虛擬仿真技術在食品科學專業實踐教學改革中的應用研究

陶冬冰，梁莎莎，張 旋，張 琦，辛 廣，張佰清

（1.沈陽農業大學食品學院，遼寧沈陽 110866；2.東北大學工商管理學院，遼寧沈陽 110819）

近年來，食品工業類別增加、產品線更豐富、技術水平不斷提高[1]，對大學生就業素質尤其是實踐動手能力有了更高的要求，食品科學專業作為一個以應用型人才培養為主要目標的專業[2]，不斷根據社會需求調整辦學思路，改革實踐教學環節的教學模式，引入現代化教學手段，提升實踐教學水平，提高學生學習興趣及實踐創新能力[3]，以適應飛速發展的食品工業需要就成為實踐教學改革的重要課題。

1 食品科學專業實踐教學運行中存在的主要問題

（1）實踐教學資源限制。國內食品專業建設時間大都不長，隨著新食品新行業不斷出現，招生人數、就業渠道和用人要求不斷變化[4]；相應的實踐教學場地不足，大型加工生產設備短缺，實踐教學體系不完善，實踐基地建設及實際運行能力不強，現有教學資源無法滿足食品行業發展及開展生產實習的要求[5]。學生到企業中進行生產實習往往只能從事化驗及產品包裝等簡單操作過程，無法完成生產線、大型檢測設備的操作，學生對這樣的實習熱情不高。另外受本科教學經費的限制，學生的有效實習時間無法得到保證、實習企業的選擇受地點限制，只能選擇距離學校較近的企業，不能實現對食品加工行業的全覆蓋，學生達不到實踐目的，對動手能力、工程設計研究能力、創新能力的培養起不到應有的效果[6]。

（2）學生對實踐教學不重視，熱情度不高，實踐教學考核體系不完善。由于受實踐教學資源限制，設備數量不足以達到每人一組，獨立操作學習的機會不多，加上高校實踐課的考核體系多為報告冊分數加平時出勤分數，考核內容并沒有涉及過多的動手能力的考核[7]，很多學生的實習實驗課就是“走過場”，出席率保證了，實驗報告抄了，學分拿到了，但沒能達到動手能力的真正提升，學生就業、考研對實驗技能的考核也幾乎沒有，這就造成很多學生只重視課堂理論學習，而不重視實踐教學，對學生實踐能力的培養達不到應有的效果[8]。

（3）部分實驗危險性大，不具備相應的實驗條件，實驗課無法開設。食品科學專業的某些課程，如“食品毒理學實驗”“食品免疫學實驗”，很多高校不具備小動物實驗開設條件，這類實驗課程很難開設，再比如致病菌檢測，很多高校的本科專業對這類對人身傷害比較大的實驗也不會涉及，還有一些在強酸強堿或高溫高壓條件下進行的檢測，實驗出于實驗室安全考慮也多數會有實驗指導教師進行演示實驗，而不要求學生動手操作。這些實踐教學環節學生只能通過視頻、動畫、演示實驗進行了解，印象不深刻，嚴重影響實踐教學效果[9]。

（4）實驗開設受原料季節性限制。食品專業的很多實踐實驗課受食品加工原料限制很大，特別是北方地區的高校，實踐實驗課安排考慮食品原料成本必須根據原料采收季節安排，這樣對整體教學計劃設置影響很大，既需要考慮理論課程內容的銜接性，又要兼顧實踐課程的開設時間，制定教學計劃時很困難[10]。另外，學生的實驗實踐課與學生的創新創業項目實踐、畢業論文完成等就會集中在同一時間段完成，實踐場地、實踐、組織都會存在很多困難，效果也不好。

（5）生產實踐課程能源消耗巨大，學生動手機會少。很多高校的食品專業為了提高專業建設水平，提升實踐教學效果，加大投入建設了校內生產實踐教學基地，購置食品加工生產線，解決只能到企業參觀的“走馬觀花”式的生產實踐教學[11]。但相應也會產生巨大的能源消耗費用，生產實踐過程中教師講解生產原理、生產線具體操作規范都需要大量的時間，學生再進行獨立操作，這期間能源消耗都很大，再加上生產線數量上的限制，很多學生都是在邊上看別人操作，自己不愿動手或不敢動手，校內生產實踐無法達到預期效果。

2 虛擬仿真技術應用在食品科學專業實踐教學改革的建設內容

建立食品加工與檢測虛擬仿真實驗教學平臺，根據社會對畢業生就業需求及食品專業發展特色選擇適合的虛擬仿真實驗項目進行建設，完成實驗、實習指導教師的培訓，建立完善的虛擬仿真實驗教學平臺管理制度，通過培訓、引進人才等方式提高虛擬仿真教學教師隊伍水平[12]，在高校內其他相關專業及區域內其他高校食品相關專業實現共享。建立完備的虛擬仿真實驗技術與食品專業實踐教學內容相結合的創新實踐教學模式。

（1）建立虛擬仿真實驗教學平臺。內容包括虛擬仿真實驗項目的學習、交互操作、考核，實驗室安全知識考核，實驗操作視頻，實驗原理演示動畫等內容。

（2）建設虛擬仿真實驗內容，結合食品專業特色及社會食品企事業單位用人需求，開發3D果蔬飲料加工工廠虛擬仿真實驗項目、啤酒發酵2D虛擬仿真實驗項目、液質聯用、氣質聯用檢測虛擬仿真實驗項目、食品毒理學、食品免疫學等虛擬仿真實驗項目。

（3）對實驗、實習指導教師進行虛擬仿真實驗軟件操作培訓，提高虛擬仿真實驗項目在實踐教學中的應用效果。

（4）建立完善的虛擬仿真實驗教學平臺管理制度及平臺共享制度，保證虛擬仿真實驗教學平臺的正常運行。

（5）建立高水平虛擬仿真教學教師隊伍，與虛擬仿真軟件開發企業進行深度合作，通過培訓、引進人才等手段不斷提升實驗教師隊伍水平。

（6）通過使用虛擬仿真實驗軟件，不斷發現問題進行軟件設計調整，完善虛擬仿真軟件，使之與食品專業實踐教學特色緊密結合。

（7）不斷開發新的虛擬仿真實驗項目，使虛擬仿真實驗教學平臺內容更加貼合生產實際，更加符合社會對食品專業學生就業的要求。

（8）通過網絡平臺的建設，達到開放共享，服務校內相關工程、園藝、生物技術等專業，并在區域內其他高校食品相關專業進行共享服務。

3 虛擬仿真技術應用在食品科學專業實踐教學改革的作用

（1）虛擬仿真實驗教學系統能夠深入解剖實驗教學過程，要求學生必須在理解的基礎上通過思考才能正確操作，克服實驗中出現的盲目操作和走過場現象[13]，每名學生都可以通過虛擬仿真實驗平臺進行預習學習，再到實驗課上親自動手操作，大大提高實驗教學的質量和水平。

（2）通過將實踐教學各環節虛擬仿真，可以提升學生的學習興趣，使實踐教學不只局限于課上教學，學生可以隨時隨地通過網絡進行學習操作，趣味性強，激發學生實踐課前預習、課后復習、自主學習的熱情[14]，對學生掌握實驗技能、提升動手能力都有很大的幫助。

（3）虛擬仿真實驗項目建立可以根據實驗教師的要求設定考核點，方便教師對學生的時間課程考核，改變原有的實驗報告加出席的簡單考核方式[15]，更有利于督促學生完成實踐教學相關知識點學習，提高實踐教學質量。

（4）實驗過程各個參數可以在允許范圍內自行更改，使得每個學生和每次實驗操作所測得的正確結果不同，從根本上避免實驗報告雷同，防止抄襲的現象發生。

（5）虛擬仿真實驗給學生留有較大的選擇空間，學生可在虛擬仿真系統中自行制定實驗方案、調整實驗參數、模擬真實的實驗過程。通過這一方式激發學生的創新精神，有利于學生進行創新創業實驗項目的進行[16]。

（6）通過虛擬仿真實驗項目的建立可以解決因實驗條件不具備而不能開設的實驗項目的學習，解決教學資源配置不足、學生動手機會少的問題[17]，解決因原料季節性限制而無法在其余時間進行實驗的問題，解決因實驗項目危險性大而只能進行演示實驗的問題。通過虛擬仿真實驗項目的學習開闊學生的眼界，即使這個實驗沒有實際動手做過，也能在虛擬實驗中操作學習實驗的具體步驟、注意事項，提高了學生適應行業企業要求的就業能力[18]。

4 結語

在我國高等教育中，實踐教學是一個非常重要的教學環節；是認真貫徹黨的“教育與生產勞動相結合”教育方針[19]，培養造就食品生產、科研及管理第一線所需要的合格人才的重要手段；將虛擬化、數字化實驗室的建設作為實驗教學建設與改革的重要方向是實現專業培養目標的有力措施和必要保證[20]。引入虛擬仿真技術，建立食品加工生產、食品安全檢測、大型設備操作的虛擬仿真項目，解決實踐教學環節中危險性實驗無法開設、食品加工實驗受原料季節性影響大、生產設備及大型分析檢測儀器設備資源有限，參觀工廠企業走馬觀花等問題，提高學生對實踐教學的學習興趣，拓寬學生的學習范圍，培養學生創新性思維、實操能力，使學生具備更強的食品專業從業素質，改變以往工廠認為的本科生動手能力不如專科生的現狀，為畢業生就業打下堅實基礎。