虛擬仿真技術在食品專業實驗教學中的應用

黃程

摘 要 液相色譜作為一種應用廣泛的現代儀器分析方法，在食品領域發揮著重要作用。然而，傳統的液相色譜實驗教學資源有限、模式單一、過程難以監控，效果欠佳。虛擬仿真教學作為一種新的實驗教學手段，在高校實驗教學中應用較多。文章以液相色譜為例，從傳統實驗教學現狀和虛擬仿真技術的優勢出發，探索虛擬仿真技術在食品專業實驗教學中的具體應用；利用液相色譜虛擬仿真軟件功能模塊，采取虛實結合的教學方式，培養學生的實驗技能以及自主學習和創新能力，為食品專業實驗教學改革提供參考。

關鍵詞 虛擬仿真；實驗教學；液相色譜；食品分析

中圖分類號：G642?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.7.012

Research on Application of Virtual Simulation Technology in

Experimental Teaching of Food Major

——Taking Liquid Chromatography as an Example

HUANG Cheng

（College of Food Science and Technology， Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）

Abstract Liquid chromatography， as a widely used modern instrument analysis method， plays an important role in food science research. However， the traditional experiment teaching resources of liquid chromatography were insufficient. And the teaching mode was single， while the teaching process was difficult to monitor and the teaching effect was not good. As a new experimental teaching method， virtual simulation technology had been developed and applied rapidly in college experimental teaching. Based on the present situation of traditional experiment teaching and the advantages of virtual simulation technology， this paper took liquid chromatography virtual simulation software as an example to explore the application of virtual simulation technology in food major. By using the function module of this software and combining virtual-real teaching method， the students' experimental skills， independent learning and innovation ability would be cultivated， which provides reference for the experimental teaching reform of food major.

Keywords virtual simulation; experimental teaching; liquid chromatography; food analysis

隨著現代信息技術的發展和實驗教學信息化的推進[1]，虛擬仿真實驗在醫學、生物學、建筑學等專業得到了廣泛的應用[2]。虛擬仿真實驗作為一種新的實驗教學手段[3]，將傳統的實驗教學和信息技術、互聯網技術有機結合起來，極大地推動了實驗教學的改革。

食品專業實驗教學內容應用性強，是學生掌握食品分析技術手段和食品研發技能的重要方式。食品科學研究的各個環節都離不開食品分析技術的支持。高效液相色譜作為一種靈敏度高、應用廣泛的現代儀器分析方法，由于其檢測的精確程度高，可靠性強，在食品分析及安全檢測領域發揮著重要作用。許多高校都非常重視這類實驗教學[4]，但由于液相色譜設備價格昂貴、損壞維修成本高，在高校內配備的數量往往非常有限，且相關操作要點和可調劑參數眾多，僅靠課堂學習很難使每個學生都掌握，教學效果不佳。因此，如何讓學生熟練掌握高精儀器的操作方法和使用技巧并應用到科學研究中，是當前食品專業實驗教學中亟須解決的一個問題。而虛擬仿真實驗的引入，就是一個很好的解決辦法。

1? 傳統實驗教學現狀

1.1? 教學資源、條件有限

類似于液相色譜這樣的大型精密儀器設備，由于經費投入的限制，可供教學使用的臺套數比較有限，一般只能采取演示性教學和分組練習，學生很難進行獨立、完整的操作，無法準確認知其使用原理，學習過程僅停留在理論本身，實驗教學效果不理想。且絕大部分部件無法拆卸，不能直接觀察內部結構，導致學生對設備工作原理了解不夠全面，無法有效掌握準確的使用方法。同時，由于時間和空間的限制，很少有學生在實驗課前有機會進入實驗室進行預實驗，或在課后進行強化練習。學生在不熟悉的情況下進行操作，可能造成儀器損壞，甚至發生安全事故。

1.2? 教學模式和方法比較固定

傳統的液相色譜實驗，由于操作的復雜性，采用的教學方式通常是教師講解、演示，學生在教師的指導下練習。整個過程模式比較固定，且基本以教師為主[5]，學生只需要按照既定的實驗步驟完成關鍵性操作即可。對于影響色譜分離效果的眾多因素和參數設置，在課堂上很少涉及。實驗內容的綜合設計性、創新性不強，學生參與感較低、興趣度不高，思考空間較少，缺乏主動性和創造性，無法體現“以學生為中心”的教育理念。

1.3? 學習過程難以監控

目前，實驗課程多采取小班教學，但即便如此，一位教師仍需同時面對20―30個學生，無法完全兼顧每個學生的學習情況，特別是對于液相色譜這樣操作步驟多、分析過程較為煩瑣的復雜設備，學習過程難以得到有效的監控，嚴重影響教學反饋和評價。

2? 虛擬仿真實驗教學的優勢

基于虛擬技術構建的高效液相色譜虛擬仿真實驗能高度仿真虛擬實驗環境與實驗物體，將傳統實驗教學和虛擬化環境深度融合，具有很強的實用性、先進性，可以提高實驗教學效率，節約實驗教學成本，促進實驗教學改革，為人才培養提供技術支持。

2.1? 構建了虛實結合的教學模式，提升教學效果

堅持“能實不虛”的原則和“以虛補實”“以虛促實”的理念，利用線上虛擬資源和線下實驗室資源，采取虛實結合的實驗教學模式。在線上虛擬仿真實驗中，通過3D動態方式模擬實現教學實驗室的場景和過程，讓學生直觀生動地了解液相色譜儀的內部結構和工作原理，熟悉操作流程，提高系統認知。在線下實驗課程中，進行真實實驗操作，使學生快速從虛擬走向現實，提升實驗領悟能力和儀器操作能力。實驗結束后，學生還可繼續開展線上強化練習，加深對儀器操作方法的熟悉程度，有效提高學習效率。同時，可借助虛擬平臺教學過程管理系統，對學生的學習動態和學習效果進行監測和評價，教師可從中了解學生對色譜分析方法的掌握情況，并及時給予指導，提升實驗教學效果。

2.2? 節約了教學資源，實現教學效益的最大化

液相色譜造價昂貴、維護成本高，開展實驗所需試劑、耗材價格不菲，部分化學試劑毒性大、對環境污染嚴重。虛擬資源可不受實踐環節教學場地、設備的限制，減少因傳統實驗操作不當帶來的損耗，大大降低了試錯成本，節約資金，最大限度地優化了教學資源，實現了低損耗、低污染的綠色教學[4]，解決了設備短缺、維護費用高，以及安全性等方面的問題。

2.3? 培養了學生的自主學習能力和創新能力

液相虛擬仿真實驗可模擬多種不同條件下的實驗情境，還原液相色譜實驗過程中樣品前處理、儀器分析、數據處理等全過程。學生可根據自身情況自主選擇學習模塊，有針對性地進行練習，并就液相色譜儀中各種可調節參數進行反復學習，領悟流速、溫度、流動相種類和比例等因素對色譜分離效果的影響，鍛煉學生的獨立思考和創新能力。

3? 高效液相色譜虛擬仿真軟件在實驗教學中的具體應用

以高效液相色譜法測定食品防腐劑為例，我們選擇了一套液相色譜虛擬仿真軟件，該軟件面向學生的操作系統主要包括理論知識、實驗試劑配制、樣品測定三大模塊，見圖1。

理論知識模塊：借助3D動畫、多媒體演示文稿等方式介紹液相色譜理論知識和儀器組成單元，如高壓輸液系統、進樣系統、分離系統和檢測系統等，見圖2。

實驗試劑配制模塊：涵蓋實驗過程中所需要的提取、除雜的溶液及流動相配制仿真。

樣品測定模塊：此模塊為核心模塊，部分操作界面見圖3。選取十種典型樣品，涵蓋一般性食品、含膠基的果凍糖果試樣、高油脂類樣品等所有類型，采取不同的前處理方法，讓學生針對具體類型學會具體分析；結合色譜分離理論，模擬高效液相色譜儀及工作站的使用，創建色譜分離方法，設定進樣量、洗脫條件、流速、柱溫、檢測波長等參數，獲取實驗數據及圖譜，并對實驗數據進行處理，設置積分條件，創建數據處理方法，繪制標準曲線，定量分析。針對每種不同類型的樣品，預設不同的實驗結果，查閱相關資料，判斷其添加量是否符合規定。

學生利用虛擬系統的三大模塊，在完成關于色譜分離理論等相關知識的學習后，針對某一類型具體的食品樣品，模擬高效液相色譜法測定食品中防腐劑的全過程，提交實驗報告。其中，在溶液配制模塊有針對性地準備樣品前處理及定量分析所需的各種溶液及流動相，以備后續使用；在樣品測定模塊模擬真實實驗過程中制備、稱量、提取、測定等操作流程，并在色譜分離測定過程中模擬高效液相色譜儀開機、流動相更換、灌注排氣泡、連接色譜柱、創建儀器方法（含參數設定）、平衡色譜柱、編輯序列、運行序列，以及數據處理（含處理方法建立）等儀器操作方法；涵蓋食品中防腐劑測定中全類型樣品以及全過程操作。學生通過虛擬仿真實驗，即可在線完成高效液相色譜儀的使用及維護學習，熟悉高效液相色譜儀模塊結構，掌握儀器的使用方法及數據處理方法，創造性地開展實驗，提高對大型儀器設備的應用能力。

4? 高效液相色譜虛擬仿真實驗實施過程

4.1? 虛擬仿真教學

課程開始前，教師利用虛擬仿真平臺的開放功能，發布學習任務，學生提前進入平臺，開展自主學習，結合系統內資源熟悉實驗教學的目的、內容、原理、方法步驟等，對液相色譜儀的組成結構、分離檢測原理、基本操作流程形成初步印象。

虛擬仿真教學時，結合理論知識對關鍵操作單元進行介紹，學生再自主選擇平臺上不同類型的樣品進行液相色譜虛擬仿真實驗，按照實驗步驟完成交互操作。實驗過程將被拆解為溶液配制、樣品預制、稱量、提取、標準溶液制備、含量測定（即色譜分析）等多個步驟，每個步驟設定目標達成得分值，可根據得分情況判定學習效果。同時，學生通過改變色譜條件，直觀感受不同參數對色譜峰保留時間、峰面積大小的影響，彌補傳統教學中“理論有余，實踐不足”的遺憾。經過反復的練習操作后，學生可熟練地掌握操作要求，對色譜分離理論也有了更深的認識。

4.2? 實體實驗教學

經過虛擬仿真操作練習后，教師再進行實體實驗的操作，真實展示儀器設備的使用方法。通過對前期教學內容的回顧，邊講解邊演示液相色譜儀的操作，并讓學生選擇常見食品樣品按照實驗方法進行液相色譜分析。學生從虛擬操作到實踐操作，上手會更加容易，完成更加快速。

5? 結語

傳統液相色譜實驗教學設備成本高、教學效率較差，無法滿足當前實驗教學的需求。依托虛擬仿真實驗教學項目，對現有實驗教學資源和虛擬仿真教學資源予以整合，實施傳統實驗與虛擬仿真實驗聯合教學，打破傳統實驗教學邊界[6]，拓展實驗教學內容的廣度和深度，對傳統教學起到補充作用，實現理論與實踐的有機融合。同時，提高學生綜合分析及解決問題的能力，為學生今后從事食品及相關產品質量管理與安全控制、科學研究等工作奠定實踐基礎。

基金項目：2022年湖北省高等學校實驗室研究項目（HBSY2022-060）。

參考文獻

[1] 龔成斌，曹雅儀，王強，等.虛擬仿真實驗教學的需求現狀——基于西南大學虛擬仿真實驗教學需求問卷調查分析[J].西南師范大學學報（自然科學版），2019，44（11）：155-160.

[2] 陳彬，郜振華，徐宏，等.我國虛擬仿真實驗教學的研究現狀分析及對策建議[J].中國現代教育裝備，2023（15）：30-32，41.

[3] 張燕，奚春宇，郭娜，等.食品科學“虛擬仿真”實踐教學平臺的建立[J].農產品加工，2022（6）：112-115.

[4] 王曉玲，劉海燕，施治國，等.液相色譜虛擬實驗教學探索[J].西南師范大學學報（自然科學版），2019，44（11）：151-154.

[5] 孫欣，鄭振佳，郭騫歡，等.色譜技術“虛實結合”實驗教學模式和方法探索[J].中國多媒體與網絡教學學報（上旬刊），2022（2）：65-68.

[6] 亞春林.高校虛擬仿真實驗教學的思考[J].現代職業教育，2022（25）：40-42.