食品科学与工程是一门注重培养学生工程实践能力的学科，其中生产实践环节是学生顺利完成课程实习、毕业实习、毕业设计的前提，是学生将理论知识转化为实践能力、感受真实大型食品加工生产工艺的过程。然而食品科学与工程专业工厂生产实践环节受时间、空间、经费限制难以开展，导致培养的学生难以满足现代食品产业的需求。互联网时代背景下，虚拟仿真、多媒体、人机交互等技术的发展为传统教学模式的革新带来了新思路。将传统教学与现代化数字或网络教学相结合形成的混合式教学模式，既能充分发挥教师的组织、引导、启发、监控教学的主导作用，又能调动学生的主动性、积极性与创造性[1]。探讨混合式教学在食品科学与工程专业实践教学中的应用是结合互联网技术优势对传统教学模式的革新和对新型教学模式的探索。
NFC(not from concentrate，非浓缩还原)果蔬汁，由新鲜果蔬直接榨汁、除杂、乳化、杀菌、灌装后制得。与市面上其他类型果蔬汁相比，NFC果蔬汁加工步骤少、无添加、能较好保留新鲜水果的营养价值和风味，更符合消费者对营养健康食品的追求，具有广阔的市场前景[2]。NFC果蔬汁加工生产工艺代表着国际果蔬汁加工产业的先进技术，涉及到的生产卫生规范、食品工厂建造与管理规范、工艺流程、加工参数、机械设备等知识点均为食品科学与工程专业教学的重点内容，具有一定代表性。本文以昆明理工大学农业与食品学院搭建的NFC果蔬汁生产实践与设计虚拟仿真平台为例，探讨虚拟仿真实验在食品科学与工程专业实践环节教学的应用，探索虚实结合的混合教学模式在生产实践环节中的可行性，以期解决相关专业实践教学存在的问题并提高整体教学质量。
1 传统食品科学与工程类专业生产实践教学的局限性
1.1 课程实践教学设施难以与时俱进
现代食品工业发展迅速，生产设备自动化、智能化、复杂化水平不断提升，更新迭代速度快，相应地对食品生产企业的管理、生产工艺、设备操作模式产生了巨大的改变，也对高校食品相关专业课程教学及技术培训提出了更高更新的要求。食品科学与工程专业的教学涉及食品加工工艺、食品保藏、食品工厂设计、相关仪器分析、机械设备等学科；实践环节包括食品加工生产设备认知维护操作、工艺流程学习、现代分析仪器使用、生产车间布局参观认识等方面[3]；相关设施涉及学科多，搭建成本投入高，多数高校因资金和场地有限，无法及时更新相关实践教学设施，导致目前大部分高校食品相关专业仍采用小规模实验室生产和工厂参观的方法开展这类课程的实践教学。而现代化的食品工厂采用计算机中央化控制自动化连续生产，已不再是单元设备的简单连接[4]。实验室小型设备构造简单，操作单元独立，生产流程衔接多由人工完成。学生无法对现代化食品工厂中控制连接和设备布局有详细了解，难以对整体加工工艺流程建立起系统、全面的认识，造成了掌握技能与实际生产脱节严重。
1.2 大型工厂实践过程学生参与度低
目前，众多高校都面临着工厂生产实践学生参与度低的问题，一方面食品生产企业出于生产卫生安全考虑，难以容纳大量学生进入工厂参观实习，另一方面，现代化食品加工设备自动化、连续化程度高，内部结构复杂难懂，学生们在生产实践过程中难以在短时间内掌握[5]。在工厂实践活动中学生没有机会近距离对大型食品生产加工设备上手操作及拆分以了解内部构造和工作原理。走马观花式的工厂实践，学生对这些设备的了解只能停留在外观辨识阶段，对抽象内部构造和工作原理无法形成具体认识。学生学到的知识较为片面，不能直接接触、参与真实大型实践生产，致使知识与技能的转化效率低，难以发现存在的问题，学生独立思考、解决问题的能力得不到提升，培养的学生难以满足当前相关行业对应用型创新人才的需求[6]。
1.3 传统生产实践环节评价形式单一
食品科学与工程专业生产实践环节是学生知识综合运用能力、实践创新能力、团队合作能力的综合考查。传统的工厂实践教学活动中，学生人数多，实践岗位分散，指导教师少，教师难以做到具体了解每一位学生的实习情况[7]。考核评价仅通过学生出勤率和实习报告完成度打分，无法及时了解学生在实践活动中遇到的问题，难以根据学生学习情况进行指导和帮助，不能客观评价学生真实表现。最终导致学生只关心结果，以完成实习报告为主，不注重实习过程，仅仅是对实习工作的简单重复，无法形成自己的见解。单一的评价模式难以实现对实践教学的高阶性、创新性和挑战度的考察，实践环节最终变成走过场的形式主义教学[7-8]。
2 虚拟仿真实验平台建设与混合式教学实践
2017年国家教育部发布的《2017—2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划》为食品相关专业实践教学提供了新的发展思路[9]。虚拟仿真教学利用虚拟现实、传感器、数字多媒体、人机交换等信息技术模拟现实环境，在虚拟环境下完成现有条件无法完成的教学实践活动，并实现教学资源的共享[3]。虚拟仿真技术以其沉浸性、虚幻性、逼真性和交互性等特点被广泛应用在本科课程的实践实验教学中，通过构建可控的、逼近真实、多感知一体化的学习环境，使学生由被动接受者变成课程的主导者。通过人与虚拟世界的多元感知和自然交互及虚拟实验技术的逐渐成熟，给教学方法和教学效果带来革命性升级。利用虚拟仿真技术，基于原有教学资源，将工厂实践与理论学习巧妙结合，构建虚拟大型现代化食品生产加工实践与创新平台，将有助于解决诸多食品科学与工程教学实践的难题，实现数字化、现代化的教学改革，完善学科专业体系建设，以满足当今社会对食品行业新型人才的需求。
2.1 混合式教学构建理念
根据云南果蔬产业结构特色，为满足云南食品制造产业对技术创新型人才的需求，构建了以NFC果蔬汁生产关键技术为核心，集知识学习、工厂虚拟实践、考试考核于一体的虚拟仿真平台。该虚拟仿真平台以“虚实结合，能实不虚”的目的，1∶1还原真实NFC果蔬汁工厂生产场景，模拟工厂实习体验，融合果蔬汁生产卫生规范、生产加工工艺、仪器设备工作原理、操作要领、维护方法等知识体系，并设置趣味闯关和创新设计的多维度考核模式，充分体现了“高阶性、创新性、挑战度”的“两性一度”教学要求，形成“课堂教学-课程试验-虚拟仿真-工厂实践”虚实结合，线上线下混合式教学模式，填补实验室小规模生产与真实现代化工厂生产的差距，促进理论知识学习与工程实践能力的转化。
2.2 虚拟仿真实验设计特点
2.2.1 虚拟仿真实验创新理念
(1)开放的教学资源提高学生自主学习能力。基于互联网和人机交互建设的虚拟仿真实验环境，实现了实验教学的网络化和教学资源的开放化，学生可借助互联网随时随地学习。在2020年疫情防控期间，大规模停学停课的情况下，虚拟仿真实验平台不受空间和时间限制的优势得到了充分的体现。学生在家依然可以享用优质的教学资源，进行反复学习和虚拟实践训练，提高了学生自主学习效率。
(2)与时俱进的新工艺、新技术、新装备。教学团队围绕先进的NFC果蔬汁生产实践数据、生产工艺和生产设备为教学样本和模型，融入虚拟仿真实验，使学生掌握最前沿的果蔬加工工艺、最少加工技术和现代化、数字化连续加工装备。未来还可根据实际生产工艺的进步对虚拟仿真实验软件进行更新和升级，确保学生在第一时间有机会了解和认识果蔬汁加工的最新工艺、技术和设备。
(3)多样形式理论知识教学增强学习效果。学生可在实验平台操纵虚拟人物在3D仿真场景进行自由巡航学习。除此之外，虚拟仿真实验软件结合视频讲解、图片介绍和文字解析形式对NFC果蔬汁相关知识点进行讲解。同时针对复杂的设备以Flash动画加讲解的方式介绍仪器设备的构成部件、工作原理、内部关键元件运行；通过3D仿真进行元件拆装、原理讲解、物料走向透视示意的方式对设备进行介绍，学生可多角度观察、认识复杂设备各个部件。多样化的理论教学模式增强了学生的学习效果，解决了现代化食品加工设备结构复杂、抽象难懂的问题。
(4)虚实结合多维教学模式克服教学难题。虚拟仿真实验软件采用虚拟与现实结合，理论与实践结合，注重创新能力培养的趣味教学方法。此新式教学方法中，学生在虚拟现实场景中实现了知识点的学习和考核、生产设备的操作、生产流程的设计与搭建，不仅解决了食品相关专业工厂生产实践难以开展的问题，还可帮助学生真正掌握实际生产中的关键技术。
(5)全面趣味创新考核系统考察学生能力。虚拟仿真实验软件摒弃传统单一的考试评价体系，采用关卡式的闯关模式，在虚拟仿真环境中，通过习题作答，模拟实际生产过程设备开启、关闭、关键参数设置方式对学生重要知识掌握度和实践能力进行考查。在开放性的创新设计模块，学生可根据需要在虚拟环境中搭建生产线，有利于学生实践能力和创新能力的培养。
(6)注重师生互动形成多样化评价体系。缺乏师生交流互动是虚拟仿真实验的一大缺陷。为了弥补这一问题，虚拟仿真实验平台为每位教师和学生开设独立账号，系统将学生使用过程中的学习能力、学习效果、操作记录、学习效果记录到数据库进行评价和统计，并生成分数。教师通过访问管理平台，可查看学生的访问次数、学习时长，统计学生考试成绩，评阅实习报告，了解学生学习效果以及未掌握的知识点，从而及时调整教学方法，做到因材施教。同时可通过教师引导帮助、学生团队合作、相互评价方式完成创新设计模块，培养学生团队合作意识，促进师生交流。为了持续提升混合式教学模式效果，教学团队开设了教学服务群，并发放学生调查问卷，积极为学生提供服务，收集学生反馈。
2.2.2 虚拟仿真实验设计构架
虚拟仿真实验项目以NFC果蔬汁加工为对象，利用3D仿真和多媒体技术构造虚拟生产工厂，模仿工厂实习体验，再现果蔬汁生产工艺全过程。实验项目巧妙融合果蔬汁工厂设计、工厂管理、卫生生产规范、生产加工工艺、仪器设备工作原理、操作要领、维护方法等知识，并设置趣味闯关和果蔬汁生产线创新设计作为考核。如图1所示，NFC果蔬汁生产实践与设计虚拟仿真实验共分为“卫生规范”和“生产实践”2个模块。在“卫生规范”模块，通过操作虚拟人物根据提示在仿真场景中完成更换工作服、清洁消毒等进入生产线工作前的卫生管理步骤，其间穿插相关卫生规范知识点，可帮助学生加深对所学知识点的理解和记忆。
图1 虚拟仿真实验平台结构内容示意
Fig.1 The illustration for the structure of virtual and simulation experiment platform
“生产实践”模块下设“认知学习”“闯关挑战”“创新设计”3个部分。“认知学习”部分将果蔬汁营养健康知识、不同果蔬汁生产工艺流程、果蔬汁生产设备介绍嵌入仿真工厂场景，采用视频、图片、语音、Flash动画、3D虚拟拆分等方式对知识点、重点设备进行展示和讲解(图2)。同时学生可操控虚拟人物在厂房中漫游，在不同工段观察物料走向，点击设备学习相应工段知识点、关键加工参数、重要设备。与传统教学模式中学生被动学习不同，在此模块，学生可根据自己感兴趣或不懂的部分进行反复学习，有效提高了学生学习的主动性。
图2 虚拟仿真实验重点设备拆分讲解示意
Fig.2 The illustration of disassembling of important equipment in the virtual and simulation experiment
为了提高学习趣味性，虚拟仿真软件采用“闯关挑战”模式代替传统考试。模块共设置了4个关卡，每个关卡考察的知识点不同，分别为“菁菁学子”“气质学霸”“超凡大师”“最强王者”。第一关为自动解锁，进入场景后需根据所学知识完成习题作答、设备启停、参数设置。图3列举了闯关挑战模式场景及任务。完成一关挑战，并达到一定正确率后，可获得一颗星并解锁下一关。完成4个关卡的挑战后即完成该模块的学习。充满挑战和趣味的考核模式，既能考查学生对知识的掌握能力，又能调动学生学习兴趣。
图3 闯关挑战场景示意
Fig.3 The illustration for scenes of challenge mode
为了培养学生知识综合利用能力和创新能力，虚拟仿真实验平台还设置了创新设计模块(图4)。学生可根据需要自行设计生产流程，通过设备辨识和选型将设备拖拽入空厂房中进行安放和连接，并通过小组合作的方式，完成对生产线的合理性评价、物料衡算、水电汽消耗计算、成本核算、投资回报估算，最终实现生产线的重组并记录到实验报告中。教师可通过后台系统查看实习报告，对学生设计的工艺流程、技术经济核算进行评价。生产流程的整体设计、设备的选择、安放、连接以及技术经济核算可帮助学生对工厂整体布局、设备连接、生产工艺、技术经济指标形成全面和详细的认识，为下一步进入工厂实习及完成毕业设计做准备。
图4 创新设计场景示意
Fig.4 The illustration for scenes of innovative design
目前虚拟仿真实验平台已完成搭建，并成功用于本校“食品科学与工程”和“食品质量与安全”专业大三本科生生产实习和大四本科生毕业实习环节的辅助教学。同时为了促进教学资源的开放和共享，通过教学团队的推广，该虚拟仿真平台被本省一所兄弟院校“食品质量与安全”专业用于《食品工艺学实验》的辅助教学，以及为云南果蔬汁生产企业提供试用，辅助企业员工培训。在未来的开发中，团队将不断升级虚拟仿真实验平台内容和功能，扩充系统容量，提升教学内容质量及系统稳定性，并逐步开放资源为更多的高等院校和相关企业提供服务。
2.3 混合式教学实践实例
教学团队以培养服务地方经济发展的应用型工程人才为目标，以绿色健康NFC 果蔬汁生产关键技术为核心，通过与当地果蔬汁加工龙头企业——“云南实建褚橙果汁有限公司”开展合作，以工厂真实生产线为原型，开发虚拟仿真实验平台。坚持“虚实结合，能实不虚，以虚补实”的原则，在生产实践环节教学中，课堂教师引导、师生互动，实验室团队合作、生产实践为主，虚拟仿真平台为辅，探索虚实结合，线上线下混合式教学模式在生产实践环节教学的应用(图5)。
图5 混合式教学实践方式
Fig.5 The practice method of blending teaching mode
第一阶段(2学时)：教师以课堂引导和师生互动方式对果蔬汁加工和生产过程种的相关知识点进行讲解，使学生对果蔬汁加工生产形成初步认识。
第二阶段(4学时)：以学院搭建的小型果蔬汁生产线为线下实验平台，以团队合作方式进行实验训练，使学生进一步理解果蔬汁加工过程中的关键技术。
第三阶段(4学时)：通过虚拟仿真实验平台练习，帮助学生掌握实际生产过程果蔬挑选、清洗、榨汁、精制除杂、均质、灭菌、灌装各个工段的意义、相关参数、所用设备、品质控制原理和方法，对食品加工工厂形成初步认识，使其对生产过程有更直观的感受，把所学理论知识与实践相结合，帮助学生克服对实际生产环境的陌生感、迷茫感及操作现场无从下手的畏惧感[10]。虚拟仿真实验平台在这一阶段的教学安排为：(1)卫生规范知识学习(15 min)；(2)生产实践认知部分学习(45 min)；(3)生产实践闯关挑战考核(30 min)；(4)生产实践创新设计训练(90 min)。
第四阶段(70学时)：组织学生进入真实工厂进行实习，参与不同工段的生产实践，进一步了解真实生产活动的注意事项，并结合虚拟仿真实验平台创新设计模块，进一步在果蔬汁生产工厂设计、产品研发、工艺改进方面对学生进行综合训练，提升学生解决复杂工程问题的能力。
通过四个阶段混合式的教学，以线下理论教学和生产实践为核心，结合虚拟仿真实验，解决实际教学活动存在的问题，形成理论到实践、抽象到具体、局部到整体、认知到创新全面覆盖的教学体系。
3 虚拟仿真实验混合式教学效果评价
混合式教学模式实施以来，不断更新改进，获得了师生的一致好评。通过问卷调查，如图6所示，81%的学生认为虚拟仿真实验与真实情况相比能还原真实场景并能融入学习场景，几乎所有学生认为虚拟仿真平台在一定程度上能替代工厂实习，但是0%的学生认为虚拟仿真实验平台能100%代替真实工厂实践，充分说明了该平台作为教学和工厂实践的补充，“虚实结合互补”仍是目前主流的教学方式。对于混合式教学模式的学习效果(图7)，超过60%的学生认为学习后能基本和完全明白果蔬汁工厂卫生规范、生产流程和重要参数；超过61%学生认为基本清楚和完全了解了生产设备工作原理和注意事项；超过90%学生一定程度了解了生产设备的组成和内部构造，然而完全明白和基本了解的学生比例明显低于前两个选项，说明生产设备的组成和内部构造仍为教学的难点，虚拟仿真实验在此方面辅助教育虽然有一定帮助，但还需要继续完善。同时大部分学生认为混合式教学可把课堂知识与实际应用联系起来，弥补了课堂讲解的不足，复习、学习、巩固了果蔬汁生产工艺和生产设备相关知识。超过60%的学生认为虚拟仿真平台的优点包括场景和设备还原度高、多形式讲解结合，在混合式教学模式下，虚拟仿真平台可供反复学习、可避免工厂实习中遗漏的知识点、有助于加深巩固所学知识、提高了自主学习效率、节省了工厂实习的时间和成本。这些数据显示了混合式教学模式的良好学习效果。同时，也有85%的同学认为混合式教学模式是对传统教学的改革，具有一定发展潜力，但需进一步改善和完善，充分说明了学生对虚拟仿真平台的认可和期待，也为未来进一步完善虚拟仿真平台及混合式教学模式提供了参考。
图6 虚拟仿真实验使用感受
Fig.6 The feedback of virtual and simulation experiment after using
图7 混合式教学模式学习效果
Fig.7 The effect of blending teaching mode
4 结论
随着互联网产业迅速发展，社会已进入信息化时代。把互联网优势应用于高校教育必将成为未来高校教育改革的方向。NFC果蔬汁生产实践与设计虚拟仿真平台巧妙结合果蔬汁加工生产理论、食品机械设备、食品工厂设计管理，并设置趣味考核模式与师生互动评价体系，既注重学生的学习体验，又便于教师管理学生，用于本科生生产实践环节的教学辅助已取得良好效果。以该虚拟仿真实验平台为例的混合式教学模式有利于解决食品相关专业实践活动难以展开的问题，帮助学生加深对所学知识的印象，促进理论知识与实际操作的转化，是信息化时代教学改革的新趋势。同时，随着技术的发展和普及，VR实景体验技术用于食品相关专业中的食品检测分析、大型复杂检测设备使用、工厂大型加工设备的操作、拆分和组装有望成为新一代食品相关专业教学改革的突破点。与计算机端虚拟仿真技术相比，VR实景体验技术更逼真、更有沉浸感，真正能做到模拟上手操作， 将作为本虚拟仿真平台食品加工机械模块未来更新升级的主要方向。
虚拟仿真技术作为传统教学的辅助，虽然可以有效提升实践教学的质量，但在教学过程中，仍应以课堂实验实践为基础，不能一味依赖虚拟仿真平台。虚拟仿真技术无法完全反映实际实验中可能出现的问题、细微操作差别产生的不同结果，在食品加工、检测相关实验中，无法替代真实实验中嗅觉和味觉的判别，因此，虚拟实验应与实际实验和生产实践相结合，优势互补，在课程中合理分配。同时，虚拟仿真教学技术作为互联网时代的产物，应更注重资源的共享和知识的转化。教学团队计划扩充平台容量，把该虚拟平台作为共享资源供其他高校和企业使用。高校和企业可根据自身需求，选择性使用虚拟仿真平台中的部分或整体作为教学和培训内容，以提高资源的利用率。
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