“互聯網+”背景下虛擬仿真技術在“乳品分析與檢驗”實驗教學模式中的應用

于 潔

（內蒙古農業大學乳品生物技術與工程教育部重點實驗室農業農村部奶制品加工重點實驗室內蒙古自治區乳品生物技術與工程重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010018）

1 虛擬仿真技術概述

1.1 虛擬仿真技術在教學中的應用

“互聯網+”技術的發展迅速，已經逐漸深入到社會發展的各個方面，為了進一步促進互聯網技術與傳統行業的深度融合，我國教育進入了“互聯網+”的時代[1]，“互聯網+教育”是一種借助互聯網技術的新教學方式，能夠對傳統的教學模式進行有益的改善，不僅拓寬了學生獲取知識的渠道，建立起更加數據化、個性化、社會化和移動化的學習模式，而且突破了時間和空間的限制，使得教學資源、學習門檻、課程設置都走向開放。

隨著“互聯網+”時代的進步，信息技術的發展逐步成熟，虛擬仿真技術在高校課程教學中展現出了獨特優勢。最初，虛擬仿真技術多數被應用于軍事、企業、學術實驗室中，因其成本不斷降低，逐步被應用在教育領域。教育部于2013 年8 月決定開展建設國家級虛擬仿真實驗教學中心的工作，充分體現了高校實踐教學體系迫切需要虛擬仿真教學的輔助。目前，虛擬仿真技術被廣泛地應用在許多高校的實驗課程中，利用計算機及網絡構建起虛擬的實驗操作環境，課程內容在虛擬仿真實驗平臺的教學方式下變得更加具體、直觀，教學方式更加生動通俗，大大提升了教學效率和教學質量，且有益于促進教學中實驗與理論知識的平衡。

1.2 國內外虛擬仿真教學的發展

科學技術日新月異，為了使教育教學緊跟信息化時代的步伐，使信息化技術與教育教學深度融合，建立知識獲取、傳授的新方式，2018 年，國家教育部發布了關于開展虛擬仿真實驗教學項目工作的通知，社會各界都積極地響應與支持，迎來了國內高校創新、利用虛擬仿真教學方式的新風潮[2]。中國農業大學、中國科技大學、山東農業大學等高校建立開發了較為完善的虛擬仿真體系及平臺。2019 年，臨床醫學、機械、化工等23 個學科領域所采用的國家虛擬仿真實驗項目都得到了認可，在高校教育中產生了不錯的反響，發展并且拓展了實驗教學的深度及廣度。

國外對于虛擬仿真教學的研究要早于我國，并且應用更為廣泛。近年來，國外許多高校積極構建更加有效的線上學習平臺、工具及環境。同時，為解決網絡課程和線上教學缺少實驗項目、高校學生實踐能力普遍偏差的問題，美國斯坦福大學、美國科羅拉多大學、麻省理工學院、英國開放大學、哥倫比亞大學等國外著名高校，在一些網絡課程中添加了以虛擬實驗室為教學手段的實踐教學內容[3]。盡管國內的虛擬仿真教學起步較晚，但其發展非常快速。目前，國內與國外虛擬仿真教學雖在技術方面已相差不大，但在普及應用上與國外相比有著有較大的差距。

2 “乳品分析與檢驗”課程傳統實驗教學的現狀及存在的問題

近年來，食品安全受到廣泛關注，該問題在乳品行業中經常發生，國內三聚氰胺事件、安徽阜陽的大頭娃娃事件、嬰幼兒奶粉汞超標等事件接連發生，國外進口奶粉的質量安全也總是問題不斷。國家在不斷加強食品安全監管制度，企業在此方面也投入大量資金，引進先進的技術和設備，加大精準的檢驗儀器的投入，給乳品工程專業的學生提供了很多實踐機會，就業前景可觀。為適應社會對乳品類專業人才的需求，學校針對乳品工程專業的本科生開設了“乳品分析與檢測”課程，該課程是一門集研究和評定乳制品品質、保障乳制品安全等相關知識的技術型應用學科[4]。

“乳品分析與檢測”課程是高等院校乳品專業的核心課程，主要介紹乳品質量檢驗與品質控制的最新方法、技術和相關理論，重點是運用乳品質量檢驗技術的基本理論及大型分析儀器對乳品工業生產中的營養元素和有害物質進行定量檢測，課程涉及許多實驗項目，內容豐富、研究范圍廣，要求學生具有較高的實踐能力、應用能力。課程的教學效果對學生的知識結構、專業知識和技能掌握等方面有著深遠影響。傳統開設的“乳品分析與檢測”實驗內容主要以驗證性實驗為主，內容局限在既定的教材框架中，實驗方法和操作步驟均遵循“實驗指導書”，導致學生在實驗訓練中缺少主觀能動性，阻礙學生在實驗中構建科學思維，不利于學生實踐能力的培養。在傳統實驗教學中，學生在規定的地點、有限的時間內進行實驗，按照實驗指導書所指定的操作流程進行實驗，大大限制了學生的創新能力[5]。提高乳品專業學生的專業素養、實踐能力已迫在眉睫，對現有的“乳品分析與檢測”實驗教學模式進行改革已勢在必行。

將“互聯網+”虛擬仿真技術與“乳品分析與檢測”實驗課程相結合，開發液相色譜仿真實驗平臺，再現液相色譜儀實驗室環境和實驗操作過程，并對數據進行分析和討論，得出仿真結果。虛擬仿真平臺高的構建有效地加大教育裝備力量，彌補液相色譜儀和質譜儀等大型儀器設備的嚴重不足，同時可保證每個學生都作為實驗人員參與其中，提高了實驗的挑戰性和難度，使每個學生都主動思考、積極實踐，增強了學生學習的主動性和創新性，造就符合時代背景的創新型專業人才。

2.1 傳統實驗教學存在的問題

學習課程理論知識體系需要通過實驗教學的方式加以實踐、驗證和補充。實驗教學增強學生動手能力的同時可以給學生提供自主思考的機會，還可以激發學生的創新能力、喚起學生對課程的興趣，做到理論與實踐的緊密結合。隨著科學技術的發展，普通的理論教學方式已不足以提升學生的學習興趣。同時在實際教學過程中，基礎理論抽象難懂、實驗所需的儀器設備結構復雜、教學條件不夠完善等問題難以解決，導致學生理解不夠到位，實驗經驗欠缺，動手能力不足，獨立思考的能力受到限制。與將學生培養成為高素質應用型人才的目標還有一定距離。

2.2 缺少實驗儀器

“乳品分析與檢驗”是一門與實驗密切結合的學科，實驗項目繁多。完成實驗不僅需要多種儀器、設備的支持，還需要大量的時間、空間及精力。多種因素限制下，學生難以掌握實驗技術。隨著科學技術的發展，一些用人單位相繼購置了一些高精尖設備和精密儀器并投入使用。對于大多數高校而言，場地、經費不足，而這些設備的價格昂貴、占用空間大、需要定期支付高昂的維護費，因此缺乏購置這些儀器的條件，導致實驗項目無法順利進行。除此之外，一些儀器雖已在高校中投入使用，但由于結構復雜、難以拆卸，大大浪費了學生為數不多的實驗時間，教師枯燥無力的講解也無法使學生充分掌握實驗技能[6]。

2.3 教學條件的制約

隨著各高校招生規模的不斷擴大，教學資源對于每一位學生來說變得更加有限。實驗材料投入不充分，實驗場地擁擠，因此指導實驗的教師通常會將學生分組進行實驗。一般每個小組中有5～6 名學生，分工合作，相互協助完成實驗項目。在實驗過程中，動手能力強、積極主動的學生完成工作較多，但另一部分學生缺少主動性和動手能力，參與完成的實驗內容較少，甚至有的學生沒有動手參與實驗的機會。對于大型儀器，高校購置并投入的數量少，讓每個學生都能夠參與到大型儀器的實驗中難上加難，通常只能通過演示實驗的方式對學生進行分組講解。在演示實驗的過程中，大型儀器的結構組成及功能更為復雜精密、演示時間有限，教師只能抓緊時間為每一組的學生一遍又一遍籠統地講解，學生很難理解抽象的講解。演示實驗進行的場所一般都存放大型儀器，空間狹小，有些學生不能看到完整的講解過程，各類因素共同阻礙學生充分理解實驗過程。

2.4 實驗單一，學時不足

大多數高校的實驗課都是指導教師事先選好實驗項目，確定實驗方法，制定實驗方案，然后確定實驗步驟。由于學生實驗學時不足、缺少實踐經驗、學校實驗材料有限，為節省時間和實驗藥品，實驗過程中所用的試劑需要實驗技術人員提前配制，實驗儀器也需要提前調試，大大減少了學生動手的機會[7]。在上實驗課的過程中，指導教師先給學生講述實驗原理，再解說實驗步驟，學生利用剩余的時間，按照教師給出的實驗步驟按部就班地完成實驗。在整個教學過程中，學生很少積極地獨立分析和思考每一個實驗步驟的作用，很少考慮藥品的添加順序及劑量，在實驗結果與理論結果不一致時，也很少主動思考導致實驗出現誤差的原因。學生在實驗教學過程中，獨立思考的能力沒有得到鍛煉，自主創新的能力也沒有被激發。

2.5 設備精密復雜、抽象難懂

“乳品分析與檢測”中有許多實驗項目，某些需要的實驗設備結構精密復雜，分析不同樣品時可調參數眾多，即使指導教師當場進行實驗演示，對設備運行原理進行解釋說明，學生也很難理解設備內部的結構和運轉機理。在教師講解的過程中，需要學生充分發揮抽象思維、構想設備內部結構、緊跟教師講解思路才能加深對儀器工作原理的理解[8]。

3 虛擬仿真技術在乳品分析與檢測實驗教學的應用

“乳品分析與檢測”實驗課程中乳品添加劑、獸藥殘留、農藥殘留和生物毒素等物質的檢測，均可采用高效液相色譜技術進行精準的測定，通常色譜類儀器價格昂貴，多數高校存在臺套數不足的情況，且實驗過程繁瑣復雜，涉及樣品前處理、儀器參數設置、儀器操作等方面，因此不能保證學生能夠親自動手操作，導致學生不能更好地掌握這類知識，就更需要采用虛擬仿真技術來提升學習效果。因此，將虛擬仿真技術與“乳品分析與檢測”實踐教學相結合，開發虛擬仿真實驗平臺，真實再現液相色譜儀等實驗室環境和實驗操作過程，讓學生通過對模擬設備進行操作，實現知識與實踐的高效結合，增強學生的實驗技能[9]。

3.1 基礎知識教育虛擬仿真

首先，對于基本的理論知識教育，通過三維動畫的形式清晰地展現液相色譜儀的工作原理、實驗內容、操作流程、理論知識、注意事項等進行具體的講解。例如，高效液相色譜的主要構造由進樣系統、高壓輸液系統、檢測器系統及色譜柱系統等組成[10]，都會以三維動畫的形式呈現出來，學生可以更直觀地理解儀器的構造及其作用。包括抽象難懂的實驗原理，也可以通過極具趣味性的講解和動畫更加生動清晰地傳達給學生。基礎知識教育部分主要以演示為主，為加強學生對知識點的掌握，要建立關于高效液相色譜的知識點題庫，學生可通過反復的練習不斷鞏固，將知識點注意事項等熟練掌握，以達到牢記于心的目的。

3.2 虛擬仿真實驗學習系統

實驗學習系統是在學習了基礎知識教育的基礎上，學生掌握了實驗的原理、目的、操作流程、數據處理等，然后進行實驗的虛擬操作訓練。首先，在訓練初期針對一些重點操作有一定的操作提示，在操作過程中從有提示到無提示逐漸過渡，加深對于實驗操作的認知，更加熟練地完成實驗項目。學生可以利用虛擬仿真系統按實驗需求配置任意濃度的標樣，根據實際情況完成單標、混標配樣，也可以對流速、波長、色譜柱溫度等眾多參數進行調節，達到實驗所需標樣的條件[11]。通過一系列色譜儀操作后得出數據、繪制色譜曲線，學生對數據進行處理分析完成實驗報告。虛擬實驗訓練結束后，學生可以選擇繼續練習也可以通過測試系統進行測試，學生可根據答題情況了解自己的薄弱環節，教師也可以通過后臺掌握學生的學習情況和學習進度，了解學習過程中的難點。

3.3 虛擬仿真教學效果評價

教學效果是評價虛擬仿真教學模式的重要依據，在實驗教學過程中，不僅要重視其過程性評價而且要注重其終結性評價，建立以人為本的多元化教學評價機制[12]。傳統的考核中，實驗理論部分可通過試卷的形式進行考核，對于實驗操作技能需要使用實驗儀器完成考核，不僅花費大量的時間、耗費實驗材料、占用實驗場地，而且增加了教師的工作量。首先對于基礎知識部分，學生需要在課前提前預習完成，通過學生觀看視頻的時長，是否完成相關學習任務進行評分。實驗測試模塊考核貫穿全程，在操作過程中對錯誤操作進行警告，根據操作的錯誤嚴重程度扣分。實驗操作結束后，在實驗報告中對所得數據進行處理分析[13]。教師通過實驗報告對學生的數據進行打分。以上3 個部分形成學生該課程的過程性考核成績，最后再與期末考試成績相結合，得到最終成績。

4 結語

虛擬仿真教學輔助傳統實驗教學是當今實驗教學的趨勢。高相液相色譜儀是結構復雜的分析儀器，是乳制品中三聚氰胺等有害物質測定的關鍵技術。利用虛擬仿真技術建立液相色譜儀的虛擬實驗室，在課堂上，虛擬實驗室可以更加生動詳細地展示液相色譜儀各部分構造，以及操作要點，學生更容易理解課堂內容，對儀器更加了解。課后，學生可以借助虛擬實驗室反復練習達到熟練掌握液相色譜儀的各項規范操作，鞏固知識點。虛擬仿真實驗室可以彌補實驗儀器的不足并提升實驗效率，學生和教師都應轉變思想，適應虛擬仿真教學的新模式。