淺析虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《食品安全性評價》課程中的應用

◎ 陳鳳真，趙貴紅，李 霞，劉 建，康曉飛

（菏澤學院農(nóng)業(yè)與生物工程學院，山東 菏澤 274015）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）是集計算機技術(shù)、人機交互技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種技術(shù)于一體的一種現(xiàn)代化技術(shù)，以計算機仿真技術(shù)為核心，使用數(shù)字化方式創(chuàng)造和模擬現(xiàn)實世界的虛擬環(huán)境，通過模擬人在現(xiàn)實世界中的感知交互行為，讓使用者可以利用特定設(shè)備在一定范圍內(nèi)進行臨場環(huán)境感知和仿真交互操作的人機交互技術(shù)[1-2]。①虛擬現(xiàn)實技術(shù)是教育再次革新的推動劑，通過模仿現(xiàn)實世界的環(huán)境，結(jié)合學習者對現(xiàn)實世界的觸覺、視覺、聽覺，借助設(shè)備對虛擬環(huán)境中的物體進行交互體驗，可以使學習者獲得身臨其境的沉浸感。②虛擬現(xiàn)實技術(shù)可使課程理論學習內(nèi)容更直觀生動，提高學習者技術(shù)知識的運用、操作技巧和理解能力。③虛擬現(xiàn)實技術(shù)可解決傳統(tǒng)實踐課程的成本高、不安全、實踐教學難等問題，提高實踐課程安全性，解決實踐教學資源普遍不足的現(xiàn)實問題，大大激發(fā)學生的學習興趣，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

《食品安全性評價》通過運用現(xiàn)代學理論，結(jié)合流行病學調(diào)查分析，闡明食品或食品中特定物質(zhì)的毒性及其潛在危害，預測人體接觸后可能對人體健康產(chǎn)生影響的性質(zhì)和強度，繼而提出食品安全風險和預防措施。總體來說，《食品安全性評價》是一門理論與實踐緊密結(jié)合的綜合交叉學科[3]，涵蓋分析化學、現(xiàn)代生物學、生物化學、病理學、藥理學、法學、遺傳學、環(huán)境學、免疫學、毒理學及流行病學等多門學科的理論知識，往往作為專業(yè)核心課程，用于食品領(lǐng)域人才的培養(yǎng)。菏澤學院牡丹學院食品科學與工程專業(yè)屬于工科專業(yè)，學生對生物化學、微生物學、分析化學、儀器分析課程具有一定的學習基礎(chǔ)，但對于生物學、病理學、環(huán)境學、管理學、動物解剖學、免疫學、流行病學等方面知之甚少，甚至是零基礎(chǔ)。同時，《食品安全性評價》理論知識抽象、深奧難懂，實驗受到儀器設(shè)備、安全、教學經(jīng)費等影響，難以開展。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠解決教學過程中存在的這些問題。教育部在《關(guān)于 2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的通知》（教高函〔2017〕4 號）中明確提出，要以全面提高高校學生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，在日常教學活動中積極引入虛擬仿真實驗教學方式，提高教學實效[4]。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到《食品安全性評價》課程中迫在眉睫。

1 影響《食品安全性評價》教學的制約因素

《食品安全性評價》作為許多高校食品院系的一門主干課程，包含內(nèi)容多，如毒理學基礎(chǔ)知識、動物實驗基礎(chǔ)知識、毒理學試驗、危險性評估、4 大類食品（新資源食品、輻照食品、轉(zhuǎn)基因食品和保健食品）安全性評價、食品添加劑和食品工業(yè)用酶及食品包裝材料安全性評價。然而，受學時、經(jīng)費和空間的影響，與其他學科相比，《食品安全性評價》發(fā)展較緩慢。

1.1 理論教學

（1）《食品安全性評價》是在食品毒理學基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，教學內(nèi)容多、難點多，且涉及學科多、深奧難懂，學生在學習過程中比較吃力，易產(chǎn)生厭煩情緒。

（2）在教學過程中，教師每年向?qū)W生灌輸同樣的理論知識，因知識抽象分散、理論性強，學生接受知識比較被動，因此，學生和教師的積極性都不高。

（3）因課時限制，授課教師為了按時完成教學任務，難以有效開展專題討論和拓展相應的內(nèi)容，對部分內(nèi)容甚至一語帶過。學生難以深入理解，教學質(zhì)量不高，導致《食品安全性評價》理論教學缺乏活力，難以促進食品專業(yè)課程的發(fā)展。

1.2 實驗教學

《食品安全性評價》課程內(nèi)容多，其中，毒理學內(nèi)容占一大部分，實踐性和應用性均較強。實踐教學是培養(yǎng)高素質(zhì)應用型人才的高效載體，可以為食品安全性評估和監(jiān)控提供詳細和確鑿的理論依據(jù)。《食品安全性評價》實踐教學以動物實驗為主，因客觀條件限制，大部分實驗以觀看視頻或者模型為主進行學習，教學效果不突出。

實踐教學需要更多地滿足學生動手能力的要求，盡可能讓每個學生都有機會動手實踐。然而，由于課時設(shè)置少、師資力量薄弱、實驗室與儀器設(shè)備不足等現(xiàn)實原因，無法滿足該課程的要求和學生實踐效果，主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）食品安全性課程實驗對象一般為實驗動物，需要一定的經(jīng)費購買實驗動物，且要有符合養(yǎng)殖實驗動物的環(huán)境條件、專門飼養(yǎng)人員，因此，實驗成本高，且在操作過程中有一定的危險性。例如，在實驗動物的抓取或?qū)嶒灢僮鬟^程中，操作人員可能被抓傷或咬傷；實驗結(jié)束后，實驗動物的處置易造成環(huán)境污染或引發(fā)道德倫理問題。

（2）實驗周期長，如保健食品的安全性評價需要幾個月甚至一兩年的時間；一些學生對動物有抵觸情緒，有可能會因為過度緊張以及恐懼失手將實驗體致死或傷殘，導致實驗失敗，對課程的教學產(chǎn)生阻礙，同時也會給學生帶來一定程度上的心理壓力，進而對學生的實驗效果產(chǎn)生不利影響。

（3）缺乏實驗設(shè)備，或?qū)W生因操作不當造成貴重精密儀器損壞；實驗成本較大，使實驗難以進行，教師多采用演示性實驗并進行實驗解說。

（4）動物實驗內(nèi)容包括實驗設(shè)計、喂藥或注射、觀察動物狀態(tài)、解剖等，涉及方面廣，單純用實驗視頻進行講解，有的學生不能完全理解整個實驗的操作過程[5]，學生也會因?qū)嶒炓曨l的枯燥，無法集中注意力，實驗教學效果較差。

（5）動物實驗與人類疾病存在劑量、樣本數(shù)量及人群敏感性差異[6]，因此，動物實驗結(jié)果具有很大的不確定性。例如，實驗動物和人對外源化學物的反應敏感性不同，有時甚至存在質(zhì)的差別。雖然在毒理學實驗中通常用2 種或2 種以上的動物，并盡可能選擇與人對毒物反應相似的動物，但要完全避免物種差異是不可能的。此外，實驗動物不涉及主觀感覺的毒效應，如疼痛、腹脹、疲乏、頭暈、眼花、耳鳴等，從而影響教學效果。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《食品安全性評價》課程中應用的優(yōu)勢

①采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠創(chuàng)設(shè)一個更簡單易懂、條理化的教學環(huán)境，實時模擬理論知識的相關(guān)流程，將原來較為簡單的現(xiàn)場講解變得更加深入，從而構(gòu)建一個完整的知識體系，使內(nèi)容具有一定的系統(tǒng)性和理論深度，引導學生進行更深入的思考，增強學生對《食品安全性評價》知識點的理解，拓寬學生的知識視野，鍛煉學生對于專業(yè)知識的應用能力。②虛擬仿真技術(shù)能夠避免用真實的動物進行實驗，模擬實驗環(huán)境，不僅能夠使學生獲得動物實驗的基本操作技能，還能減輕學生的心理壓力，縮短實驗時間，減少實驗成本，提高安全性，避免貴重精密儀器損壞。此外，虛擬仿真技術(shù)能夠激發(fā)學生的學習興趣，提高學生創(chuàng)新實踐能力[7-8]。

2.1 有利于學生強化知識，全面理解問題

《食品安全性評價》課程內(nèi)容多、難度大，對于掌握不熟練的實驗，學生可以重復觀看虛擬仿真教學系統(tǒng)的視頻，強化知識點，準確分析問題，減少實驗操作失誤。在傳統(tǒng)的教學過程中，當多名學生同時提出問題時，教師難以快速解答每個學生的問題。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到《食品安全性評價》課程中后，學生可以通過系統(tǒng)的師生溝通渠道發(fā)起提問，不受時間或地理位置的限制，后臺有多位教師同時解答，使學生更快速全面地理解問題。

2.2 拓寬學習范圍，沉浸式學習

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到《食品安全性評價》課程中，虛擬仿真教學系統(tǒng)可以拓寬學生的學習范圍，將相關(guān)知識條理化；通過動畫界面可以向?qū)W生展示動物實驗的真實環(huán)境，讓學生根據(jù)動畫提示逐步探索實驗操作步驟，加強學生的學習效果[9]。

2.3 有利于拓展實驗思路和設(shè)計實驗

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以條理化地展現(xiàn)《食品安全性評價》的實驗思路與實驗設(shè)計步驟，從而極大提高學生的學習興趣和主動性，有利于學生理解實驗步驟，使學生進一步鞏固實驗流程，加深他們對實驗步驟的理解與操作，為實際操作奠定基礎(chǔ)[10]。

3 結(jié)語

總之，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能有效補充、延伸《食品安全性評價》理論課程，更為有效地開展實驗課程，提升學生學習效果，帶動食品類相關(guān)實踐實訓課程教學模式的創(chuàng)新，激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量。