虛擬仿真教學技術在食品專業(yè)類實驗教學的發(fā)展建設

食品專業(yè)類學科教育旨在全面培養(yǎng)新型創(chuàng)新實踐能力、提高學生的綜合素質與行業(yè)競爭力，側重培養(yǎng)學生的學習認知與習慣，堅持以立德樹人為基本，建設高質量教學體系，辦好人民滿意的教育。隨著社會經濟的不斷發(fā)展，科學技術的飛速迭代，針對傳統(tǒng)的食品專業(yè)類的實驗教學環(huán)節(jié)，由于基礎實驗設備成本較高，體積較大，很多高校不具備完善配套的實驗設施，導致學生缺乏足夠的實踐經驗。

虛擬仿真實驗教學作為近年來新興的一種實驗教學方法，是以計算機網絡為核心，利用多媒體、人機交互、“互聯(lián)網+”和虛擬現(xiàn)實等技術，通過創(chuàng)立計算機軟件的方式給學生搭建一個高度仿真的虛擬實驗平臺，為學生提供一個生動、有趣的學習環(huán)境，具有高效、安全、低成本等優(yōu)點。近年來，虛擬仿真實驗教學作為一種新興的實驗教學模式，在食品專業(yè)類的各個方面的教學都有非常廣泛的運用。通過以虛擬現(xiàn)實的技術搭建一個虛擬實驗教學平臺，創(chuàng)新實驗教學新思路，改進實驗教學方式，可以使傳統(tǒng)較為單調、乏味的實驗教學模式變得更加生動有趣，不僅能激發(fā)學生的自主學習興趣，還可以使學生更加方便、高效地學習，大大提升食品專業(yè)類實驗教學的質量。此外，虛擬仿真教學體系更加多元化、個性化，可以滿足不同條件下的教學需求，為社會培養(yǎng)更具創(chuàng)新、實踐能力的人才，促進人才全面發(fā)展，提高社會生產力和競爭力。

1.虛擬仿真實驗教學在食品專業(yè)類實驗教學中的優(yōu)勢

1.1 降低教學成本，提升教學質量

傳統(tǒng)的食品專業(yè)類的實驗教學由于所需要的化學試劑、儀器的種類繁多，同時線下實驗教學受時間、空間等條件的限制，學生在實驗學習過程中難以充分掌握相關實驗的原理以及操作方法。此外，在當前階段，隨著高精設備與科學技術的不斷進步和發(fā)展，運用于傳統(tǒng)教學的實驗設備往往存在價格昂貴、體積占比大、維護成本高等問題。食品專業(yè)類實驗教學科目較多，所需要的實驗設備種類繁多，并且由于受各種教學資源條件的限制，難以滿足實驗開展的全部器材。在安排實驗學習時，也受各種因素制約，使學生自主開展實驗的條件受限，導致傳統(tǒng)的線下實驗教學模式難以滿足現(xiàn)代全方位的實驗教學。

而虛擬仿真實驗教學是通過計算機網絡教學的新方式，將虛擬現(xiàn)實技術引入到課程實驗教學中，相較于傳統(tǒng)的線下實驗教學，以虛擬仿真實驗教學為輔助的教學方式使實驗教學更加生動、有趣、直觀、便捷，同時也避免了線下實驗教學受儀器設備、時間、空間、資金等條件的限制，可以高效改進傳統(tǒng)實驗教學所面臨的窘境，大大降低實驗成本、節(jié)約教學時間、降低實驗風險、完善教學內容。虛擬仿真技術作為一種新興的輔助教學手段，通過虛擬現(xiàn)實的技術模擬完整實驗，包括實驗目的、原理、操作過程、數(shù)據(jù)處理、結果現(xiàn)象等，不僅能幫助學生在沉浸式的虛擬仿真學習環(huán)境中加深學習印象，充分學習到傳統(tǒng)實驗教學所難以滿足的相關教學內容，還可以增強學生的學習興趣，提高教學質量。

1.2 重現(xiàn)“真實”實驗場景，增強學習互動性

大多數(shù)食品實驗教學的設備較復雜，無法直觀展示實驗設備內部構造，教師講解起來較為抽象，學生也難以深入學習了解實驗設備的運行操作原理以及相關零件的組裝方式，只是淺顯地學習了該實驗儀器的使用方法，而不清楚其背后的原理，難以滿足高校為培養(yǎng)應用型、技術性、創(chuàng)新型人才的目的，影響實驗教學的效果與質量。

基于計算機和網絡的虛擬仿真實驗教學平臺，其主要教學內容包括：3D模型、2D操作運行、問答互動、計算仿真等，拓寬了傳統(tǒng)實驗教學的知識面，幫助學生更加充分掌握實驗原理與操作步驟。同時，便于學生在課下利用空閑時間根據(jù)個人的學習節(jié)奏來把握學習進度。虛擬仿真實驗教學技術，利用已經搭建好的仿真教學軟件，將教學中相關實驗的目的、原理、加工設備、工藝流程以及物料衡算等環(huán)節(jié)通過軟件運行于網絡操作平臺上，方便學生對實驗操作的學習理解，既貫穿于實驗教學的全過程，又落實到具體的操作步驟中。此外，虛擬仿真實驗還可以為學生提供形象直觀、內容豐富的學習條件。通過新形式的虛擬仿真實驗教學，不僅可以增強學生的自主學習興趣，調動他們的學習積極性，還可以增強學生對于實驗工序的熟悉和實驗原理的理解。

1.3 實驗條件易控，提高實驗效率

在傳統(tǒng)的食品專業(yè)類實驗中，由于受實驗室的硬件設施以及開放程度的限制，難以充分滿足實驗教學的需要。對于一些高端精細的實驗設備，盡管教師在實驗教學過程中反復講解，也很難保證參與實驗的每個同學都能充分掌握。這些設備由于精細化程度較高，在實驗過程中若操作不當很容易導致設備損壞，并且維修成本較高、耗時較長，致使一些研究型、創(chuàng)新型實驗開展受限。此外，在食品專業(yè)類實驗教學過程中，很多實驗開展條件較為復雜，實驗操作過程較為繁瑣，不易控制。而基于計算機網絡的虛擬仿真實驗，學生可以在仿真操作軟件中根據(jù)具體實驗所需條件，自由輸入實驗所需的參數(shù)，避免了由于各種客觀條件影響導致的實驗條件不穩(wěn)定，提高了控制率，有效解決了某些實驗因實驗周期長、客觀因素影響多等問題，大大提高了實驗效率。此外，在虛擬仿真實驗中，可避免線下實驗的各種試劑、儀器、操作不當所帶來的危險，可大大保障學生的實驗安全，保證實驗過程協(xié)調可控。另外，在虛擬仿真操作平臺上，學生對于實驗的重（難）點部分可以重復訓練，以期達到可靠的實驗結果，不僅能有效降低實驗成本，提高實驗安全性，而且還便于學生對于實驗的學習掌握。

2.實驗教學的虛實結合模式

2.1 課前準備工作

教師可根據(jù)教學計劃，通過各種教學程序，如“雨課堂”“學習通”“智慧樹”等APP，在課前給予學生教學相關的資料，如電子講義、實驗報告、參考文獻、實驗操作視頻等資料。同時，可依據(jù)教學安排布置相應的學習任務，引導學生進行實驗前的準備工作，幫助學生學習實驗的目的、原理、操作步驟以及相關儀器的使用方法，便于開展后續(xù)的實驗教學。

2.2 虛擬仿真實驗教學

在新時代科學技術發(fā)展日新月異、互聯(lián)網技術飛速發(fā)展的外部環(huán)境下，實施科教興國戰(zhàn)略、強化現(xiàn)代化建設人才支撐的教育大背景下，辦人民滿意的教育，完善科技創(chuàng)新體系，堅持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設全局中的核心地位。深化科技改革，加大多元化科技投入。以全面培養(yǎng)高校學生的自主創(chuàng)新能力，加快建設高質量教學體系為宗旨，鼓勵學生自由主動探索，推動虛擬仿真技術在教學領域的深度運用。虛擬仿真實驗教學是利用人機交互、多媒體、“互聯(lián)網+”、傳感器、虛擬現(xiàn)實等技術搭建的一個高度逼真的計算機網絡虛擬實驗平臺，在高度仿真的環(huán)境中完成現(xiàn)有線下實驗條件不能滿足的實驗教學，改善現(xiàn)階段實驗教學所面臨的窘境。

目前，虛擬仿真實驗教學技術因其虛擬性、便利性、直觀性、趣味性、沉浸性等特點，被各高校廣泛運用于各種教學實驗。在開展虛擬仿真實驗教學中，教師給學生分配相應的虛擬仿真操作賬號，學生以獨立的賬號登錄虛擬仿真系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的提示進行相應學習操作，完成相應關卡的學習任務，可熟悉不同食品的生產加工工藝、儀器設備的工作原理、各生產環(huán)節(jié)的操作要點。學生可根據(jù)虛擬仿真的評分系統(tǒng)查看自己各步驟的操作完成情況，對于實驗操作不正確的環(huán)節(jié)著重學習，反復訓練，以達到對實驗操作環(huán)節(jié)的查漏補缺。教師可登錄軟件教師端，實時監(jiān)控學生的實驗次數(shù)、實驗時長，統(tǒng)計學生虛擬仿真實驗的成績，查看各學生不同模塊的得分情況，針對學生實驗的薄弱環(huán)節(jié)及時調整教學方法，做到因材施教。

通過虛擬仿真技術，使實驗教學環(huán)節(jié)中的各種儀器、試劑、操作流程等以3D模型的方式直觀的呈現(xiàn)在學生面前，幫助學生深刻地體驗實驗操作的全過程，積累實驗經驗。加深學生對生產工藝、實驗設備、操作流程、實驗現(xiàn)象與結果的學習印象以及改善學習體驗。通過趣味化的仿真實驗平臺，有利于激發(fā)學生的自主學習興趣，發(fā)揮其主觀能動性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神以及動手實踐能力。

2.3 線下實驗教學

實驗操作水平的培養(yǎng)離不開線下實踐操作訓練。在線下實踐教學環(huán)節(jié)，學生通過線上虛擬仿真實驗操作，熟悉了實驗原理、操作步驟、各環(huán)節(jié)的關鍵控制點且在老師進一步的教學指導下，學生再開展實際操作實驗。在操作環(huán)節(jié)中，教師可根據(jù)實際情況，將學生分成不同的小組。在老師講解實驗操作原理及步驟之后，學生根據(jù)實驗的需要選擇相應的實驗儀器、試劑、材料。在開展實驗時，及時記錄實驗數(shù)據(jù)、結果現(xiàn)象，把握實驗操作要點的精準度。實驗結束后，打掃實驗操作臺、實驗室。在課后，及時處理實驗數(shù)據(jù)，完成實驗報告。

虛實結合的實驗教學模式，不僅能加深學生對與理論知識的掌握，而且可以在實際操作過程中運用理論知識，提升學生自足學習能力和實際操作能力，培養(yǎng)學生的團隊意識與相互協(xié)調能力，增強學生面在對復雜局面時，處理問題的能力。

3.實驗教學效果評價

基于計算機網絡的虛擬仿真實驗教學體系，使實驗教學網絡化，更具交互性、趣味性的特點，有利于培養(yǎng)學生的自主學習能力以及實踐、創(chuàng)新能力。同時，有趣的實驗內容和良好的操作體驗亦可以提高學生的參與度和學習效果。此外，基于計算機網絡的虛擬仿真實驗，學生可借助便利的網絡資源，隨時隨地開展實驗，大大提高了實驗效率，對實驗的操作流程有了更加直觀、深入的了解，使學生在實踐過程中理解和掌握理論知識。并且，這種虛實結合的教學模式，可以在課堂教學之外通過虛擬仿真的手段彌補課堂教學環(huán)節(jié)的不足，鞏固課堂知識，提高學生自主學習效率，節(jié)約教學時間和成本。教師通過信息化管理系統(tǒng)，可以更加便利地了解學生的實驗開展的進度、存在的問題、學生對實驗的掌握情況以及學生的興趣，針對在虛擬仿真實驗操作過程中的具體問題，能及時與學生溝通解決并引導學生完成實驗。

通過虛擬仿真實驗教學體系，突破了傳統(tǒng)實驗教學受成本、時間、空間等條件的限制，可以有效改善教學方法，使學生的學習印象更加深刻，培養(yǎng)學生的自主學習能力與實踐創(chuàng)新能力，實現(xiàn)信息技術與實驗教學的深度融合，提高實驗教學的水平和質量，促進高校人才全方面發(fā)展。

結語

虛擬仿真實驗教學的應用，使得課堂教學實驗與課外實踐實驗融匯貫通，學生能夠更好地將理論知識與實際結合在一起，提升實踐操作能力。此外，為了不斷提高虛擬仿真實驗的教學效果，需要重視學生的反饋和意見。通過調查問卷、訪談和觀察等方法，了解學生對虛擬仿真實驗的意見和建議。同時，還需要及時分析這些反饋和建議的可操作性和可行性，采取相應的措施加以改進和優(yōu)化。虛擬仿真技術在食品專業(yè)類實驗教學的運用，對于提升實驗資源的使用效率具有重要作用，對于培養(yǎng)學生自主學習、勇于創(chuàng)新的科學素養(yǎng)具有積極意義。

基金項目

云南省科技廳基礎研究專項-面上項目《基于多組學策略解析龍腦精油抗炎的物質基礎和作用制》（202401CF070107）；云南省教育廳科學研究基金《云南特色芳香植物精油抑菌活性篩選與作用機制研究》（2024J0081）；云南省重點外國專家項目（202305AO350021）；昆明理工大學分析測試基金資助（2023T20220106）。

作者簡介

付文強（2002.03-），男，漢族，云南曲靖人，本科；研究方向：食品功能因子研究與利用。

*通訊作者

肖珊珊（1985-），女，漢族，河北石家莊人，講師，工學博士；研究方向：天然產物功能研究。