虚拟实验室在食品类专业实验教学的改革探索

熊治渝，赵延胜，陈力宏，董 英（江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013）

虚拟实验室在食品类专业实验教学的改革探索

熊治渝，赵延胜，陈力宏，*董 英
（江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013）

通过提出食品类专业虚拟实验室的建设改革思路，将传统实验项目操作虚拟动态可视化，直观易懂，能有效拓宽学生视野，提高实验教学质量。该虚拟实验平台具有建设成本低、使用期限长、易于维护等优点，可有效缓解实验设备、场地有限、资金缺乏等不足的问题。作为实验教学的一种辅助手段，该虚拟实验项目的建设可有效提高学生对实验仪器、实验材料，以及实验过程与结果的认知能力，对深化教学改革、提高学生动手能力具有重要的意义。

虚拟实验室；食品专业；实验教学

食品类专业具有多学科交叉渗透的特点，涉及生物、化学、物理、农学、医学、机械、环境、管理等多个领域。根据教育部《普通高等学校本科专业目录》 （2012年）学科分类，食品类专业一级学科为食品科学与工程，下设食品科学与工程、食品质量与安全、粮食工程、乳品工程、酿酒工程等5个基本专业及葡萄与葡萄酒工程、食品营养与检验教育和烹饪与营养教育等3个特色专业。不同专业根据其培养目标与特色的不同开设不同数量的理论课程，其中涉及实验教学科目的几乎占了50%以上。以江苏大学食品科学与工程专业和食品质量与安全专业为例，涉及的实验教学科目总数分别高达21门和25门。

1 食品类专业传统实验教学中存在的问题

高校的实验室和实验教学是理论与实践相结合，培养学生创新能力和工程实践能力的重要场地。实验教学能够帮助学生更好地理解理论知识，可以培养学生主动研究的探索精神，提高学生的创作力与想象力，实验教学应该成为培养学生素质、创新能力的主要课堂［1-2］。然而在传统的实验教学过程中，由于学生人员和实验科目众多，教学时间、仪器材料及实验场地有限等原因，每门课程只有部分实验项目能用于实验教学，一个实验项目往往需要分多批次进行，每批再分成若干小组，各小组成员一般为2～5人不等。小组人员较多时很难保证每位同学都有足够多的机会动手锻炼实验操作，开设“一人一组”的实验项目课程与完成一门课程的所有实验项目几乎不可能实现。面对纸质版、电子版全篇文字叙述式的实验内容，较多学生失去主动预习实验课程的积极性，这样的实验效果参差不齐，培养的学生实验动手能力普遍较差，学生获取的实验操作知识有限，实践能力难以提高，更难满足实际工作岗位的需求。

2 食品类专业虚拟实验室建设的意义

虚拟实验系统是指采用网络技术、远程控制技术、虚拟现实技术、计算机仿真技术、多媒体技术等实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果［3-4］。关于虚拟实验平台建设的报道，多数研究主要针对单门课程的虚拟实验教学改革进行阐述［5-6］，应用范围较为狭窄，而且很多实验项目需要将具有网络功能的各种仪器搭建在计算机上，通过互联网与学生客户端连接，学生将采集到的数据信息传送到远程的实验室，由物理仪器接收处理，成本较高，操作繁琐［7］。尽管已有对整个食品类专业的虚拟仿真实验项目管理进行全方位讨论的总结报道［8］，但具体涉及实验平台的展现模式却仍没被阐述。针对食品类专业的实验教学主要以生物、化学课程为基础的特点，设计利用网络和虚拟现实技术建设的食品类专业传统实验教学的辅助教学虚拟实验室平台。该平台设计集教学资料、虚拟实验、题库练习于一体，能够有效地补充和完善硬件实验，缓解实验设备、场地的不足和资金缺乏等问题，具有易于维护、可实现“一人一组”、课程所有实验项目均可涉及且具有操作不受限制等特点，从而实现拓宽学生视野、有效提高实验教学质量的目的。

3 虚拟实验平台的设计

依托网络技术、多媒体技术和虚拟现实等技术构建的食品类专业虚拟实验室，作为一种教学辅助手段，将实验项目操作虚拟动态可视化，直观易懂，拓宽学生视野的同时提高学生主动学习的积极性，方便学生加深对理论知识的理解，为进入实验室实地操作打下良好的基础。

3.1 虚拟实验室主要构架的搭建

食品类专业虚拟实验平台的设计主要分为课程目录和实验资料2个功能模块。

课程目录模块囊括了食品类专业开设的所有实验教学科目，各教学科目下再划分课程资料和虚拟实验2个板块，其中课程资料包括该门课程的课件、试卷、学习工具、知识点学习动画库等；虚拟实验则罗列了该门课程的所有实验项目。

实验资料包括实验设备与器材、常用试剂、编辑工具等板块。

食品类专业虚拟实验室网络平台的功能模块结构见图1。

图1 食品类专业虚拟实验室网络平台的功能模块结构

3.2 食品类专业虚拟实验项目建设

虚拟实验平台提供各门实验课程的所有实验项目。在实地进入实验室操作实验之前，每位学生被要求在规定期限内登录虚拟实验平台系统进入“虚拟实验”板块选择相应的实验项目进行预实验操作。实验项目包括目的要求、实验原理、仪器材料、方法步骤、动手实验、实验演示、课后习题、提交报告等环节，除动手实验和实验演示环节顺序不一外，其他环节必须按照先后顺序完成，否则系统提示不予操作。其中，动手实验和实验演示环节为动画并配有部分文字说明的形式展现，而其他环节均以图文并茂说明的形式展现。动手实验环节通过后可跳过实验演示环节，直接进入课后习题环节。在动手实验环节实验操作中，如有操作错误或不规范的地方，系统会自动扣分，若总分数达不到设定要求，则不能进入下一环节，直到实验项目的所有环节通过并经任课教师审核通过后方能实地操作实验。实验演示环节是为了达到加深印象和进一步明确操作规范的目的，在动手实验环节有操作不当的地方可通过此环节观摩学习。课后习题环节进一步明确实验原理及实验操作过程中各仪器材料的用法意义等，真正做到实验操作的知其然而知其所以然。

3.3 食品类专业实验资料项目建设

虚拟实验平台除了提供虚拟实验操作学习外，提供的各门课程教学资料有助于学生对理论知识的理解学习。而“实验资料”模块下的实验设备与器材能让学生很方便地了解并掌握实验室的常规设备和器材的使用方法及运作原理，如色谱仪、电子显微镜、移液器等的使用方法以图文并茂的形式说明，运作原理则以动画的形式将设备结构动态可视化模拟，有效提高对实验设备器材原理学习的印象。实验过程中常用的大量实验试剂也会在“实验资料”模块下提供，学生可以查阅常规试剂的详细信息包括理化性质、使用注意事项等。该虚拟实验系统的设计同时可为本专业的研究生及科研工作者提供很好的实验方法查阅平台，在科学研究过程中所需要运用到的食品类专业常规实验方法均可通过此虚拟实验平台查阅获取，操作简单、直观易懂，相对于普通的纸质版或电子版文献查阅，此法大大节省科研工作者的时间，提高科研效率。

4 虚拟实验平台的实现

该虚拟实验平台的建立需要依托网络技术、多媒体技术和虚拟现实等技术，设计并构建相应的网络版面。具体的实验内容可由实验教学人员以管理员身份通过后台登录编辑，而涉及的动画等实验画面则需要专业的网络技术人员在实验教学人员的协助下完成。该实验系统的设计可以是网页版、软件版等，可同时支持电脑、手机等客户端，具有随时随地均可使用的特点，且系统带搜索功能，可以满足用户方便快速的搜索需要的词汇。该系统访问权限包括院内学生权限、教师权限和院外访客权限。学生权限包括在线资料下载、实验资料查阅、在线虚拟实验操作等；教师权限包括上传和编辑资料、虚拟实验室维护和管理等；访客则具有学习资料下载和实验资料查阅等权限。科研工作者等人员经注册审核后可进入“虚拟实验室”平台任一环节，方便实验方法、知识的查阅、获取。

5 结语

食品类专业虚拟实验室的建立是对传统实验教学的一种补充，并不能代替传统实验教学，其可实现一人一组在线实验的快速学习，资源充分；各课程实验项目的多范围选择可有效拓宽学生视野；实验操作步骤以动画的形式模拟和演示加强学生对实验项目的理解学习。作为传统实验教学的一种辅助手段，虚拟实验室的建立还方便科研工作者实验资料的查阅。

食品类专业虚拟实验室的建设成本低、使用周期长、易维护，能有效缓解实验设备的不足和资金的缺乏，能有效、快速地加深学生对各实验项目的理解，为提高学生的实验动手能力奠定坚实基础。该虚拟实验室的建设，还可以延伸到化学、医学、生物学等领域。

［1］ 关雪梅.浅谈高校实验教学的重要性 ［J］.实验室科学，2005，8（4）：103-107.

［2］ 王正荣，武忠伟，郭延成，等.食品类专业实验设计与统计课程改革的探索 ［J］.河南科技学院学报，2015（2）：89-91.

［3］ 管雪梅，戴天虹，王铁滨.高校虚拟实验平台的设计及教学应用研究 ［J］.哈尔滨师范大学自然科学学报，2015，31（1）：88-90.

［4］ 王珊珊，黄璐.虚拟食品添加剂安全实验的设计与实现 ［J］.浙江树人大学学报，2014，14（1）：9-14.

［5］ 黄迎，徐雯丽，胡静，等.虚拟技术在食品添加剂安全性评价中的应用 ［J］.公共安全中的化学问题研究进展，2013（3）：89-92.

［6］ 刘慧中，周金娥，李月琴，等.虚拟实验在医学化学实验中的应用 ［J］.实验室科学，2013，16（1）：98-100.

［7］ 代小林，梁莹林.仿真和实物实验结合的机器人学课程实验教学 ［J］.实验科学与技术，2014，12（6）：60-61.

［8］ 赵钢.高校食品虚拟仿真实验室建设项目管理 ［J］.北京农业职业学院学报，2013，27（5）：103-107.◇

The Exploration on the Experiment Teaching Reform of Virtual Laboratory in Food Science

XIONG Zhiyu，ZHAO Yansheng，CHEN Lihong，*DONG Ying
（School of Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

Reform ideas of the construction of virtual laboratory in food science have been put forward.The operating steps of the traditional experiment items will be displayed in the form of animation，which is easy to understand，effectively broaden students'vision and improve the quality of experimental teaching.Features of low construction cost，long service life and easy to maintain，the experimental platform can effectively alleviate the shortage of experimental equipment，the limit experimental site and the lack of fund.As an effective means，the construction of virtual laboratory helps expand student's awareness of the experimental instruments and materials，the experimental process and results，which can be of great significance to deepen the teaching reforms and enhances the students'practical ability.

virtual laboratory；food science；experiment teaching

TS201

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.10.023

1671-9646（2016）10a-0070-03

2016-05-31

熊治渝（1987— ），男，硕士，助理实验师，研究方向为食品安全检测、实验教学管理。*