虛擬仿真技術在食品安全快速檢測技術課程實驗教學中的應用*

湯軼偉，桑亞新，張志勝，王向紅，張富源，馬曉燕，索 然，淑 英

(河北農業大學食品科技學院，河北 保定 071001)

食品安全快速檢測技術是食品質量與安全專業的重要課程，具有很強的科學性與實踐性，對培養學生的嚴謹科學態度、良好實踐作風及快速檢測技能有著舉足輕重的作用。為加快建設高水平本科教育、全面提高人才培養能力，我國教育部(教高[2018]2號)要求本科教學要“堅持服務需求，成效導向”，切實提高高校人才培養的目標達成度和社會適應度。因此，高校食品安全快速檢測技術課程建設中，加大實驗課程比重已成為該門課程教學的一個趨勢。但如何高效運用實驗教學提高學生對食品安全快速檢測技術實驗課程的興趣、加深對基本理論和原理的認識、提升食品快速檢測基本技能和方法的熟練程度及創新能力，成為當前亟需解決的研究課題。

食品基質成分復雜，要想獲取準確可靠的分析檢測結果，除具有扎實的專業基礎外，更需要較高的專業技能和實際操作水平[1]。引入現代化教學手段，改革實驗教學模式，提升實驗教學水平已成為實驗課程教學改革的重要方向[2]。虛擬仿真技術(Virtual reality，VR)集計算機、網絡通訊、人工智能、自動化控制、儀器儀表與測量等技術于一體，具有較強的沉浸感和構想性，可虛擬模仿真實系統，實現視覺、觸覺等多種感覺的實時交互體驗，已廣泛用于航天、軍事、食品工程等領域[3-5]。為提高學生的學習興趣，我們將虛擬仿真技術應用于食品安全快速檢測技術實驗教學中，以期提高更好的教學效果和質量。

在河北農業大學食品科技學院2018級和2019級食品質量與安全專業食品安全快速檢測技術實驗課程教學過程中，加入虛擬仿真元素進行初步教學研究。

1 食品安全快速檢測技術課程教學現狀

從我校近年食品安全快速檢測技術實驗課程的開設及執行情況，結合調研分析可以看出，目前大多數高校該門實驗課程的教學仍以傳統教學模式為主，即教師講解實驗原理、實驗步驟及注意事項，然后學生分組進行實驗[6-7]。實驗過程缺乏趣味性，部分學生積極性差，實驗報告版本單一，不能深刻理解實驗目的與意義，實驗操作過后印象不深，難以獲得實驗教學的預期效果。食品安全快速檢測技術是一門強實踐性課程，內容多，更新快，即使我校在實驗學時與理論學時相同情況下也難以將全部技術讓學生進行實踐，這一定程度上降低了培養學生的社會適應度與創造性。

2 教學改革迫切性

食品安全快速檢測技術課程涉及領域范圍廣，檢測對象復雜，包括農藥、獸藥、生物毒素、食品添加劑、食品加工過程中產生的潛在危害物、食源性致病菌等。傳統的課堂和實驗教學方式難以生動的展示每種快速檢測技術的原理、快速檢測產品構造、實驗操作操作步驟等，極大降低了學生動手能力、解決實際問題以及在實踐操作中創新能力的培養效果。學生則只能在傳統課堂教學中死記硬背一些基礎知識和理論，完成指定實驗操作，得到相應實驗數據。學生學習興趣、學習效果與課程教學目標的達成度偏差較大。因此，食品質量與安全課程組一致認為必須對食品安全快速檢測技術的教學內容和實驗教學方法進行改革。

隨著科技與互聯網技術的快速發展，以互聯網和新興技術等手段服務教育教學過程的新型教育模式逐漸形成。2020年，突如其來的“疫情”加快推進了教育現代化實施。在此發展趨勢下，課程充分利用新興信息技術開展人才培養模式和教學方法改革顯得十分重要和迫切。

3 選擇基于虛擬仿真的《食品安全快速檢測技術》教學改革的原因

虛擬仿真是借助計算機及最新傳感技術創造的一種嶄新的人機交互手段，是在多維度信息空間上創建的具有交互效能的多維化虛擬信息環境，可構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象。基于虛擬仿真技術的實驗操作全部在線上平臺完成，不會對環境造成任何污染，安全保障極高，是對傳統危險性實驗的有效補充，充分保證了食品安全快速檢測技術知識體系的完整性。此外，幾近完備的實驗儀器和實驗試劑都能在虛擬仿真實驗平臺實現，學生在電腦上就可以實現實驗的開展，一定程度上彌補了由于學校實驗教學經費有限、儀器設備不足或實驗室空間限制不得不采取的實驗分組訓練的不足[8]。

基于虛擬仿真的課程改革充分體現出以學生為中心、注重對學生社會責任感、創新精神、實踐能力的綜合培養，可以調動學生參與實踐教學的積極性和主動性，激發學生創新創造能力。國外一些高校運用虛擬仿真技術進行了一系列值得關注和學習的教育改革和應用創新，國內多個高校如河北農業大學、江南大學、中國農業大學等也已將虛擬仿真技術運用到食品工程類如啤酒生產工藝、果汁生產工藝等課程的教學過程中，并取得了良好的教學效果。

食品質量與安全專業是一個跨多學科門類、多學科交叉、覆蓋范圍廣的專業。將虛擬仿真應用于該專業課程的教學改革研究還處于探索階段。食品安全快速檢測技術課程是食品質量與安全專業的主干課程之一，具有較強的實踐性，虛擬仿真實驗教學方法的引入，將大大推動專業基礎課和專業主干課的整合優化，減少重復性教學內容，提高學生的學習興趣和學習效果。

4 虛擬仿真技術在食品安全快速檢測技術實驗課程教學中的應用

虛擬仿真實驗教學是信息化時代重要的教學方式，我國教育部在教高廳[2017]4號、[2019]8號文件中指出，2017-2020年期間認定1000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目，2019-2021年完成約1500門國家級虛擬仿真實驗教學一流課程。虛擬仿真技術在實驗教學中的應用已顯現出多方面優勢。

4.1 課程設計實施過程

基于虛擬仿真技術的食品安全快速檢測技術實驗課程首先需要學生在虛擬仿真平臺注冊賬號，對相應的實驗內容進行預習；再通過學習通、釘釘等教學軟件進行線上導學；完成后學生在虛擬仿真教學平臺上熟悉、練習或參加實驗內容的考試；教師通過管理端掌握學生的實驗操作情況，對成績分析和評價，發現實驗過程中的問題，及時反饋給學生，并對教學內容及方式方法進行修改與完善。

圖1 課程設計流程

4.2 激發學生對實驗課的興趣

食品安全快速檢測技術是針對食品安全問題利用快速檢測技術進行檢測、判斷和處理的應用型課程，其實驗課程部分是對理論講授的深入實踐，對食品質量與安全專業的人才培養起著重要的支撐作用[9]。然而，傳統“板書式講授-分組式操作-機械式報告”的教學模式已難以滿足現代教學要求。虛擬仿真技術在食品安全快速檢測技術實驗課程中的應用，充分調動了學生們的視覺、觸覺、聽覺等多種人體感知器官，使學習沉浸其中、身臨其境，極大激發了學生對食品安全快速檢測技術實驗課程的興趣。

4.3 提高實驗教學質量

能喚醒學生興趣的教學活動是最好的教學方式。虛擬仿真技術在食品安全快速檢測技術實驗課程中的應用可實現學生由被動受教到主動參與的轉變，實現了理論的抽象描述到直接動態展示的轉變，學生“我想學”的愿望顯著提升。在虛擬仿真快速檢測技術系統中，學生可對不同檢測技術的原理、某一檢測技術的實驗流程進行反復操作，以熟練掌握該類技術關鍵環節的操作技能，真正達到實驗訓練培養目標，切實提高工程教育背景下應用型實驗教學質量。此外，食品安全快速檢測技術內容多，且技術更新快，實操實驗教學不能滿足技術的全面覆蓋和教學內容的及時更新，虛擬仿真技術平臺的引入大大彌補了實操實驗教學的短板，有效延長了實驗教學寬度和長度。

4.4 培養學生解決工程問題的能力

食品安全快速檢測技術是食品質量與安全專業中重要的專業課程之一，涉及多種精密分析儀器，如高效液相色譜儀、氣相色譜儀、液-質聯用儀、氣-質聯用儀等[10]。虛擬仿真技術可從多角度呈現分析儀器的內部結構，生動解析儀器的基本分析原理，直觀展示儀器中各零部件的作用等。學生通過食品安全快速檢測技術虛擬仿真技術平臺能實現虛擬場景下儀器工程師基本素質的培養，包括分析儀器的選型、儀器的安裝和調試以及使用過程中基本問題的解決。虛擬仿真技術平臺可突破客觀條件限制，免受外界環境影響，在極為安全的情況下使學生將創造性思維付諸實踐，通過創新實驗與嘗試，尋找最佳解決方案，完成仿真分析儀器的工程訓練，避免真實場景中的實踐風險，使畢業生一段時間后有可能成為一名合格的食品分析儀器工程師。

4.5 對教師提出新要求

虛擬仿真教學是現代科技與傳統教學的深入融合，作為食品安全快速檢測技術實驗教學改革的教師要轉變思想、與時俱進，適應新的教學手段和技術，積極主動進行虛擬仿真教學，不斷實踐和提高虛擬仿真技術的實際運用效果，同時要明確學生的學習目標和成效，做好教學過程中的監督者、引導者和管理者。此外，還要求學生能在教師的指導下，合理安排學習和實踐活動，并及時發現問題、提出問題，使該門課程的教學目標與教學效果具有高度的達成。

5 結 語

基于虛擬仿真技術的教學改革是豐富教學理念、完善教學體系、深化課程教學信息化和智能化的重要途徑。虛擬仿真技術在食品安全快速檢測技術實驗教學中的實踐激發了學生的學習興趣和創新能力，加深了學生對食品安全快速檢測方法分析原理的理解，有效提高了教學質量。然而，虛擬仿真技術在食品分析類課程實驗教學中的應用仍處于摸索階段，可以在以下方面進行完善：(1)建立科學、公平、嚴謹的課程教學質量評價體系以適應食品安全快速檢測技術虛擬仿真實驗教學方式靈活的特點；(2)加強教師在虛擬仿真教學實驗課程中主導性，持續監督學生的學習過程，保證完成理論和實踐教學目標；(3)教師應根據食品安全快速檢測技術課程需求和特點參與虛擬仿真軟件的設計、開發以提高教學平臺的適用性。