食品与生物工程虚拟仿真实验教学体系的构建与实践

谢贞建，谭茂玲，郭秀兰，邱 露，唐仁勇，郭晓强

（1.成都大学药学与生物工程学院，四川成都610106；2.成都大学科研处，四川成都610106）

虚拟仿真实验因其直观、高效及经济等特性，填补了目前实体实验的不足，给实践教学带来了新的变革[1-2]。建立“虚实结合”实验教学模式，是当前实验教学改革的方向之一[3]。目前，虚拟仿真教学已在生命科学与技术、中药学类、医学类、车辆工程、土木工程[4-8]等多个学科领域进行推广应用。成都大学药学与生物工程学院“食品与生物工程虚拟仿真实验教学中心”于2015年12月被四川省教育厅批准立项，该中心是学校首个省级虚拟仿真实验教学中心。以该仿真中心建设与运行为例，重点介绍在虚拟仿真实验教学体系上进行的有益尝试和探索，以期对虚拟仿真建设和高校实验教学有所促进。

1 实践教学现状

2007年，在成都大学建立城市型综合大学的定位下学院确立行业导向高素质应用型人才培养目标。经过多年的探索与实践确立了“实验室-工程实训中心-企业（教学实习基地）”3级实践教学体系，逐渐形成了以“基础性实验-综合设计性实验-创新性实验”3种实验层次为指导思想的实践教学模式。2011年，成功组建四川省生物医药基础实验教学中心，逐步建立了教学平台系统、资源管理系统、实验室综合管理平台、中心网站等，进一步完善了实验教学网络信息化。

在多年的教学实践中，学院形成了“重实践”的优良传统，在实验教学中取得了较好的成绩，但仍然存在部分问题：①试剂的高毒性；②精密分析仪器价格昂贵，经费并不充足的条件下，致使仪器台套数有限，学生在有限的教学环节动手的机会减少；③大精仪器设备结构复杂，学生对仪器的认识只停留在图片和教科书上的认识，缺乏更感性更直观的认识；④工程实训环节面临实训室投入大、运行成本高、使用率偏低等。

2 食品与生物工程虚拟仿真实验教学体系的构建思路

虚拟仿真实验可以弥补实体实验项目受场地、成本、安全等因素制约的缺陷，解决目前学生工程实践能力缺乏和创新意识缺失的核心问题。同时，可突破时空界限，便于学生课前预习和课后复习，可以随时随地联网在虚拟环境中开展实验活动，有利于学生的自主学习。但同时需要注意的是，真正的动手能力与技能还是需要在现实中获得与体验，真实实验室更具有直观互动性。因此，既不能否认虚拟实验的价值和对培养创新型人才的作用，也不能简单地将虚拟实验附属于实体实验，而是应遵照“虚实融合互补，多元协同工作”的理念来确立二者的地位，建立虚实兼顾的一体化实验教学体系[4]。

基于传统实践教学模式存在的弊端，结合实际情况，学院积极探索人才培养模式，搭建虚拟仿真实践教学综合管理信息化平台，在现有实体实验教学体系下融入虚拟实验教学体系，边建设、边使用、边发展，以此为基础构建“虚实结合”的全过程管理的实践教学体系。

虚实结合的一体化实验教学体系见图1。

图1 虚实结合的一体化实验教学体系

3 食品与生物工程虚拟仿真实验教学体系的构建

3.1 实验室安全教育虚拟仿真模块

实验室安全教育虚拟仿真模块主要由实验室安全知识教育和安全培训考试2个部分组成。

实验室安全教育虚拟仿真模块见图2。

将实验室安全教育纳入常规实验教学中，作为学生进入实验室的前提条件之一。通过题库、图片动画、场景模拟等形式，经过反复的练习、考试，使实验室安全的理念、注意事项牢记于心，达到实验室安全教育的目的。

3.2 专业基础实验虚拟仿真模块

专业基础实验虚拟仿真模块主要包括大型精密仪器虚拟仿真模块和化工原理虚拟仿真模块。

图2 实验室安全教育虚拟仿真模块

大型精密仪器虚拟仿真模块，结合学院现有仪器设备，采用虚拟现实和三维交互技术制作多种分析仪器的虚拟仿真教学课件。重点涉及仪器实验原理、仪器操作和仪器的维修维护3个方面。

虚拟仿真高效液相色谱仪的拆装与样品制备见图3。

图3 虚拟仿真高效液相色谱仪的拆装与样品制备

通过虚拟仿真教学，形象地展示仪器的内部构造和工作原理。同时，学生可随时随地进行相应的学习，通过反复训练，可尽快熟悉仪器操作规范，掌握操作要点，再进行实际操作，通过虚实结合，提升实践动手能力。

化工原理虚拟仿真模块，以“化工原理”实验课程为基础，通过对化工原理实验典型单元操作（流体流动、离心泵特性曲线、传热系数等）的仿真，加深学生对化工原理理论的理解，培养学生对化工单元操作的能力。温度、压力、流动状况等多种因素影响化工反应过程，且各因素之间耦合性强。在虚拟实验过程中，利用动态数学模型实时模拟真实的实验现象和过程，通过3D仿真实验装置交互式操作，产生和真实实验一致的实验现象和结果。每个学生都能亲自动手做实验、观察实验现象、记录实验数据、验证公式和原理定理。通过验证型实验促进学生对实验理论的掌握，还可以通过改变边界条件做并行实验，强化学生对理论更深层次的理解。

化工原理虚拟仿真示意图见图4。

图4 化工原理虚拟仿真示意图

3.3 专业实训虚拟仿真模块

专业实训虚拟仿真模块是虚拟实验教学体系中培养学生创新性能力最重要的一个模块。根据学院专业设置，建设了药物制剂3D虚拟仿真实训、青霉素发酵提炼虚拟仿真、葡萄酒发酵工艺虚拟仿真、发酵乳制品3D车间虚拟仿真等仿真实验[9]。

专业实训仿真操作界面见图5。

图5 专业实训仿真操作界面

采用三维虚拟工厂的形式展现食品、药品生产企业的厂区、厂房、生产场景和生产设备，将其生产流程、设备外观和内部结构、生产操作以三维虚拟现实的形式逼真再现，并进行仿真互动。同时将生产质量管理规范、岗位标准化操作、生产过程质量控制和车间管理等内容融合到软件之中。实验包括评判功能，由预设的智能化评分系统对学生的实际操作进行打分，并能将成绩自动统计并输出。通过仿真实训可以帮助学生快速熟悉产品的生产过程，为学生进入生产企业实习打下良好的基础，对巩固工艺理论、提高实际操作技能、培养职业素养均起到积极作用。

4 结语

食品与生物工程虚拟仿真实验教学体系可适用于学院生物工程、食品科学与工程、制药工程等5个专业的实验教学任务，内容涵盖实验室安全教育、大型精密仪器及化工原理等专业基础、各专业实训三大模块。虚拟仿真实验教学有着传统实体实验教学无法比拟的优势，对学生实践技能、实验教学效果等方面有着很好的促进作用，对学院实验教学体系进行有益的补充和完善。现行的虚拟仿真实验教学仍处于起步阶段，需要在建设过程中不断发现问题，积极探索，深入思考，不断积累，才能不断推进虚拟仿真实验教学体系的可持续发展。