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中医院校食品质量管理学虚拟仿真实践教学模式的探索及应用

2021-06-25 80 上传者：管理员

摘要：针对中医院校食品质量管理学课程传统实践教学存在的诸多问题,探索虚拟仿真在食品质量管理学实践教学应用的可能性。采用VR、3D虚拟仿真、多媒体、网络通讯等技术构建软饮料生产虚拟仿真车间和加工生产线,引入食品质量安全问题场景,为学生提供一个智能、趣味式的平台,以提高学生的创新精神和实践能力。本文对这一教学研究实践过程进行总结,旨在为进一步促进食品质量管理学实践教学改革提供一种可行的思路。

关键词：
实践教学
教学模式
虚拟仿真
食品质量管理学
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《食品质量管理学》是食品质量与安全专业一门实践性、综合性很强的专业必修课；通过课程的学习，要求学生具备食品质量与安全管理的基本岗位能力[1]，符合本专业应用型专业人才培养计划的要求[2]。在教学过程中需积极采用各种有效的教学手段提高学生发现问题、分析问题、解决问题的综合应用能力[3]；如何充分运用各种有效的教学手段，生动的呈现食品企业实际生产现状，提高实践教学效果，是教学工作者长期关注并积极探索的热点[4]。

虚拟仿真（VirtualReality,VR）实验，使学生在虚拟环境中利用计算机生成的全方位多感官的交互式认知环境里，沉浸其中，加深感受，启发认知[5]。目前虚拟仿真教学已成为现代教育研究关注的焦点[6]，被广泛地应用于工科、医学相关院校的实践教学[7,8,9,10]。国内2017-2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划共1000家，但有在食品安全管理体系领域的虚拟仿真教学鲜有成熟的建设案例报道。

本研究以软饮料生产及质量安全控制仿真教学系统为例，探索虚拟仿真系统在《食品质量管理学》课程实践教学中应用的可能性。通过建立软饮料生产及食品质量安全管理仿真系统，为开设食品相关专业的院校提供一个开放式、智能式、趣味式的教学实践平台，以提高学生的创新精神和实践能力。

1、中医院校探索食品质量管理学虚拟仿真实践教学的意义

采用VR、3D虚拟仿真技术、多媒体、网络通讯等技术，能够较好地解决在实际教学中，学校资金、场地、人力及设备维护与运行费用等需大量投入的问题[11]，也能解决实际教学中，学生无法进入生产一线，而对所需的质量安全管理知识感到枯燥、不解的难题。

1.1可弥补《食品质量管理学》教学过程中实践教学的不足

研究互动式的虚拟食品质量安全管理仿真平台，可以为食品质量安全管理教学和培训提供一个虚拟的实践操作环境，有助于弥补当前食品质量安全实践教学不足的缺陷。

1.2虚拟仿真教学系统是一种互动式教学，能够有效提高学习效果

通过该平台的使用，学生可将质量管理原理的知识与虚拟仿真平台上看到的生产设备、工艺过程、质量安全控制生动形象的联系，便于理解和参与，有效的提高学习效果。

1.3有助于提高学生解决问题的能力，激发学生的创新性学习

学生可通过虚拟仿真操作，掌握食品生产HACCP（危害分析与关键控制点）、质量安全关键控制点（CCPs），能够针对虚拟的软饮料生产质量安全事件，分析可能会影响食品质量安全的5M1E（人、机、料、法、环）因素，具备解决生产现场质量安全问题的综合能力，激发思维能力和创新能力；同时，通过失败经验，分析失败的原因，巩固所学的知识，提高对知识的综合应用能力；激发自发的、创新性学习的热情。

1.4可增强食品工厂实践环节的学习效果

学生首先通过虚拟仿真平台了解食品生产的基本原理、工业化生产流程及各工序的主要参数，通过虚拟仿真平台向老师提出自己的疑问；老师通过教师管理系统对这些问题进行梳理，在参观食品生产企业的时候可结合食品企业的真实情形予以解答。让学生带着问题去学习，能够增强实践学习效果。

综上，虚拟仿真平台可以通过虚拟技术与真实场景相结合，使学生在实验操作过程中感受真实的食品生产场景，掌握食品生产、流通、消费环节食品安全管理的操作过程,提高学生的认知效果，培养学生综合能力，有效的提高《食品质量管理学》实践教学环节学习效果。

2、食品质量管理学虚拟仿真实践平台的构建及实施——以软饮料生产加工为例

在成都中医药大学国家级虚拟仿真教学中心及《食品质量管理学》校级在线精品课程建设的基础上，依托上海曼恒数字技术股份有限公司开发虚拟仿真模拟实践教学软件。以软饮料加工为例，通过构建一个软饮料虚拟仿真车间和加工生产线场景，通过VR3D虚拟仿真及Flash动画技术实现人机互动，创造一个学生可以实际方便动手操作的虚拟仿真教学实训平台[12]。该平台可充分发挥虚拟仿真试验生动、直观、沉浸式体验特殊功能，使学生全面掌握软饮料的生产加工技术和质量安全管理技术。构建的平台示意图如图1所示：

2.1场景预设

构建饮料公司日生产1吨的果汁饮料生产线，模拟生产周期为一批次（8-10个小时），学生实施生产过程中的质量安全管理。利用VR3D虚拟仿真技术，构建软饮料生产交互式虚拟食品安全管理仿真平台，让学生在软饮料虚拟仿真生产环境中模拟质量安全管控者，“身临其境”的体会生产流程仿真、质量安全问题案例仿真、质量管理决策仿真。

2.2前端展示子系统的构建

虚拟场景为某饮料公司软饮料生产车间、软饮料生产线，日产量1吨，配备质量管理部门、生产部门、采购部门、售后部门等完整质量管理组织结构设置。用户登录后选择QC身份，系统随机给出质量安全问题，学生通过可视化现场互动对问题进行分析、提出改进思路，以加深对食品安全管理的认识。

2.3IdeaVR2.0技术的应用

支持异地分布式多人协同工作，每个参与者带上头盔或者立体眼镜，带着各自的视角，浏览和操作同一场景，相互协作地共同完成某项复杂的工作。使用零编程和图形化的拖拽操作方式，学生可以快速搭建虚拟场景，并制定其中的行为和交互逻辑。

IdeaVR2.0提供了一系列资源分享和内容发布的功能：基于互联网的曼恒共享云平台，不但可以把来自学校各专业优质的素材资源按学科分类进行聚合，方便快速地制作VR内容；也可以把制作好的VR内容分享到云平台。

2.4Web端子系统的构建

本系统主要使用JSP语言开发，嵌入质量安全控制模块，学生采用VR虚拟交互操作，在虚拟生产过程中完成原辅料质量控制、各工序质量抽样核查、食品卫生管理、无菌车间管理、成品出入库质量控制过程；通过对工序质量数据的分析，给出质量管理思路。调用HACCP模块，确立每个CCP点，根据监控程序，对CCP点进行监控和测量，获取安全控制数据。

系统随机给出质量安全事件，学生扮演质量管理人员角色，迅速组织QC小组，运用所学的知识和对虚拟现场的研究，分析原因，消除造成质量安全的因素，使生产恢复正常秩序，提高对知识的综合应用能力。

2.5软饮料质量安全管理知识库、仿真模型库子系统的构建

围绕食品质量与安全管理不同的知识点，初步构建完成食品质量与安全管理知识库。储存食品质量与安全管理的知识要点，主要涉及GMP知识点、HACCP知识点、软饮料生产设备知识点、质量安全案例背景知识、相关试题等，以供学生学习和参考。

模拟选择不同的原料选择、进厂检验、预处理和原料复配；并模拟进行原料浸提、饮料调配、灌装、杀菌、装箱、入库这一系列生产工艺流程，通过调节设备参数，建成模拟生产线，以在规定的时间内达到一定的生产量。建设质量安全事件模拟案例库，以供前端调用。

2.6考核评价模块的构建

构建考核评价系统，围绕相关知识点输入一定的问题，学生在每步操作完成时系统会给出相应的问题，学生点选回答，系统给出正确或错误评判，并给出参考答案。学生操作分、答题分、实践完成情况均在考核评价模块进行记录。整个虚拟仿真实验完成后，系统给出整体成绩。

2.7教师管理系统的构建

背景知识主要介绍果汁饮料的基本知识，其他知识模块包含教师上传资源及学习辅助资源，教师上传资源模块主要是方便教师自主上传教学资源用于教学，本平台支持各类视频、音频资料以及常见图片的上传及在线查看；学生和教师可自主查看、下载此模块中的资源，同时可打印文档资源。

2.8学生虚拟仿真实践教学操作

步骤一：随机点选质量安全控制按键，启动相应的数据库。

步骤二：根据产品质量要求，按照抽样流程模拟进料抽样、工序抽样和成品抽样的方式，进行样品抽取。

步骤三：对所得到的质量数据进行整理和分析，得到质量信息。

步骤四：根据质量信息，做出质量判定，寻找质量缺陷项，制定控制措施，采取质量控制措施，确保质量合格。

步骤五：调用HACCP模块，根据软饮料生产流程，确定CCPs，建立CCP控制计划。针对每个CCP点进行监控，获取监控数据。

步骤六：点击质量安全事件按键，系统随机给出3-5个模拟的质量安全问题。模拟组织QC小组，根据5M1E因素进行调查，结合前期的质量监控数据，利用因果图、排列图等质量控制工具进行分析，协调各虚拟部门的工作，寻找解决问题的方法。

步骤七：实施软饮料质量安全问题解决措施，使质量安全问题得到有效的解决。

3、食品质量管理学虚拟仿真实践平台的实施效果

自2019年以来，面向我院食品质量与安全专业学生开设食品质量管理学虚拟仿真试验，采用虚拟互动教学与工厂实际参观模式相结合的教学模式，已经取得良好的教学效果。

3.1实践教学效果有了很大的提升

2017级食品质量与安全专业学生开展虚拟仿真教学作为工厂实践的补充，2016级食品质量与安全专业学生只进行了工厂实践。

结果表明，2017级同学们通过虚拟仿真实验操作后，在工厂参观实践过程中，可以提出更多有价值且深入的问题，获得企业人员的耐心讲解和好评，在参观时同学们兴趣非常高，实践报告的写作也更加的深入。而2016级同学由于事先对工厂实际生产情况不熟悉，在工厂参观时只是听一听、看一看，并没有提出太多的问题，热情度也明显不如下一届同学。这表明虚拟仿真实践教学和实际工厂参观实践的虚实结合，是有效的教学方式。

3.2学生学习兴趣增强，成绩普遍提高

通过对软饮料生产工艺流程、质量安全管理的关键环节的虚拟现实场景，学生沉浸在角色和场景里，脱离书本和课堂的束缚和知识的陌生枯燥，真正体现“沉浸式”“自主式”“探索式”的教学；与实践教学的有机结合，加快了学生对学科知识的整合、转化和综合运用。在理论课堂的教学过程中，学生对知识学习的热情和兴趣明显增强，参与课堂讨论和互动的积极性提高。

通过2017级和2016级食品质量与安全专业的课程综合成绩对比可知，实施虚拟仿真实践教学的班级在及格率和优良率上均明显提高，从而可以看出，虚拟仿真实践教学对质量管理学学习效果的提升有良好的促进作用。

3.3学生的反馈情况

我们通过学生的问卷调查、评教系统、平时反馈信息可知，学生在虚拟仿真实践过程中，充分体会到了食品质量管理在食品行业中的重要意义。

4、结语

食品质量管理是一门理论和实践联系紧密的课程。本研究以软饮料生产及质量安全控制仿真教学系统为例，探索虚拟仿真系统在《食品质量管理学》课程实践教学中应用的可能性；采用VR、3D虚拟仿真技术、多媒体、网络通讯等技术，有效的将食品工艺学、食品质量学、食品安全控制学三个主要学科的知识融为一体，构建了一个开放式、智能式、趣味式的教学实践平台。

该平台集理论与实践教学于一体，使学生能够身临其境地通过模拟软饮料的生产过程中的质量安全控制，提高对理论知识的掌握和综合能力的提升。通过虚拟仿真实验，很好地解决实际教学中学生无法进入生产一线，而对所需的质量安全管理知识感到枯燥、不解的难题，具有良好的现实意义。

参考文献:

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