構及原理較復雜，教師講授過程中難以將其闡述清楚，然而通過仿真技術生動形象地再現，學生可深刻理解與掌握相關知識。仿真技術是指模擬真實物體和過程進行系統(tǒng)實驗和系統(tǒng)研究的一門應用技術[2]。發(fā)酵技術仿真借助計算機在仿真系統(tǒng)上再現發(fā)酵控制過程的特性，模擬真實發(fā)酵生產操作，讓學生身臨其境，親身感受并掌握發(fā)酵過程各單元設備的操作[3-4]。仿真技術已經應用在一些食品專業(yè)課程教學中，并取得較好的教學效果[3-6]，目前應用的有“原料粉碎機仿真”“啤酒發(fā)酵工藝仿真”“葡萄酒生產工藝仿真”“奶酪生產工藝仿真”等。因此，將仿真技術應用于“發(fā)酵食品工藝學”課程教學中是迫切的研究課題[7]。

1 “發(fā)酵食品工藝學”課程教學存在幾點不足

近年來，盡管國家對教育經費投入加大，但是地方院校經費和資源仍然投入不足，尤其是工程類學?；驅I(yè)更加明顯，主要體現在課程教學硬件不足或陳舊（如實驗設備不足且落后）和教學軟件不足（如專業(yè)師資較少）。以懷化學院“發(fā)酵食品工藝學”課程教學為例，即使采用一些所謂的多媒體教學，仍然與傳統(tǒng)教學方法相差無幾[6]。另外，由于是新建專業(yè)，師資有限，導致“發(fā)酵食品工藝學”課程教學效果提高不顯著。目前，“發(fā)酵食品工藝學”課程教學存在以下3點不足：

首先，“發(fā)酵食品工藝學”課程內容較多，課時偏少，無法保證知識與技能的鞏固。根據當前教學計劃，通過壓縮學時減輕學生負擔，使得原本不足的學時更加捉襟見肘。

其次，專業(yè)師資不足，大多數主講教師是剛畢業(yè)，尤其與工廠生產實際聯(lián)系不足，接觸和操作工廠生產設備機會不多，缺乏實踐經驗，如目前學校有食品科學與工程、食品安全與檢測2個專業(yè)，共有專業(yè)課程教師8人，其中僅有3人有過工廠實踐經驗。教師在教學過程中難以有效指導學生積極學習并獲得相關知識，不能深入理解設備運行情況、闡述相關儀器設備參數與實際操作規(guī)程[6]。

再次，食品發(fā)酵生產工藝過程中應用較多大型儀器和設備，其大多數為封閉式結構，僅由外部觀察不同儀器的差別不顯著。學生不僅無法觀測設備內部構造，更難以了解設備的組裝和運行，導致他們只能較膚淺認識相關儀器設備的結構、性能與運行方式[8]。

最后，由于資金和教學場地不足等原因，食品發(fā)酵工藝相關儀器相對缺乏，較難滿足日常教學需求（如學校僅有一套啤酒發(fā)酵工藝物理仿真設備，其他的發(fā)酵食品工藝設備很少，即使有少部分設備也較為陳舊落后），嚴重影響課堂教學和實踐教學效果。

學校的上述不足阻礙了培養(yǎng)學生“發(fā)酵食品工藝學”課程理論和實踐技能，傳統(tǒng)的課程教學改革勢在必行。由于學校經費難以滿足學生具體操作發(fā)酵食品工藝中大型儀器設備的需求，仿真技術可使學生不必直接接觸真實設備，操作仿真軟件能達到相似的效果，提高教學質量[6]。

2 “發(fā)酵食品工藝學”課程利用仿真教學的優(yōu)越性

所謂仿真教學為運用建立食品發(fā)酵生產工藝過程和設備的數學模型，綜合計算機技術、信息技術、網絡技術及仿真技術，于計算機上建立一套反映真實發(fā)酵食品生產工藝過程和設備完全相同的虛擬分析系統(tǒng)進行教學[9]。在課堂教學中，采用仿真動畫進行演示和講解，能夠生動形象地介紹相關工藝過程及設備運行方式，學生通過操作虛擬設備及軟件，可以得到與真實設備與儀器類似的豐富操作經驗[6]。仿真技術于“發(fā)酵食品工藝學”課程教學的優(yōu)勢表現在以下2個方面：第一、增強學習興趣，提高學習效率。模擬仿真技術借助計算機軟件將發(fā)酵食品生產工藝和設備展現在學生面前，這些軟件具有較強的直觀性和互動性，合理使用不但能解決大部分“發(fā)酵食品工藝學”教學內容抽象和課堂枯燥等問題，而且讓學生全面了解發(fā)酵食品生產全部工程、工藝要求及條件等[6，10]。第二、節(jié)約教學經費，方便實用。仿真系統(tǒng)不但能較好地提高學生分析問題和解決問題的能力，還可大幅度減輕教師的授課壓力。通過仿真系統(tǒng)，教師能夠很容易地查看相關設備介紹的圖片、文字說明、原理演示、動畫和錄像等，逼真地表現出來部分不易講解清楚的結構、工作原理及操作過程，較好地提高教學效果[6]。學生可以直接在計算機上通過仿真軟件了解相關儀器的結構、原理，還可以進行具體的實驗模擬操作，從而掌握不同儀器使用方法。

3 仿真技術在“發(fā)酵食品工藝學”理論教學中的應用實例

首先，在講授第3章啤酒時，主要內容是介紹生產啤酒工藝、啤酒生產過程。以大麥及釀造水為主要原料，由大麥、米等原料粉碎開始，經過原料粉碎、原料蒸煮、糖化發(fā)酵、啤酒瓶清洗和灌裝消毒等重要部分組成。由于啤酒生產工藝過程內容較多，如工段多、工藝復雜及用到的設備多，所以講授過程中僅用語音和幾張圖片無法清除完整地介紹，學生也感覺枯燥乏味。

啤酒生產工藝過程見圖1。

圖1 啤酒生產工藝過程

困難和理解較淺，最終的學習效果和效率較差，從而影響教學效果。然而，教學中利用啤酒生產工藝仿真軟件能夠完整地把啤酒由原料開始直至釀造出成品啤酒的生產工藝呈現給學生，并系統(tǒng)了解啤酒生產工藝全過程，部分工段操作界面。

虛擬蒸煮鍋操作界面見圖2，虛擬啤酒發(fā)酵罐操作界面見圖3。

通過圖文并茂的形式和交互式方法，一方面可詳細介紹啤酒生產工藝系統(tǒng)的基礎知識，讓學生充分了解啤酒生產發(fā)展過程、分類知識和生產原料；另一方面可為學生提供啤酒生產過程的主要單元設備進行仿真模擬操作訓練。在這一系列過程中，由整粒麥芽和米粉碎變成麥粉及米粉，再通過糖化和添加酒花，最后經酵母發(fā)酵后制成酒。最重要的是在啤酒罐的發(fā)酵過程，經過橫位發(fā)酵變化曲線讓學生了解影響發(fā)酵的主要因素，如酵母投放量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間等因素缺一不可[7，11]。通過以上虛擬仿真技術，讓學生真實感覺到啤酒工廠生產情形，直觀地認識啤酒生產。通過仿真技術生動形象介紹和身臨其境的體驗，知識介紹更加深入淺出，學生的學習興趣更加濃厚和效果更佳，提高了學習效率及教學效果。

葡萄酒生產工藝見圖4，紅葡萄酒酒精發(fā)酵仿真操作界面見圖5。

圖2 虛擬蒸煮鍋操作界面

圖3 虛擬啤酒發(fā)酵罐操作界面

圖4 葡萄酒生產工藝

其次，在講授葡萄酒釀造章節(jié)時，以干紅葡萄酒生產工藝為例，其生產工藝流程見圖4。葡萄酒釀造工藝過程長，所用的設備多，如氣囊壓榨機、冷凍機、發(fā)酵罐、保溫罐、緩沖罐、硅藻土過濾機、泵、除菌過濾機、振動篩選臺、移動提升架、除梗破碎機、發(fā)酵罐自流酒收集罐及壓榨酒收集罐等。通過在課堂教學中利用紅葡萄酒發(fā)酵工藝仿真軟件操作演示（部分操作界面見圖5，圖6及圖7），能讓學生深入理解干紅葡萄酒的工藝機理，熟悉操作、增長經驗。

皮渣壓榨仿真操作界面見圖6，除菌過濾仿真操作界面見圖7。

圖5 紅葡萄酒酒精發(fā)酵仿真操作界面

圖6 皮渣壓榨仿真操作界面

圖7 除菌過濾仿真操作界面

在講授第7章醬油時，主要內容是介紹醬油生產工藝。其中，制曲一節(jié)中原料處理部分用到的原料粉碎機設備。這些設備平時學生接觸少，且設備類型多，大部分為封閉形式，部件多且結構復雜，采用常規(guī)方法講解，難以全面系統(tǒng)介紹且效果不佳。通過設備仿真系統(tǒng)教學，可以詳細、系統(tǒng)地介紹上述設備的結構、運行方式和設備各部件的組裝（見圖5）。使學生身臨其境地學習和掌握這些設備的結構、運行方式甚至是設備的組裝，其教學效果用語言及幾張圖片闡述難以達到。

錘擊式粉碎機仿真操作界面見圖8，奶酪生產工藝流程見圖9。

圖8 錘擊式粉碎機仿真操作界面

圖9 干酪生產工藝流程

最后，在講授干酪生產工藝章節(jié)時，干酪是一種在牛乳、稀奶油、脫脂或部分脫脂乳、酪乳或其中的化合物凝結后通過排放液體（乳清） 而得到的新鮮或成熟制品。干酪的生產工藝流程見圖9。干酪的生產工藝過程復雜、工段多、所用設備較多，借助干酪生產工藝仿真軟件同樣能讓學生真實地感受到干酪廠生產情境，對干酪生產有直觀的認識，具體演示部分過程見圖10和圖11。通過仿真技術生動形象介紹和身臨其境的體驗，知識介紹更加深入淺出，實現相同的學習效率及教學效果。

干酪發(fā)酵與凝乳仿真操作界面見圖10，凝乳入模與壓榨仿真操作界面見圖11。

圖10 干酪發(fā)酵與凝乳仿真操作界面

圖11 凝乳入模與壓榨仿真操作界面

4 仿真技術在“發(fā)酵食品工藝學”課程教學中的效果

近2年來，經過在“發(fā)酵食品工藝學”課程教學中的改革，一方面采取了考核方式改革，教學效果顯著提高；另一方面在該課程的課堂教學改革進行了嘗試，除采用傳統(tǒng)教學方法和一些多媒體技術外，借助先進的虛擬仿真技術，該技術可很好地彌補傳統(tǒng)教學手段的不足，具有無法比擬的優(yōu)勢。總體教學效果反應良好：一是上課出勤率高，由以前的93.5%左右上升到99.2%；二是學習興趣濃厚，課堂紀律良好且學生參與程度高，討論熱烈，玩手機、講話及開小差的幾乎為零；三是學生課后問卷調查表面98.5%以上的學生非常認同這種方式方面；四是學習效率和效果顯著提高了，學生在課堂內對講授的相關知識掌握較好（如約90%學生掌握良好，6%掌握較好，其他掌握一般），學生成績提高較顯著，平均總成績從68.5分提高到76.7分，低于70.0分的比例從43.4%降至16.1%，而且優(yōu)秀率提高了5.9%?？傊?，“發(fā)酵食品工藝學”課程教學改革必須緊隨現代科技發(fā)展的腳步與時俱進，才能更好地引導學生主動學習，提高教學效果。此外，現代化教學手段也不是一種完美的教學手段，需要與傳統(tǒng)教學方式相結合，才能相得益彰，最大限度地發(fā)揮其功能，達到理想的教學效果。最后，提高學生解決問題的能力和綜合素質，培養(yǎng)出具有創(chuàng)造性和專業(yè)性的競爭力人才，實現創(chuàng)新性應用型人才的培養(yǎng)目標。

5 結語

虛擬仿真技術為計算機技術發(fā)展的一種必然產物，作為一種現代化教學手段，具有傳統(tǒng)教學手段無法比擬的優(yōu)點，可彌補傳統(tǒng)教學手段不足。仿真軟件架起了理論與實踐教學之間的橋梁，其可實現理論與實踐教學有機結合。仿真教學環(huán)節(jié)必須加強學生了解并初步掌握發(fā)酵設備，促進他們深刻理解理論講解內容。將仿真技術運用于“發(fā)酵食品工藝學”輔助教學中，不僅帶來諸多方便和節(jié)省大量教育成本，而且能使學生改正一些不良學習習慣，顯著提高學習效率和效果，是提高教學質量的一種有效手段。盡管如此，仿真教學仍然存在一些不足。由此，實踐教學任務不能完全依靠仿真教學解決，主要為實物教學與生產實習不可能完全被仿真教學代替。總之，只有將實踐教學與虛擬仿真技術有機結合，充分發(fā)揮各自特點，揚長避短，相輔相成，才能推動“發(fā)酵食品工藝學”教學進步[11-12]。

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[12]梁蕊芳，徐龍，翁鴻珍，等.仿真技術在發(fā)酵工程教學中的應用 [J].中國現代教育裝備，2012（11）：9-12.◇

A Primary Study on Application of Artificial Technique in Teaching of Fermentation Food Technology

LI Changling1，*HU Yuping2，WU Di1，LIU Weijin1，FU Ming1，ZOU Juan1
（1.College of Biologic and Food Engineering，Huaihua University，Huaihua，Hu'nan 418000，China；2.College of Foreign Languages，Huaihua University，Huaihua，Hu'nan 418000，China）

Fermentation Food Technology is a comprehensive application course which covers many fields of microbiology，food technology and fermentation engineering and so on.The simulation system applied in the teaching of fermented food technology was feasible，which could simulate well the complete process of fermentation food.With appllication of artificial technique in Fermentation Food Technology，it couldn't only obtain a better simulation result，in which the students could understand the process of fermented food production pretty well，and could improve the learning interest and strengthen the teaching effect.

Fermentation Food Technology；artificial technique；educational reform；teaching practice

TS201.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.11.024

1671-9646（2017） 11a-0079-04

2017-09-06

懷化學院教學改革研究項目（2014-42）。

李昌靈（1973— ），男，博士，副教授，研究方向為工業(yè)微生物與發(fā)酵技術。

*通訊作者：胡玉平（1974— ），女，碩士，講師，研究方向為課程與教學法。