虛擬仿真技術(shù)在食品專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探討

肖龍泉，李 婧，周 琳，劉達(dá)玉，張 崟

（成都大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，四川 成都 610106）

我國(guó)自2013年教育部在全國(guó)啟動(dòng)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作以來，極大地推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心內(nèi)涵建設(shè)的提升和可持續(xù)發(fā)展。2018年6月教育部公布首批105個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目后，在2019年1月，教育部高等教育司發(fā)布了《關(guān)于2018年度國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目名單的公示》，有來自全國(guó)186所高校的298個(gè)項(xiàng)目入選。由此可見，教育部門對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度不容小覷。

目前，我國(guó)已有很多成熟的仿真教學(xué)軟件可供選擇，這些成熟的仿真軟件具有界面友好、可擴(kuò)充性、支持二次開發(fā)等特性，甚至大多實(shí)現(xiàn)模塊化利于定制化實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，基本上能滿足國(guó)內(nèi)高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要及豐富的仿真實(shí)驗(yàn)需求。因此，國(guó)內(nèi)很多高校及科研院所普遍采用購買成熟的仿真軟件產(chǎn)品，基于自身的仿真實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行對(duì)應(yīng)的二次開發(fā)，從而設(shè)計(jì)出適合自己的仿真虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并得到了很好的應(yīng)用發(fā)展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有效率高、成本低、安全性高、可反復(fù)操作等優(yōu)勢(shì)[1-3]，當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)已在各大高校廣泛應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)食品類專業(yè)教學(xué)過程中面臨的問題

1.1 理論教學(xué)過程中面臨的問題

在食品類專業(yè)理論教學(xué)過程中，部分課程因抽象性強(qiáng)使學(xué)生難以理解，如“化工原理”“儀器分析”“食品機(jī)械與設(shè)備”等課程內(nèi)容往往涉及大量專業(yè)儀器設(shè)備，學(xué)生學(xué)習(xí)前很少有機(jī)會(huì)接觸課程內(nèi)容的儀器設(shè)備，教學(xué)展示的平面圖無法動(dòng)態(tài)展示工作狀態(tài)，學(xué)生更無法參與設(shè)備的控制，對(duì)儀器設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解大多停留在二維平面上，對(duì)其工作狀態(tài)和詳細(xì)工作原理更是難以理解，最終導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下，學(xué)習(xí)興趣減弱。

1.2 實(shí)踐教學(xué)過程中面臨的問題

1.2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中面臨的問題

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，往往需要用到大精設(shè)備，尷尬的是絕大部分學(xué)校的大精設(shè)備臺(tái)套數(shù)有限[4-5]，同時(shí)又受到實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)限制，因此教學(xué)過程中無法保證每個(gè)學(xué)生的上機(jī)訓(xùn)練時(shí)間，甚至?xí)霈F(xiàn)在整堂課程中有部分學(xué)生根本沒有機(jī)會(huì)上機(jī)操作的問題，如食品分析實(shí)驗(yàn)中農(nóng)殘檢測(cè)需要用到氣相色譜儀、重金屬檢測(cè)的原子吸收儀，教學(xué)過程中往往無法讓每個(gè)學(xué)生把儀器操作一遍，教學(xué)效果大打折扣。

1.2.2 學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中面臨的問題

對(duì)于食品類專業(yè)的學(xué)生，在專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)過程中，實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)必不可少。學(xué)生實(shí)習(xí)是教學(xué)過程中各高校面臨最為棘手的問題，食品企業(yè)生產(chǎn)往往需要較高的潔凈度，因衛(wèi)生要求學(xué)生往往只能通過參觀通道走馬觀花看一圈，無法近距離接觸生產(chǎn)線，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程僅停留在宏觀層面，理論知識(shí)與實(shí)踐無法有效融合，且傳統(tǒng)教學(xué)方式受到第三方場(chǎng)地、時(shí)間、設(shè)備、安全等多因素的限制，學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)新性受到嚴(yán)重影響。

2 虛擬仿真教學(xué)在食品類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 可建立“以學(xué)生為本”隨時(shí)隨地的自主實(shí)踐模式

針對(duì)學(xué)校特點(diǎn)和學(xué)科特色，積極利用企業(yè)的開發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力，增加符合實(shí)際、特色鮮明的軟件，還可將各個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的教學(xué)資源與實(shí)踐教學(xué)更加緊密地結(jié)合起來，更好地訓(xùn)練了學(xué)生“動(dòng)手能力”，顯著提升教學(xué)效果、克服時(shí)間與空間上的限制，學(xué)生可隨時(shí)隨地根據(jù)自己興趣或?qū)W習(xí)任務(wù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

2.2 將抽象理論知識(shí)形象化提升教學(xué)效果

再形象的語言也抵不過一個(gè)生動(dòng)的動(dòng)態(tài)畫面，虛擬仿真軟件可以透視設(shè)備內(nèi)部，展示其工作原理，傳統(tǒng)教學(xué)方法可能要花費(fèi)半個(gè)小時(shí)，引入虛擬仿真教學(xué)，學(xué)生可在幾分鐘內(nèi)輕松理解。針對(duì)理論性強(qiáng)且抽象的課程，如“食品機(jī)械與設(shè)備”“化工原理”，在教學(xué)中很難將機(jī)械設(shè)備的工作原理及其內(nèi)部構(gòu)造用語言說清，而3D虛擬仿真教學(xué)只需要一個(gè)動(dòng)畫或特效就可以輕松讓學(xué)生理解其原理，透視其內(nèi)部構(gòu)造及動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程，大大提升學(xué)習(xí)效率。

2.3 提升學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)新性

虛擬仿真教學(xué)具有形象生動(dòng)、交互性強(qiáng)、成本低、不受時(shí)間空間限制等優(yōu)點(diǎn)，將虛擬仿真教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合有助于提升教學(xué)效果，可使學(xué)生掌握更多的技能，提升學(xué)生創(chuàng)新能力。此外，對(duì)于“生產(chǎn)實(shí)習(xí)”等實(shí)踐課程往往受到企業(yè)是否愿意接待、企業(yè)接待容量有限、所有學(xué)生難以親臨車間研究學(xué)習(xí)等限制，3D工廠虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)可有效解決上述問題，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性與創(chuàng)新性。

2.4 虛實(shí)結(jié)合解決學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)的問題

有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目若只進(jìn)行仿真操作，學(xué)生僅僅用鼠標(biāo)操作完實(shí)驗(yàn)流程，很難將實(shí)驗(yàn)技能內(nèi)化，在真實(shí)操作過程中難免會(huì)遇見各種各樣的問題。要解決這類問題，就需要將虛擬仿真教學(xué)和真實(shí)實(shí)踐教學(xué)巧妙真正結(jié)合起來，可以先虛后實(shí)，虛可以預(yù)習(xí)，實(shí)可以鍛煉技巧；也可以先實(shí)后虛，“實(shí)”在于總體認(rèn)知，“虛”在于細(xì)節(jié)訓(xùn)練。設(shè)計(jì)最合適的教學(xué)情境，在最大化的節(jié)約教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，將虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，做到虛實(shí)結(jié)合，彌補(bǔ)各自不足，提升教學(xué)效率與效果。

2.5 虛擬仿真教學(xué)可解決實(shí)驗(yàn)資源不足的問題

對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)來說，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源至關(guān)重要，俗話說“巧婦難為無米之炊”，如果沒有豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源作支撐，實(shí)驗(yàn)教學(xué)將難以開展。對(duì)于大部分高校來說，大精儀器的采購?fù)狈?jīng)費(fèi)，如一臺(tái)食品分析中常用的氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC-MS）動(dòng)輒上百萬，而開發(fā)或采購一款與之對(duì)應(yīng)的教學(xué)軟件，其成本往往只有設(shè)備價(jià)格的10%～20%。因此，開發(fā)或購買虛擬仿真教學(xué)軟件，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生有更多選擇，以此解決高校實(shí)驗(yàn)室資源不足的問題。

3 結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)手段融入教學(xué)，不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)理論教學(xué)知識(shí)抽象難懂的缺點(diǎn)，還可以根據(jù)不同教學(xué)場(chǎng)景進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合，既可先實(shí)后虛，打破儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)的限制進(jìn)行細(xì)節(jié)訓(xùn)練，又可先虛后實(shí)，為動(dòng)手操作做準(zhǔn)備，避免操作過程中細(xì)節(jié)失誤。此外，在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，采用虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，可有效解決企業(yè)是否愿意接待、企業(yè)接待容量有限、學(xué)生難以親臨車間學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)時(shí)間受限等問題，為學(xué)生提供一個(gè)不受時(shí)間、空間限制的開放學(xué)習(xí)平臺(tái)，使學(xué)生學(xué)習(xí)變得更加靈活、自由、高效。