“食品化学实验”虚拟仿真教学模式的改革与实践

邢常瑞　汪静　郝怡宁等

[摘要]虚拟仿真技术的出现打破了传统教学模式，在教育领域产生深远的影响。食品化学实验是食品专业学生的基础课程，可以加强学生对理论知识的理解，同时培养学生的创新、动手能力。本文基于虚拟仿真视角，分析当前许多高校的食品化学实验课程的现状及存在的问题，探讨了利用虚拟仿真这一新型教育模式对食品化学实验课程的改革。

[关键词]虚拟仿真技术；食品化学；实验

中图分类号：TS201.2 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20180229

虚拟仿真技术又称模拟技术，是利用计算机技术，用一个虚拟系统去模仿一个真实系统，拥有高端人机接口的一种新型技术。虚拟仿真技术可以逼真的模仿现实世界的事和物，结合人们对现实世界的触觉、视觉、听觉，进行交互体验，使人们有种身临其境的感觉。虚拟仿真技术的特征是：沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性，四大特征的融合使虚拟仿真技术飞速发展，不仅在教育方面，而且在农业、工业和医疗等方面都渐渐出现它的身影。但是目前在国內，虚拟仿真技术还不够完善，只有部分高校，如中国科学技术大学开发的“大学物理仿真实验”、南京大学建立的分析化学大型仪器虚拟实验室和天津大学开发的材料力学仿真实验室等，虽然这些仿真实验室的系统不够完善，形式单一，但为虚拟仿真技术的应用奠定坚实的基础。

食品化学作为高校食品院系的一门主干课程，是其它专业课学习的枢纽。食品化学所含内容多，范围广，从食品的原料到生产、加工、运输和储藏过程中，物理化学变化以及食品中成分的反应与变化和蛋白质、油脂与碳水化合物的功能性质的研究都属于食品化学的内容。食品化学实验在食品化学课程中举足轻重，理论知识往往让学生的学习停留在表面，开展实验课，可以帮助学生内化知识，提高动手能力，有助于高校培养社会需要的食品专业人才。随着科技的进步和教育理念的改革，从2012年起，全世界范围内掀起了一股在线课程的浪潮。相比于传统教学面对面讲授的教学方式，在线课程突破了地域、时间和教育成本的限制，让学生能随时随地通过网络进行学习，大大降低了教育成本。但在线课程只能帮助学生学习理论知识，无法让学生动手实验，因此食品化学实验课程的发展仍然受到限制，虚拟仿真技术的引入让食品化学实验的教学产生质的飞跃。

1食品化学实验课程的现状及存在的问题

随着社会经济的发展，食品安全问题备受关注，培养食品专业人才刻不容缓。当前，很多高校开设了食品化学课程，但由于受学时、经费和空间的影响，更关注于其理论教学，从而限制了实验课程的发展。虽然近年来很多高校都在尝试改变这种重理论轻实践的教育模式，但效果不够明显，食品化学实验课程仍存在很多问题。

（1）食品化学内容多、学时紧，受时间的限制，在面对面讲授式教学中，为了完成教学任务，教师在课堂上难以进一步拓展相应的内容，甚至对部分内容一笔带过，不利于学生的深入理解，从而使原本繁琐的内容变得更加复杂，降低了教学质量。学生一直被动的接受老师教授的知识，老师也是年复一年的教着同样的知识，这种教学会同时打击老师和学生的积极性。由于学时紧，学校会偏重于理论教学，从而忽视了实验教学，但是食品化学是一门理论与实践相结合的课程，理论基础和实验的辅助才能帮助学生更好的理解这门学科。

（2）由于学校的实验资源有限，每次实验课，老师都会把同学们分成4～5人一组，分工合作，这样会减少实验试剂和实验器材的用量，同时导致学生没有独立完成整个实验的能力。通常实验课都是老师提前选好实验项目，定好实验方案，配好实验试剂，上课时首先讲解实验原理，然后将实验方案分发给学生，学生按照实验方案上的步骤一步一步的做，最终努力的将自己的实验结果接近理论结果。从不思考实验过程中所加入的试剂的作用，所用实验仪器的原理，甚至当自己的实验结果与理论值不符，都不会去分析数据异常的原因。比如利用凯氏定氮法测定蛋白质含量，只需将样品消化后直接放在定氮仪上测定。根据公式计算结果，都没有弄清实验原理，也没明白氢氧化钠和硼酸的作用，甚至有的学生都不知道还有滴定的步骤。久而久之，这种填鸭式教学成为学生学习的习惯，遇到问题不会分析、不会思考。面对一个实验，没有独立查文献，写方案的能力，更可怕的是，有些学生连简单的配试剂都存在一定的问题，极大的限制了学生的动手和创新能力。

（3）食品化学实验的仪器种类多，而且有的仪器体积大，需要很大的空间放置。食品化学实验室本来就有很多的试剂和样品，空间有限，导致没有足够的空间去容纳这些大仪器。有些仪器价格昂贵，维护费用高，不会让学生自己操作，甚至有的出于经费考虑，会放弃购买。有些仪器结构复杂，不便拆卸，老师无法深入全面的讲解，导致学生很难理解其原理。有些实验会用到强酸强碱，存在一定的安全隐患，学生出于畏惧，无法全身心投入。目前很多高校由于实验室设备和人员问题，实验室的开放程度不高，极大的阻碍了学生动手能力的提高。

2虚拟仿真技术对食品化学实验课程的改革

上述描述的食品化学实验课的现状是目前国内大部分高校面临的问题，专家学者都在不断摸索课程的改革方法，虚拟仿真技术的兴起，打破了传统的教育模式，为食品化学实验课程的改革提供一条崭新的道路。其最大的特点就是为学生提供一个虚拟的实验环境，但又具有真实感。

（1）食品化学与许多学科的内容交叉，知识点不清晰，课堂的理论教学与虚拟仿真实验教学相结合，有利于学生消化知识。由于虚拟仿真实验教学使学生可以利用碎片时间学习，有效的淡化了时间和空间对教学的限制，使学生能按照自身水平和时间安排调整实验进度，也可以根据自己的兴趣选择实验内容，有效激发学生的学习兴趣。使学习变得更加灵活自由，变被动学习为主动参与。使学生能更好地理解课程、降低学习难度、调动了学生积极性、促进了学生对课程的深入学习，做到真正意义上的因材施教。因此，理论的课堂教学学时充足，教师可以调整授课速度，进行相应内容的拓展，将原本凌乱缺乏系统性的知识点条理化，使学生学起来思路更清晰。虚拟仿真技术的引入，打破传统教学的束缚，学习时间自由分配，不受地理因素限制，使学生能灵活安排学习计划，老师也不会因学时问题重复教学，会大大提高学生的学习兴趣和老师的教学兴趣。

（2）将虚拟仿真技术与食品化学实验相结合，可以完善真实实验不具备或难以完成的教学任务，学生可以独立完成一项实验，掌握实验技能，从实验项目的选择、方案的制定、试剂的配置、仪器的使用到最后实验的完成和数据分析，每一步骤都是学生自己完成，可以极大的激发学生的动手和创新能力。由于虚拟仿真实验室不受时间的限制，让每一位学生都可以独立完成自己的实验。有些实验在仪器中反应，真实实验室無法看到样品是如何发生反应的，如用电感耦合等离子体质谱法测定大米中的铅、铬等重金属含量，其样品处理阶段，进行微波消解时，只是在仪器上设定消解模式与时间，在测定阶段也是直接将样品放在仪器上，设定实验参数，即可得出结果。看不到这整个过程中样品的变化和仪器如何测定出重金属含量。结合虚拟仿真技术，以视觉和图像的双重教学向学生展示每个实验阶段中步骤的原理和仪器的测定过程，减少教师的重复劳动，这样可以充分了解整个实验过程，有助于学生对食品化学实验的理解，遇到实验问题也能找到解决方案，将实验做到真正的精、细、深。食品化学实验是食品检测领域的基础，虚拟仿真技术的引入，有利于食品化学实验的开展，为培养食品专业人士打下基础。

（3）虚拟仿真技术使学生身处一个虚拟状态，根据真实环境模拟的一个状态，解决因空间和资金不足而导致的实验设备不齐全的问题。减轻了高校实验室管理与运转的压力，从而大大降低了实验的危险性，食品化学方面的实验经常会因为试剂本身的毒性。仪器操作不当和基本技能不熟练而引发人身安全问题。比如采用聚丙烯酰胺凝胶电泳法鉴定分子量，其制胶过程用到的试剂和电泳缓冲液都有毒，有时实验用到的高温高压的条件，如果学生对高温高压灭菌锅操作不熟悉，没有等其压力和温度都降到安全范围内取出样品，会产生一定的人身安全，所以很多老师常常在教学过程有意避开危险操作。这样不利于对学生的培养，而虚拟仿真技术的应用可以让学生感受到做实验的真实感，但又由于一切都是虚幻的，不会有危险现象，可以很好的解决这一问题。长此以往，学生面对实验风险时沉着冷静，由此，实验室可以全面开放。另一方面，学生可以对大型仪器进行拆解同，从结构、部件到组装，了解其工作原理，以便分析适用于哪些实验，提高了学生的学习能力。

3结语

虚拟仿真技术在近些年得到了极大的发展，也产生了一定的效果，但技术的广泛应用是一个长期的过程，如何将虚拟仿真技术与食品化学实验结合，如何将实验从以教师为导向转变为以学生为导向，如何提高实验教学质量，都需要各高校和教育部门不断地思考、探索与改进。