虛擬仿真技術在食品分析檢測實驗教學中的應用

盧春霞 王雙慧 高曉旭

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?食品分析檢測是食品科學專業一門重要的必修課，在培養創新型、應用型人才的過程中發揮了一定作用。虛擬仿真技術作為一種創新性教學形式，可有效彌補傳統實驗教學中的不足，提升學生的創新能力。針對目前食品分析檢測實驗教學存在的問題，探討了虛擬仿真技術在該課程實驗教學應用中的可行性和必要性。以期解決部分實驗內容因時間、空間、資源限制無法開設等問題，豐富教學內容及方式，調動學生的學習積極性，提高實驗教學質量。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?食品分析檢測;虛擬仿真技術;教學改革

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）07-0084-02

近年來，隨著社會經濟的不斷進步發展，人們對食品營養與安全問題日益關注。因此，培養食品科學專業應用型人才是高等院校培養目標之一。食品分析檢驗是一門實踐性、技術性很強的課程[1]，其教學目的主要是通過實踐培養學生的動手能力、實驗技能、分析和解決問題的能力以及嚴謹的科學態度和創新精神。但由于受學時、經費和空間的限制，該課程實驗教學面臨諸多問題[2-3]，如一些檢測項目存在實驗周期長、藥品危害大、實驗成本高、實驗室條件有限等一系列現實問題，導致該課程實驗內容陳舊，與現有一線檢測技術要求存在較大差距。雖然很多高校也在嘗試教學方法及模式的改革，但教學質量和效果沒有得到明顯提升。

隨著計算機及信息技術的飛速發展，虛擬仿真教學技術以其生動逼真、成本低、操作簡單等優點在教學中展現了獨特的優勢。它作為一種新的教學模式，可彌補在實際教學中難以實現的教學，是對傳統教學手段的有效補充。目前，該技術已逐漸應用于高校的實驗教學，成為提高教學質量的重要手段之一[4-5]。據統計，截止到2016年，教育部已評審建立了300個虛擬仿真實驗教學中心，學科類別涵蓋44個。2017年，教育部辦公廳頒布了教高廳〔2017〕4號文件，計劃截止到2020年，將分4批認定約1000個虛擬仿真實驗教學項目[6]。由此可見，虛擬仿真技術與實驗教學相結合已經成為高校教學改革的一個發展熱點。因此，本文針對目前食品分析檢測課程存在的一些問題以及如何將虛擬仿真技術引入實驗教學，以提高實驗教學效果提出一些教學改革建議。

一、傳統食品分析檢測實驗教學的不足

（一）教學內容陳舊，實驗教學平臺落后

食品分析檢驗實驗項目繁多，所需大型分析儀器也較多，特別是一些有害成分的檢測，如農藥殘留、獸藥殘留、食品添加劑、違規添加物、重金屬等實驗內容，涉及使用HPLC-MS/MS（高效液相色譜-串聯質譜儀）、UPLC（超高效液相色譜）、氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS）、氣相色譜（GC）、電感耦合等離子體質譜（IPC-MS）、原子吸收分光光度計等大型分析儀器。而這些儀器往往價格昂貴、維護成本高，受場地和經費的限制，很多高校無法采購先進高端的實驗儀器，勢必影響一些實驗項目的開展，導致一些高校的食品分析檢測課程的實驗教學內容多以常規項目如水分、蛋白質、脂肪、酸度、粗灰分、粗纖維、磷、還原糖等為主，檢測方法多采用滴定、紫外/分光光度計、索氏抽提等最常規的實驗手段。另外，由于食品分析檢測實驗會用到一些有毒有害化學試劑和藥品，為了學生安全考慮，教師往往選擇一些安全性高、容易操作的實驗內容。因此，由于種種原因，致使食品分析檢測實驗教學內容落后，學生無法掌握最新的分析檢測方法，與當今飛速發展的前沿技術和新檢測手段脫節，滿足不了時代發展的需要[7-8]。

（二）教學條件有限，學生參與度不高

目前很多高校在實驗教學中，存在實驗場地擁擠、實驗儀器投入不足、教學資源有限等問題，設備數量不足以達到每人一組，大部分學生很難獨立完成全程實驗。一般情況下，指導老師將學生安排成實驗小組開展實驗，每個小組4～5人，這就無法保證每個學生都能參與到實驗中去。特別是對大型分析儀器，鑒于儀器昂貴，且數量限制，教師只能開展演示實驗，學生少有實際操作的機會，再加上精密儀器結構較復雜，講解抽象，枯燥乏味，學生不易理解，教學效果不盡如人意。

（三）教學方法單一，學生積極性不高

目前，傳統的食品分析檢測授課方式多以教師為主導，學生被動接受，教學方法單一，內容枯燥乏味。大多情況下，實驗課都是老師事先選定實驗項目，確定實驗方法，然后由實驗員老師配制試劑、調試儀器，指導教師照本宣科講解實驗目的、基本原理、實驗步驟等。學生按部就班完成操作，上交實驗報告即可，很多學生就是“走過場”，不會主動思考儀器使用及實驗原理，當實驗結果有偏差時，不會分析數據異常的原因，動手能力得不到真正提升。這種傳統教學方式導致學生積極性不高，限制了學生獨立思考及綜合創新能力的發展，影響教學質量。

二、虛擬仿真技術在食品分析檢測實驗教學中的應用優勢

（一）減少危害性試劑的使用，降低實驗危險性

在食品分析檢測實驗中，避免不了使用一些具有危害性的化學試劑及有機溶劑，如果操作不當，容易發生實驗安全事故。例如，在農獸藥殘留檢測實驗中對樣品進行前處時經常使用乙腈、丙酮、氯仿、甲苯、甲醇、異丙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷等有機溶劑理;索氏抽提法對樣品中脂肪的測定時，大量使用乙醚、石油醚;重金屬測定時使用的硫酸、鹽酸、硝酸等;以及黃曲霉毒素檢測時使用的黃曲霉毒素標準品等。有些試劑易燃易爆，有些試劑對人體危害較大。虛擬仿真實驗授課不僅可以避免危險性化學試劑的接觸和消耗，還可以通過直觀、逼真的虛擬實驗，使學生掌握實驗過程中的注意事項和操作要求，對危險化學試劑使用有更為準確的認識。因此，虛擬仿真實驗教學可以降低實驗的危險性同時提高學生的實驗理解能力。

（二）縮短實驗周期，節約教學成本

傳統的食品分析檢測實驗教學中，有些檢測項目實驗周期較長。例如，索氏抽提法測定食品中脂肪含量，樣品干燥0.5～1h，回流抽提需6～8h，抽提結束后，溶劑蒸發、接收瓶干燥至恒重約需2～3h，整個實驗過程約需10～14h。再者，食品中微生物學檢驗不僅需要無菌實驗室，而且實驗周期較長，微生物培養過程需要2～3天。這類項目學生在有限的課時內根本無法完成，為按時完成教學任務，勢必要縮短一些實驗時間。而實驗虛擬仿真實驗則可以不受時間、空間、場地、設備的限制，只要有移動終端，學生就可以隨時隨地進入虛擬仿真實驗平臺開始實驗操作[9]。有效解決了部分實驗周期長、學時不足等問題。

另外，有些實驗實際操作起來會涉及大型儀和價格昂貴的化學試劑。例如，農藥、獸藥殘留測定時，不僅需要幾種甚至幾十種標準品，而且需要價格上百萬的HPLC-MS/MS及GC-MS/MS等儀器。而虛擬仿真教學，學生操作的是虛擬設備，不需要這些價格昂貴的大型儀器，所有實驗步驟可在電腦上完成，大大降低了試劑及耗材的消耗，節省設備維護費用，投資成本遠低于實際操作。

（三）提高教學趣味性和參與度

因教學條件的限制，部分學校的實驗室存在人多機少的問題，授課時只能通過教師的演示操作和講解來學習，學生不易理解，很難掌握實驗操作要點，學生參與度不高。仿真教學可彌補傳統實驗教學和客觀條件的不足，為學生提供近似真實的實驗環境，使儀器結構更直觀，實驗過程更逼真，課堂教學更豐富。例如，在使用液相色譜的一些實驗教學中，可采用虛實有機結合，互動式教學模式，將虛擬仿真實驗流程完全參照實操進行，包括樣品前處理、實驗儀器和試劑的選擇、儀器參數設置、軟件的使用、數據分析和儀器維護等，都比照真實儀器操作訓練。大幅度降低了實驗教學成本，提高學生了實操機會，增強教學的趣味性。

三、結束語

食品分析檢測實驗課程是為社會培養應用型人才的一門專業課程，具有很強的實踐性。將虛擬仿真技術引入該課程的實驗教學，不但可以豐富教學內容和方式，提高學生學習的積極性，而且可以降低教學中的成本投入，提高教學質量。但在建設虛擬仿真實驗項目時，應遵從“虛實結合、相互補充、能實不虛”的指導方針，將虛擬的和真實的實驗項目相互補充，不斷完善人才培養體系和先進的教學方法，提升食品科學專業實驗教學水平，提高學生培養效果。

參考文獻：

[1]張水華.食品分析[M].北京：中國輕工業出版社，2007.

[2]盧春霞，高曉旭，譚飔.《食品分析檢測》實驗教學改革探索[J].現代職業教育，2019（8）：28-29.

[3]喬明武，宋淼，宋蓮軍，等.“互聯網+”虛擬仿真項目在食品分析與檢驗實驗教學中的探索[J].山東化工，2019，48（15）：175-178.

[4]李旭，李衛芳，張倩，等.中國科學技術大學“生物化學”系列實驗課程體系改革初探[J].高校生物學教學研究（電子版），2019，9（1）：35-39.

[5]鄒家柱，程品晶.高校虛擬仿真實驗室建設總結[J].中國電力教育，2014（18）：80-81.

[6]林琎，趙春青，劉會香，等.虛擬仿真技術在高校實驗和實踐教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2019（5）：6-8.

[7]黃春紅，謝中國，賀江，等.《食品分析與檢驗》教學現狀與改革必要性分析[J].廣州化工，2017，45（12）：183-185.

[8]李凱凱.食品分析“教學改革探索與實踐”[J].科技文匯，2018（425）：60-61.

[9]梁燕秀.虛擬仿真實驗技術在“食品微生物檢驗”教學中的應用探索[J].福建輕紡，2019（9）：48-50.

◎編輯 張 慧