傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)
——以山西老陳醋為例

王 芳，賈萬利，王海賓，郭建峰

（中北大學(xué)，山西 太原 030051）

“發(fā)酵工程”是理工科高等院校生物技術(shù)、生物工程、生物制藥及食品工程等多個工科專業(yè)的核心課程之一，該課程系統(tǒng)學(xué)習(xí)工業(yè)發(fā)酵的共性原理及技術(shù)，涵蓋生物學(xué)和工程學(xué)內(nèi)容，基礎(chǔ)理論性和實(shí)踐性要求都很高。在新工科教育背景下，工科素養(yǎng)的培養(yǎng)、實(shí)踐能力的提升對課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式提出了更高的要求。多個高校相關(guān)課題組結(jié)合各自教學(xué)實(shí)際對“發(fā)酵工程”課程進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容的重組、教學(xué)方法的改進(jìn)等相關(guān)的研究和實(shí)踐[1-2]。

1 “發(fā)酵工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究進(jìn)展

1.1 虛擬仿真技術(shù)在發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

“發(fā)酵工程”實(shí)驗(yàn)是“發(fā)酵工程”課程必不可少的一部分，在發(fā)酵工程學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)過程中發(fā)揮重要作用。針對傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的局限性，“互聯(lián)網(wǎng)+”和虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用越來越多，發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)方面也產(chǎn)生了一批優(yōu)秀的虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如武漢理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)相關(guān)課程組分別針對本科生和研究生層次建設(shè)了“抗生素發(fā)酵生產(chǎn)工藝與工程實(shí)踐”“微生物絮凝劑合成機(jī)理研究及應(yīng)用”等虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將線下不易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過計(jì)算機(jī)展現(xiàn)給學(xué)生，并從微觀到宏觀，從原理到設(shè)備多層次、多角度逐步展示[3]。南京工業(yè)大學(xué)“發(fā)酵工程”課程組則將VR 技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備結(jié)合，構(gòu)建了一個虛實(shí)結(jié)合的多維工程中試實(shí)驗(yàn)室平臺，推進(jìn)工程素質(zhì)教育[4]。以上虛擬仿真項(xiàng)目在培養(yǎng)學(xué)生綜合利用所學(xué)知識探索微生物生長及發(fā)酵過程發(fā)揮了重要作用，并在教學(xué)中得到了學(xué)生積極的反饋。發(fā)酵方式包括深層液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵，然而，目前“發(fā)酵工程”實(shí)驗(yàn)相關(guān)的虛仿項(xiàng)目均以液態(tài)發(fā)酵技術(shù)為主，在固態(tài)發(fā)酵，尤其是傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵方面虛仿項(xiàng)目較少。

1.2 傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵特征及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)現(xiàn)狀

微生物被譽(yù)為發(fā)酵食品的“靈魂”，與純種液態(tài)發(fā)酵相比，傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵的微生物大多來源于釀造環(huán)境、原料，微生物種類與數(shù)量繁多，相互影響逐步演變，形成一個獨(dú)特的微生態(tài)群落，且隨著釀造工藝的進(jìn)行，其微生態(tài)組成和結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵主要應(yīng)用在風(fēng)味食品的制作，如釀酒、釀醋、豆腐乳、豆豉、泡菜等，其群落中的微生物對原料的代謝途徑多樣而復(fù)雜，并隨之形成獨(dú)特的感官、營養(yǎng)和功能物質(zhì)。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵在現(xiàn)代多種名優(yōu)地理標(biāo)志產(chǎn)品的生產(chǎn)中具有純種液態(tài)發(fā)酵不可替代的效果[5-6]。除此之外，固態(tài)發(fā)酵用水量少、在后續(xù)加工過程中能耗少的特點(diǎn)在低碳清潔生產(chǎn)中有極大潛力。然而，由于研究技術(shù)的限制，傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵食品的核心功能微生物組成及種群演變規(guī)律、代謝物變化規(guī)律、特征風(fēng)味物質(zhì)形成過程等很多原理和機(jī)制還不甚明了，因此對于經(jīng)驗(yàn)和環(huán)境要求較高，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室不易成功。實(shí)際上，不論是作為科學(xué)研究還是工程內(nèi)容，固態(tài)發(fā)酵過程同樣遵循微生物生長代謝基本規(guī)律、微生物與環(huán)境互作，以及物質(zhì)傳遞、動量傳遞以及熱量守恒等基本化工單元操作基本規(guī)律，是一個復(fù)雜工程體系[7]。

固態(tài)發(fā)酵過程中問題的解決需要微生物生理和工程計(jì)算方面知識綜合分析，可以作為重要抓手培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。然而在現(xiàn)實(shí)中，由于固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)周期長、自然微生物受地理?xiàng)l件限制、產(chǎn)品質(zhì)量不易控制等問題，學(xué)生通常很難在線下有限的實(shí)驗(yàn)時間和實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)高質(zhì)量地完成，嚴(yán)重影響實(shí)際開課率。很多高校生物工程專業(yè)“發(fā)酵工程”實(shí)踐課程只開設(shè)液態(tài)發(fā)酵內(nèi)容，忽略固態(tài)發(fā)酵，尤其是傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵的綜合實(shí)驗(yàn)。

2 以山西老陳醋為例建設(shè)固態(tài)發(fā)酵虛擬仿真項(xiàng)目

山西老陳醋是中國四大名醋之首，是中國食醋地理標(biāo)志產(chǎn)品。山西老陳醋以當(dāng)?shù)靥厣‰s糧高粱為主要原料，配以豌豆、苦蕎、小麥麩皮等原料，經(jīng)大曲糖化、酒精發(fā)酵、高溫引種醋酸菌、熏醅等工藝發(fā)酵而成。其原料、微生物菌源自產(chǎn)地，發(fā)酵完成之后要經(jīng)歷1～3 年的夏曬冬撈冰陳釀后熟過程。陳釀不僅是老陳醋的濃縮過程，也是各種生化反應(yīng)進(jìn)行，進(jìn)一步形成老陳醋特有風(fēng)味物質(zhì)的過程[8]。整個釀造工藝是地理生態(tài)環(huán)境、微生物與釀造工藝的完美結(jié)合，是傳統(tǒng)文化中就地取材、順應(yīng)自然的大生態(tài)理念的體現(xiàn)，極具科學(xué)性與傳承價值。以“山西老陳醋”為例，將傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的形式融入“發(fā)酵工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以為發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)體系補(bǔ)足重要的一環(huán)，同時也是山西省地方特色釀造文化的升級和傳承。

2.1 從山西老陳醋發(fā)酵中提煉微生物發(fā)酵及食品生化反應(yīng)知識點(diǎn)

在發(fā)酵工藝及原理方面，老陳醋釀造在內(nèi)容上貫通厭氧酒精發(fā)酵和需氧醋酸發(fā)酵，實(shí)驗(yàn)過程涉及原料選取與預(yù)處理、大曲糖化、大曲質(zhì)量鑒定及微生物菌相分析、糖化過程中酶活和營養(yǎng)物質(zhì)的變化、酒精發(fā)酵、引火工藝、醋酸發(fā)酵、熏醅及美拉德反應(yīng)、陳釀及關(guān)鍵芳香物質(zhì)的形成等10 個知識點(diǎn)。對工藝技術(shù)及背后科學(xué)原理的深刻理解需要調(diào)動生物產(chǎn)品工藝學(xué)、微生物學(xué)、發(fā)酵工程、生物化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、生物工廠設(shè)計(jì)與生物設(shè)備、食品工藝學(xué)等多門基礎(chǔ)和專業(yè)課程的知識，將其中涉及的知識點(diǎn)融匯貫通，從而為培養(yǎng)工科學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題能力”提供一次重要的實(shí)踐。

課程組在太原寧化府老陳醋生產(chǎn)車間實(shí)地取材建模，委托上海曼恒科技有限公司進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動批改和教學(xué)管理于一體，建設(shè)成為具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺（http://121.196.15.100/page2021/vinegar/index.html）。線上項(xiàng)目內(nèi)容與傳統(tǒng)課堂教授內(nèi)容交互，并在手機(jī)端進(jìn)行了內(nèi)容的擴(kuò)展，為學(xué)生提供系統(tǒng)、完備的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。該項(xiàng)目既可以作為生物工程在校學(xué)生的教學(xué)軟件，也可以服務(wù)于老陳醋生產(chǎn)企業(yè)崗前培訓(xùn)。

項(xiàng)目通過“情景再現(xiàn)”與“產(chǎn)品化實(shí)習(xí)”，重現(xiàn)真實(shí)發(fā)酵工藝生產(chǎn)流程，縮短實(shí)驗(yàn)周期，讓學(xué)生有親臨其境的真實(shí)感受，提升實(shí)訓(xùn)效率及效果。學(xué)習(xí)并實(shí)踐了山西老陳醋虛仿固態(tài)發(fā)酵工藝之后，學(xué)生應(yīng)理解老陳醋中微生物生長代謝規(guī)律及其與產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)系，進(jìn)一步清楚固態(tài)發(fā)酵與液態(tài)發(fā)酵的異同點(diǎn)，為培養(yǎng)固態(tài)發(fā)酵中復(fù)雜工程問題的分析和解決能力提供實(shí)踐平臺。

2.2 項(xiàng)目按照“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛”的原則，圍繞全程質(zhì)量控制的思想構(gòu)建了從初級到高級的訓(xùn)練考核體系

項(xiàng)目按照“能實(shí)不需，虛實(shí)結(jié)合”的思路設(shè)計(jì)，打造虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（見圖1）。線上內(nèi)容主要通過虛擬仿真模擬老陳醋的整體工藝、設(shè)備及質(zhì)量監(jiān)控要點(diǎn)，比如釀造過程中涉及到整體工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境等，讓學(xué)生對整體生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備有全面的了解。線上部分還包括工藝中重要的質(zhì)量控制點(diǎn)，如發(fā)酵培養(yǎng)過程、熏醅、陳釀等步驟，每一個質(zhì)量控制點(diǎn)的操作條件均會影響到其中的生化反應(yīng)進(jìn)程，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量差異。因此，在設(shè)計(jì)中不同的操作會產(chǎn)生不同結(jié)果，錯誤的操作程序會給出殘次品的結(jié)果，并給出選擇返回重做，借此糾偏模塊加深學(xué)生對工藝控制點(diǎn)作用的理解。在實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟中穿插了問答題，涉及了該步驟背后的主要原理相關(guān)知識點(diǎn)的理解，如微生物菌相變化、酶的變化、風(fēng)味變化和營養(yǎng)成分變化，讓學(xué)生能夠?qū)嶋H聯(lián)系理論，強(qiáng)化學(xué)生對發(fā)酵機(jī)理和工程原理的應(yīng)用能力。

線下部分主要在工藝中選取實(shí)物體積小的原料、中間產(chǎn)物和終端產(chǎn)物，在線下實(shí)驗(yàn)室利用已有分析設(shè)備進(jìn)行分析檢測及感官評價，如高粱、豌豆等原料的認(rèn)知，大曲的感官及活性檢測、酒精度檢測、新醋和老陳醋的醋酸檢測及感官評價等。線上和線下質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)包含了老陳醋生產(chǎn)過程中主要的檢測內(nèi)容，通過實(shí)踐深化全程質(zhì)量控制的理念。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

為了提高仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對學(xué)生從知識到解決復(fù)雜工程問題能力不通層次的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)由易到難設(shè)計(jì)了初級、中級、高級3 個模塊。初級和中級通常按既定模式學(xué)習(xí)和應(yīng)用，高級層次以“質(zhì)量糾偏模塊”來實(shí)現(xiàn)。此模塊中會隨學(xué)生操作參數(shù)不同而出現(xiàn)生產(chǎn)中的各種問題，學(xué)生需要根據(jù)所學(xué)知識和實(shí)際情況進(jìn)行分析，找到產(chǎn)生問題的原因，提出綜合解決方法及依據(jù)，并通過操控模式解決。系統(tǒng)根據(jù)問題解決的程度，進(jìn)行打分?！疤搶?shí)結(jié)合”與“在線糾錯”，減少了實(shí)驗(yàn)材料的損耗、避免了盲目操作的風(fēng)險、縮短了實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)時間。

2.3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)分層次、多維度展示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在時間、空間、操作上的變化

項(xiàng)目具體分為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和考核測評3 個模塊，每個模塊層層展開，涉及車間選擇和排序、場景展示、原料和設(shè)備選擇、分步操作、參數(shù)輸入、產(chǎn)生數(shù)據(jù)、形成結(jié)果等一系列實(shí)施過程。具體講可以從4 個層面。

第一層面為運(yùn)行模塊內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)把整個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容融入到3 個運(yùn)行模塊中，從而更清晰地展現(xiàn)所涵蓋的過程體系。

第二層面為場景性內(nèi)容。利用場景性帶入法，每個過程模塊對應(yīng)一個或者若干個相應(yīng)場景（車間），通過360 °全景巡視，創(chuàng)設(shè)一種身臨其境的感覺，從而引導(dǎo)學(xué)生更容易進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟和所設(shè)立的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中。

第三層面是時間性內(nèi)容。通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)流程、現(xiàn)在所處實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)操作提示，進(jìn)入每個場景后，通過界面友好的引導(dǎo)，學(xué)生能夠?qū)崟r感受到自己所處的操作節(jié)點(diǎn)，領(lǐng)悟當(dāng)前操作要領(lǐng)，基于先前的預(yù)習(xí)和討論，能夠一步一步將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行下去，最終完成一個場景的所有操作。

第四層面為實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練內(nèi)容。借助引導(dǎo)和激勵，通過嘗試和糾錯，根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程設(shè)計(jì)一系列關(guān)節(jié)點(diǎn)，如同游戲闖關(guān)，不能完成關(guān)鍵過程，只能退出重來，從而增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的吸引力和挑戰(zhàn)性。在具體的實(shí)驗(yàn)過程中，充分體現(xiàn)學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)，尤其是學(xué)習(xí)時間和學(xué)習(xí)地點(diǎn)的靈活性，學(xué)習(xí)模塊和學(xué)習(xí)場景的自主選擇和重要環(huán)節(jié)的反復(fù)操演，鍛煉學(xué)生解決問題的動手能力。

2.4 選擇多種教學(xué)方法交叉融合，讓學(xué)生成為“教”“學(xué)”過程的中心和主體

整個項(xiàng)目通過課堂教學(xué)、線上討論組等方式實(shí)現(xiàn)師生互動式、研討式教學(xué)；學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和組隊(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)行自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)。項(xiàng)目建設(shè)過程有學(xué)生的全程參與，以學(xué)生的需求為項(xiàng)目建設(shè)的主體。項(xiàng)目含有自主學(xué)習(xí)模塊，相比于傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)方法，學(xué)生的自主創(chuàng)新和學(xué)習(xí)能力有了顯著提高，學(xué)習(xí)效果更好。其中，線上自主考核系統(tǒng)，學(xué)生根據(jù)自己的想法操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)習(xí)時間、實(shí)習(xí)步驟、實(shí)習(xí)報告的管理和分享，可以追溯和管理實(shí)習(xí)的過程。

3 山西老陳醋項(xiàng)目建設(shè)中優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的滲透

中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化博大精深，體現(xiàn)在人們生活、勞動的方方面面。很多名特優(yōu)地理標(biāo)志產(chǎn)品，如汾酒、茅臺、老陳醋、豆豉等，都是傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵多富集自然菌種，菌種微生態(tài)來源和動態(tài)演變，以及對最終產(chǎn)品獨(dú)特風(fēng)味的貢獻(xiàn)是自然環(huán)境氣候、水、原料、用具、工藝和諧統(tǒng)一的結(jié)果，在釀造過程中既體現(xiàn)了微生物對環(huán)境氣候溫度、濕度等條件的依賴，也凸顯了通過人為調(diào)整原料中營養(yǎng)物質(zhì)、pH 值、發(fā)酵時間等對發(fā)酵方向的控制。比如山西老陳醋傳統(tǒng)釀造工藝中的“夏曬冬撈冰”“酒精發(fā)酵時間隨夏天與冬天而變化”、酒精發(fā)酵向醋酸發(fā)酵轉(zhuǎn)化時加入的輔料，都暗含了我國“天人合一”“順應(yīng)自然”“天時、地利、人和”自然統(tǒng)一等哲學(xué)思想。

在傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵虛擬仿真項(xiàng)目的建設(shè)過程中，課程組積極挖掘山西老陳醋工藝中蘊(yùn)含的哲學(xué)思考，并將其在虛仿課程引導(dǎo)片中展示出來，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)、使用虛仿課程的同時，領(lǐng)會體悟其中蘊(yùn)含的傳統(tǒng)哲學(xué)思想，提升工科學(xué)生的人文素養(yǎng)[9]。

4 結(jié)語

項(xiàng)目旨在以山西老陳醋為切入點(diǎn)，研究、傳承、提升傳統(tǒng)自然固態(tài)發(fā)酵，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了虛擬仿真項(xiàng)目。在教學(xué)中融合線上虛擬仿真軟件和線下實(shí)驗(yàn)室的分析檢測，讓學(xué)生更好地掌握固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備、工藝條件和質(zhì)量控制方法，為綜合培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力提供一個著力點(diǎn)。