虛擬實驗室在食品類專業(yè)實驗教學(xué)的改革探索

熊治渝，趙延勝，陳力宏，董 英（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

虛擬實驗室在食品類專業(yè)實驗教學(xué)的改革探索

熊治渝，趙延勝，陳力宏，*董 英
（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

通過提出食品類專業(yè)虛擬實驗室的建設(shè)改革思路，將傳統(tǒng)實驗項目操作虛擬動態(tài)可視化，直觀易懂，能有效拓寬學(xué)生視野，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。該虛擬實驗平臺具有建設(shè)成本低、使用期限長、易于維護等優(yōu)點，可有效緩解實驗設(shè)備、場地有限、資金缺乏等不足的問題。作為實驗教學(xué)的一種輔助手段，該虛擬實驗項目的建設(shè)可有效提高學(xué)生對實驗儀器、實驗材料，以及實驗過程與結(jié)果的認知能力，對深化教學(xué)改革、提高學(xué)生動手能力具有重要的意義。

虛擬實驗室；食品專業(yè)；實驗教學(xué)

食品類專業(yè)具有多學(xué)科交叉滲透的特點，涉及生物、化學(xué)、物理、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、機械、環(huán)境、管理等多個領(lǐng)域。根據(jù)教育部《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》 （2012年）學(xué)科分類，食品類專業(yè)一級學(xué)科為食品科學(xué)與工程，下設(shè)食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全、糧食工程、乳品工程、釀酒工程等5個基本專業(yè)及葡萄與葡萄酒工程、食品營養(yǎng)與檢驗教育和烹飪與營養(yǎng)教育等3個特色專業(yè)。不同專業(yè)根據(jù)其培養(yǎng)目標與特色的不同開設(shè)不同數(shù)量的理論課程，其中涉及實驗教學(xué)科目的幾乎占了50%以上。以江蘇大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)和食品質(zhì)量與安全專業(yè)為例，涉及的實驗教學(xué)科目總數(shù)分別高達21門和25門。

1 食品類專業(yè)傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題

高校的實驗室和實驗教學(xué)是理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實踐能力的重要場地。實驗教學(xué)能夠幫助學(xué)生更好地理解理論知識，可以培養(yǎng)學(xué)生主動研究的探索精神，提高學(xué)生的創(chuàng)作力與想象力，實驗教學(xué)應(yīng)該成為培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)、創(chuàng)新能力的主要課堂［1-2］。然而在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程中，由于學(xué)生人員和實驗科目眾多，教學(xué)時間、儀器材料及實驗場地有限等原因，每門課程只有部分實驗項目能用于實驗教學(xué)，一個實驗項目往往需要分多批次進行，每批再分成若干小組，各小組成員一般為2～5人不等。小組人員較多時很難保證每位同學(xué)都有足夠多的機會動手鍛煉實驗操作，開設(shè)“一人一組”的實驗項目課程與完成一門課程的所有實驗項目幾乎不可能實現(xiàn)。面對紙質(zhì)版、電子版全篇文字敘述式的實驗內(nèi)容，較多學(xué)生失去主動預(yù)習(xí)實驗課程的積極性，這樣的實驗效果參差不齊，培養(yǎng)的學(xué)生實驗動手能力普遍較差，學(xué)生獲取的實驗操作知識有限，實踐能力難以提高，更難滿足實際工作崗位的需求。

2 食品類專業(yè)虛擬實驗室建設(shè)的意義

虛擬實驗系統(tǒng)是指采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠程控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)等實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果［3-4］。關(guān)于虛擬實驗平臺建設(shè)的報道，多數(shù)研究主要針對單門課程的虛擬實驗教學(xué)改革進行闡述［5-6］，應(yīng)用范圍較為狹窄，而且很多實驗項目需要將具有網(wǎng)絡(luò)功能的各種儀器搭建在計算機上，通過互聯(lián)網(wǎng)與學(xué)生客戶端連接，學(xué)生將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送到遠程的實驗室，由物理儀器接收處理，成本較高，操作繁瑣［7］。盡管已有對整個食品類專業(yè)的虛擬仿真實驗項目管理進行全方位討論的總結(jié)報道［8］，但具體涉及實驗平臺的展現(xiàn)模式卻仍沒被闡述。針對食品類專業(yè)的實驗教學(xué)主要以生物、化學(xué)課程為基礎(chǔ)的特點，設(shè)計利用網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)建設(shè)的食品類專業(yè)傳統(tǒng)實驗教學(xué)的輔助教學(xué)虛擬實驗室平臺。該平臺設(shè)計集教學(xué)資料、虛擬實驗、題庫練習(xí)于一體，能夠有效地補充和完善硬件實驗，緩解實驗設(shè)備、場地的不足和資金缺乏等問題，具有易于維護、可實現(xiàn)“一人一組”、課程所有實驗項目均可涉及且具有操作不受限制等特點，從而實現(xiàn)拓寬學(xué)生視野、有效提高實驗教學(xué)質(zhì)量的目的。

3 虛擬實驗平臺的設(shè)計

依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)構(gòu)建的食品類專業(yè)虛擬實驗室，作為一種教學(xué)輔助手段，將實驗項目操作虛擬動態(tài)可視化，直觀易懂，拓寬學(xué)生視野的同時提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，方便學(xué)生加深對理論知識的理解，為進入實驗室實地操作打下良好的基礎(chǔ)。

3.1 虛擬實驗室主要構(gòu)架的搭建

食品類專業(yè)虛擬實驗平臺的設(shè)計主要分為課程目錄和實驗資料2個功能模塊。

課程目錄模塊囊括了食品類專業(yè)開設(shè)的所有實驗教學(xué)科目，各教學(xué)科目下再劃分課程資料和虛擬實驗2個板塊，其中課程資料包括該門課程的課件、試卷、學(xué)習(xí)工具、知識點學(xué)習(xí)動畫庫等；虛擬實驗則羅列了該門課程的所有實驗項目。

實驗資料包括實驗設(shè)備與器材、常用試劑、編輯工具等板塊。

食品類專業(yè)虛擬實驗室網(wǎng)絡(luò)平臺的功能模塊結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 食品類專業(yè)虛擬實驗室網(wǎng)絡(luò)平臺的功能模塊結(jié)構(gòu)

3.2 食品類專業(yè)虛擬實驗項目建設(shè)

虛擬實驗平臺提供各門實驗課程的所有實驗項目。在實地進入實驗室操作實驗之前，每位學(xué)生被要求在規(guī)定期限內(nèi)登錄虛擬實驗平臺系統(tǒng)進入“虛擬實驗”板塊選擇相應(yīng)的實驗項目進行預(yù)實驗操作。實驗項目包括目的要求、實驗原理、儀器材料、方法步驟、動手實驗、實驗演示、課后習(xí)題、提交報告等環(huán)節(jié)，除動手實驗和實驗演示環(huán)節(jié)順序不一外，其他環(huán)節(jié)必須按照先后順序完成，否則系統(tǒng)提示不予操作。其中，動手實驗和實驗演示環(huán)節(jié)為動畫并配有部分文字說明的形式展現(xiàn)，而其他環(huán)節(jié)均以圖文并茂說明的形式展現(xiàn)。動手實驗環(huán)節(jié)通過后可跳過實驗演示環(huán)節(jié)，直接進入課后習(xí)題環(huán)節(jié)。在動手實驗環(huán)節(jié)實驗操作中，如有操作錯誤或不規(guī)范的地方，系統(tǒng)會自動扣分，若總分數(shù)達不到設(shè)定要求，則不能進入下一環(huán)節(jié)，直到實驗項目的所有環(huán)節(jié)通過并經(jīng)任課教師審核通過后方能實地操作實驗。實驗演示環(huán)節(jié)是為了達到加深印象和進一步明確操作規(guī)范的目的，在動手實驗環(huán)節(jié)有操作不當(dāng)?shù)牡胤娇赏ㄟ^此環(huán)節(jié)觀摩學(xué)習(xí)。課后習(xí)題環(huán)節(jié)進一步明確實驗原理及實驗操作過程中各儀器材料的用法意義等，真正做到實驗操作的知其然而知其所以然。

3.3 食品類專業(yè)實驗資料項目建設(shè)

虛擬實驗平臺除了提供虛擬實驗操作學(xué)習(xí)外，提供的各門課程教學(xué)資料有助于學(xué)生對理論知識的理解學(xué)習(xí)。而“實驗資料”模塊下的實驗設(shè)備與器材能讓學(xué)生很方便地了解并掌握實驗室的常規(guī)設(shè)備和器材的使用方法及運作原理，如色譜儀、電子顯微鏡、移液器等的使用方法以圖文并茂的形式說明，運作原理則以動畫的形式將設(shè)備結(jié)構(gòu)動態(tài)可視化模擬，有效提高對實驗設(shè)備器材原理學(xué)習(xí)的印象。實驗過程中常用的大量實驗試劑也會在“實驗資料”模塊下提供，學(xué)生可以查閱常規(guī)試劑的詳細信息包括理化性質(zhì)、使用注意事項等。該虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計同時可為本專業(yè)的研究生及科研工作者提供很好的實驗方法查閱平臺，在科學(xué)研究過程中所需要運用到的食品類專業(yè)常規(guī)實驗方法均可通過此虛擬實驗平臺查閱獲取，操作簡單、直觀易懂，相對于普通的紙質(zhì)版或電子版文獻查閱，此法大大節(jié)省科研工作者的時間，提高科研效率。

4 虛擬實驗平臺的實現(xiàn)

該虛擬實驗平臺的建立需要依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，設(shè)計并構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)版面。具體的實驗內(nèi)容可由實驗教學(xué)人員以管理員身份通過后臺登錄編輯，而涉及的動畫等實驗畫面則需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員在實驗教學(xué)人員的協(xié)助下完成。該實驗系統(tǒng)的設(shè)計可以是網(wǎng)頁版、軟件版等，可同時支持電腦、手機等客戶端，具有隨時隨地均可使用的特點，且系統(tǒng)帶搜索功能，可以滿足用戶方便快速的搜索需要的詞匯。該系統(tǒng)訪問權(quán)限包括院內(nèi)學(xué)生權(quán)限、教師權(quán)限和院外訪客權(quán)限。學(xué)生權(quán)限包括在線資料下載、實驗資料查閱、在線虛擬實驗操作等；教師權(quán)限包括上傳和編輯資料、虛擬實驗室維護和管理等；訪客則具有學(xué)習(xí)資料下載和實驗資料查閱等權(quán)限。科研工作者等人員經(jīng)注冊審核后可進入“虛擬實驗室”平臺任一環(huán)節(jié)，方便實驗方法、知識的查閱、獲取。

5 結(jié)語

食品類專業(yè)虛擬實驗室的建立是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一種補充，并不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗教學(xué)，其可實現(xiàn)一人一組在線實驗的快速學(xué)習(xí)，資源充分；各課程實驗項目的多范圍選擇可有效拓寬學(xué)生視野；實驗操作步驟以動畫的形式模擬和演示加強學(xué)生對實驗項目的理解學(xué)習(xí)。作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一種輔助手段，虛擬實驗室的建立還方便科研工作者實驗資料的查閱。

食品類專業(yè)虛擬實驗室的建設(shè)成本低、使用周期長、易維護，能有效緩解實驗設(shè)備的不足和資金的缺乏，能有效、快速地加深學(xué)生對各實驗項目的理解，為提高學(xué)生的實驗動手能力奠定堅實基礎(chǔ)。該虛擬實驗室的建設(shè)，還可以延伸到化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。

［1］ 關(guān)雪梅.淺談高校實驗教學(xué)的重要性 ［J］.實驗室科學(xué)，2005，8（4）：103-107.

［2］ 王正榮，武忠偉，郭延成，等.食品類專業(yè)實驗設(shè)計與統(tǒng)計課程改革的探索 ［J］.河南科技學(xué)院學(xué)報，2015（2）：89-91.

［3］ 管雪梅，戴天虹，王鐵濱.高校虛擬實驗平臺的設(shè)計及教學(xué)應(yīng)用研究 ［J］.哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2015，31（1）：88-90.

［4］ 王珊珊，黃璐.虛擬食品添加劑安全實驗的設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.浙江樹人大學(xué)學(xué)報，2014，14（1）：9-14.

［5］ 黃迎，徐雯麗，胡靜，等.虛擬技術(shù)在食品添加劑安全性評價中的應(yīng)用 ［J］.公共安全中的化學(xué)問題研究進展，2013（3）：89-92.

［6］ 劉慧中，周金娥，李月琴，等.虛擬實驗在醫(yī)學(xué)化學(xué)實驗中的應(yīng)用 ［J］.實驗室科學(xué)，2013，16（1）：98-100.

［7］ 代小林，梁瑩林.仿真和實物實驗結(jié)合的機器人學(xué)課程實驗教學(xué) ［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2014，12（6）：60-61.

［8］ 趙鋼.高校食品虛擬仿真實驗室建設(shè)項目管理 ［J］.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2013，27（5）：103-107.◇

The Exploration on the Experiment Teaching Reform of Virtual Laboratory in Food Science

XIONG Zhiyu，ZHAO Yansheng，CHEN Lihong，*DONG Ying
（School of Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

Reform ideas of the construction of virtual laboratory in food science have been put forward.The operating steps of the traditional experiment items will be displayed in the form of animation，which is easy to understand，effectively broaden students'vision and improve the quality of experimental teaching.Features of low construction cost，long service life and easy to maintain，the experimental platform can effectively alleviate the shortage of experimental equipment，the limit experimental site and the lack of fund.As an effective means，the construction of virtual laboratory helps expand student's awareness of the experimental instruments and materials，the experimental process and results，which can be of great significance to deepen the teaching reforms and enhances the students'practical ability.

virtual laboratory；food science；experiment teaching

TS201

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.10.023

1671-9646（2016）10a-0070-03

2016-05-31

熊治渝（1987— ），男，碩士，助理實驗師，研究方向為食品安全檢測、實驗教學(xué)管理。*