摘要：在食品学科实验教学中应用物理仿真与虚拟仿真技术，是促进学生掌握食品加工工艺，了解食品加工工厂全貌，提高学生设计新产品、改进加工工艺的能力，帮助学生全面实践所学知识的有效手段。
关键词：物理仿真；虚拟仿真；食品加工；实践教学
作者简介：姜怀玺（1956-），男，北京人，北京农学院食品科学学院，实验师，工程师；仝其根（1962-），男，山东阳谷人，北京农学院食品科学学院，副教授。（北京 102206）
基金项目：本文系北京市教委教学改革项目“食品科学与工程专业提高学生实践能力科研能力的研究”的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）14-0130-02
一、问题的提出
食品专业学生的专业课程实习、毕业实习、毕业设计不可缺少的是学生动手完成实习或设计的结果——食品成品，而动手实践需要在实践感受的基础上进行，感受又是来自对生产设备，生产工艺，生产过程的实际操作。由于卫生、食品安全方面的原因，食品加工工厂生产车间不方便学生进入车间参加动手实践、感受产品的生产过程。学生的课程实习、毕业实习、毕业设计变得尤为困难，更多的是纸上谈兵，学生的实习质量受到影响。
物理仿真与虚拟仿真技术弥补了这一缺憾，物理仿真技术是将按比例缩小的，其功能与食品加工厂 一致的仿真食品加工设备搬进实验室；虚拟仿真技术借用计算机软件将食品加工厂展现在学生面前，借助仿真软件可以互动的画面，使学生充分了解食品加工厂所有工作程序，了解生产的工艺要求和条件等。
二、物理仿真系统
物理仿真也称实体仿真，一般仿真的过程是以物理性质和几何形状相似为基础，而其他性质不变的仿真，在系统的物理模型上进行试验的技术。
物理仿真系统直观性强，可操作性强，得到感性知识直接，是最直面的实验教学系统。教学过程中师生都可以亲自动手进行操作，学生在实习食品加工过程中的视神经感受、味觉神经感受、触觉神经感受都是直接感觉，并将感官神经的感受，记忆到大脑进行存储。在食品加工过程中物质的形态变化，气味变化，化学变化，学生动手重复加工过程的触觉变化，都会使学生在大脑中烙下深刻印象。这种多变的实验现象呈现在学生脑海中，会激发他们思维多变，成为创新、创造新事物的基础。随着熟练掌握操作技能，实验方法烂熟于心的学生增多，创造欲望增加，学生们会不满足现状，他们就会有新的设计思想、新的设计方案、创造出新产品，在这个过程中完成由量的增加到质的飞跃。
实物仿真，称之为仿真生产线。由于在功能上与实际生产线一致，其生产线上的工艺流程参数可与真实生产线对比，工艺流程控制与实际生产线相近。这些对于食品专业学生是至关重要的。工艺流程控制，加工工业流程中数据参数的选择对于食品的风味、口感、感官十分重要。加工过程中时间参数、温度参数，配方方案、食品成型时间控制、食品造型变化、酿酒配方变化、发酵设计控制、发酵温度控制等等因素的变化组合，使生产出的产品千变万化。物理仿真技术应用的意义对于食品专业学生的动手能力和创新能力培养功不可没。
1.以葡萄酒物理仿真生产系统为例，分析在实验教学过程中起到的作用
在这套实验系统中，具备与葡萄酒生产工厂功能相同，但是比例缩小的设备。包括葡萄酒酿造各个环节中，通过实践使学生获得直接体验。
（1）除梗与破碎。通过葡萄果粒与梗分离，了解到分离的目的不只是葡萄果粒和枝梗分离，分离后果粒还被破碎，破碎的果粒有利于发酵的进行，使酵母充分接触发酵物，促进葡萄中各种成分的析出。
（2）发酵管理。当破碎的葡萄果粒进入发酵罐后，通过不同工艺控制——酵母选择，发酵时间温控，倒灌时间控制等，影响葡萄酒风味的形成。在这个过程中学生在不同的时间对葡萄酒进行检测和监测，得到相应数据。
（3）发酵过程观察。葡萄在形态上随着时间的推移会发生变化。在发酵一段时间后发生固液分离的变化，液体中糖度变化，酒精含量变化，液体中多酚变化以及风味的变化，掌握酿酒的不同酿制阶段的化学变化、物理变化。
（4）学生综合运用已经储备的知识。在发酵的变化过程中，学生将学到的知识应用于葡萄酒酿造实践过程，破碎葡萄，入罐酿造，配方设计，酒样检测，温度控制，风味控制。在进行一系列生产实验动手过程中，将他们学到的专业知识，操作技能，设计思想付诸实践。
2.焙烤食品加工生产系统
焙烤食品加工生产系统使用与市场上面包蛋糕等焙烤加工车间相同的设备，更接近未来的工作环境。学生根据学到的加工工艺课程知识进行实践，将原材料按照配方进行混合、和面、醒发、造型、设定炉温、进炉烤制、出炉鉴定，经过多次实验，直至达到实验课程要求；在毕业设计方案实施过程中，实施难度与实验过程会更复杂，配方数量多，温度控制复杂，甚至在一个烤制过程中不同时间段变化不同炉温，以求达到设计所要求的产品品质。学生在多次试验中，找到新的配方，新的工艺，做出新的食品品种。可以想象多变的实验过程在食品生产工厂是不能实现的。
葡萄酒物理仿真实验室与焙烤食品加工实验室提供给学生一个认识食品加工过程的平台，在物理仿真实验室，学生发挥想象空间，发挥创造性，制造出不同于市场已有的食品品种、食品品种配方，为培养具有创新思想、创新能力的学生找出一条实践教学实验途径。目的是培养具有思维活跃，勇于创新，勇于实践的学生。
三、计算机虚拟仿真技术的广泛性
在3D技术迅速发展的今天，应用于食品专业的虚拟环境得以实现；动漫技术在食品专业虚拟环境的应用，适用食品专业的虚拟仿真环境不断增加。计算机虚拟环境的介入，使得虚拟食品工厂，虚拟食品加工工艺在食品专业课中不断得到应用。通过食品加工厂虚拟环境，学生在感官上得到更多食品加工厂和工艺全过程概念，在头脑中有了较为清晰的工厂、工艺流程、工艺条件印象，使他们在专业课程的学习、毕业设计、毕业实习和日后的工作中受益。
虚拟食品加工厂通过虚拟人物、食品与真实场景的结合，给出了进入食品加工厂的基本要求。在虚拟场景中显现出食品加工厂的整体布局，不同的食品环境虚拟软件可显示出不同类型工厂及生产工艺流程，还可以显现不同规模、不同地区加工厂的布局、设备安排与配置，人员安排与配置，物流流向等等。通过实景的虚拟环境演示，学生可以了解到多种类型食品加工厂的工厂布局，设备配置，工艺流程。对工厂整体环境的了解有助于学生对所学专业的理解，对食品加工行业现状的了解，对未来食品行业发展的思考。
目前较为成熟的虚拟软件，如啤酒生产工艺、液态奶虚拟生产车间等。
1.小型啤酒生产三维仿真虚拟系统
软件将啤酒由原料开始直至酿造出成品啤酒的整个生产工艺全面展现在学生面前，使其系统了解啤酒生产工艺全过程。例如，由大麦、米等原料粉碎开始，经过原料粉碎、糖化发酵、啤酒瓶清洗、灌装消毒等重要部分。小型啤酒生产虚拟仿真从基础知识入手，使学生由点到面，由局部到全局，全面了解啤酒生产全过程。由下面几部分可以全面了解啤酒生产的全过程。
采用图文并茂的形式，介绍啤酒生产的基础知识，使学生了解啤酒生产的发展过程、啤酒分类知识及啤酒生产的主要原料。
采用实地拍摄的方法，提供大量第一手资料，使学生熟悉啤酒生产工厂实际设备，布局及真实环境。
详细介绍啤酒生产过程的各种工艺流程，各种重要设备的结构和类型、生产过程工艺条件，为下一步进行虚拟仿真实训奠定良好基础。
采用交互式的方法，为学生提供小型啤酒生产过程中的重要单元设备的操作仿真训练。
在这一系列过程中，粉碎由整粒米、麦，变成麦粉、米粉，再由此经过糖化、发酵再制成酒。
在酒罐中的发酵过程，通过横位发酵变化使学生了解发酵的必要因素，如温度控制、酵母投放量控制等因素缺一不可。
2.液态奶虚拟生产车间仿真系统功能
通过按岗位设置，以过关为模式，学生在类似游戏的环境中模拟完成乳品生产全过程，达到实践教学的目的。
学生由认识工厂，熟悉生产车间内、外布局开始；了解设备及管路；熟悉工艺及设备、管路走向便于后续操作。
在进入生产车间前的更衣消毒过程，通过换鞋、更衣、风淋、洗手、靴鞋消毒等过程。学生了解并掌握进入生产前的卫生安全工作。
查看工艺流程图，了解生产工艺条件；熟悉生产设备。全面了解液态奶的生产工厂全貌，生产工艺，生产设备。
原料车开至收奶区正确位置，在上口取样，送化验室分析，检验合格后，连接接口，将原奶经冷却输送到储奶罐中。这正是原料奶的品质保证，是液态奶合格与否的关键。
设备运行前检查，消毒冷却，巴氏杀菌；设备水清洗，CIP冲洗等任务。奶品的存储安全，要经过多道工序完成。学生了解到工艺控制条件，QC管理的重要性，必要性。
高压均质，超高温杀菌，无菌灌装。虚拟仿真车间将液态奶的生产工艺，奶品的质量控制，管理的科学性，一一展现在学生面前，通过操作训练过程学生掌握液态生产知识。
计算机虚拟仿真技术在食品加工厂、食品工艺流程方面为学生提供全面认识的平台，对学生实践操作训练提供了有效的训练方式。对于学生动手能力提高，学习方式转变，思维方式转变，有着重要作用。
四、优势互补的物理仿真系统与计算机虚拟仿真系统
在食品专业学生实践教学活动过程中，由于食品加工自身具有特殊性，需要通过色香味的对比，形态变化对比，化学成分变化对比；在对其色泽、气味、形态进行味觉、视觉、听觉的感官评价，形成人、物互动环节。这就需要物理仿真完成。
物理仿真完成了食品加工真实过程，然而要更全面、更多的了解食品加工工艺，只在少数物理仿真系统中进行实践，不能使学生全面了解食品加工行业全貌，不能在短时间内进行更多知识的积累，计算机仿真系统恰恰解决这个问题。计算机仿真系统较多再现多种食品加工工艺，食品加工工厂环境，学生在较短时间增加更多工艺加工知识，熟悉不同的加工工厂。对于学生知识面的拓宽，更多操作技能了解帮助甚大。
五、仿真系统在实验课中应用的意义
学生通过在物理仿真环境中实际操作、制作，对课程、毕业设计、毕业实习要掌握的知识、实践技能有了充分实践；通过虚拟仿真环境对食品加工厂的了解学习，知识面扩大，操作技能增加，所学的食品专业知识得到巩固、发挥，甚至创新。
巩固知识、锻炼技能、培养学习食品加工知识的兴趣和创新能力正是物理仿真和虚拟仿真实验实践教学平台的作用。
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（责任编辑：苏宇嵬）