工程与科研双导向的“食品无损检测技术”虚拟仿真教学研究

张 文，刘 超，张 迪，邹小波

（江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013）

0 引言

食品检测是保障食品安全的重要组成部分，准确可靠的检测手段将有效控制食品安全问题的发生[1]。近年来，食品无损检测技术异军突起，涉及生命科学、信息科学和工程学等多个学科领域，利用检测对象本身的光、声、电、磁等特性，得到大量反映被检测对象内外品质安全的特性信息，具有检测速度快、客观准确和操作方便等优势，成为当前食品加工领域的热点。目前，国内很多高校的食品科学与工程专业和食品质量与安全专业开设了“食品无损检测技术”等专业课程，涉及到无损检测的理论知识和实践环节[2]。但“食品无损检测技术”涉及的理论和技术知识面极宽，属多学科交叉领域，包括高光谱、超声波、近红外光谱、计算机视觉、核磁共振等检测技术。很多学校无法开展实验：一是很多高校没有相关装备，导致无法实施；二是大多数实验装备都是单台套，教师只能进行演示性实验，因此很难达到理想的教学效果。有必要引入虚拟仿真教学手段，作为传统教学方法的重要补充。

在“食品无损检测技术”虚拟仿真教学中，学生通过学习食品无损检测的技术原理、结构性能、参数选择，掌握各种食品无损检测技术的基本概念，理解食品无损检测技术在食品智能化检测、过程控制与评价中的支撑作用。在此过程中，因材施教，提升学生的工程实践技能，培养独立思考、解决实验问题的能力；进一步优化“工程与科研双导向”的教学实施目标。

1 虚拟仿真教学技术实践

根据“食品无损检测技术”课程教学要求和实验教学内容，开展虚拟仿真教学，重点了解无损检测的原理及各部件组成，在此以超声波成像无损检测为例进行阐述：通过检测超声波对试样全面扫描，利用超声波对组织结构变化的敏感性，将试样反射回波处理后获取试样内部超声图像，进行试样内部全面无损直观的检测；在仿真软件中，功能部分包括工作站与超声波激发参数的设置，数据采集及分析软件开启，伺服开启及仪器连接，探头位置的调整及数据采集阀门的设定，探头运动起点终点的设置，超声波数据采集及三轴运动参数的设置，样品信息的采集、保存与分析等。

上述环境主要通过浏览器和服务器架构（B/S 架构） 和3D 仿真技术实现[3]。通过B/S 架构，用户访问管理平台，查看相关功能（软件列表，课程列表）和统计信息（学习记录，考试成绩），并初始化3D仿真项目；随后，采用B/S 架构启动3D 仿真程序及其附属程序，通过对数据库的访问来实现数据的同步、人机交互界面（数据库、3D 虚拟实验室、工作站） 操作、智能评分和教师站管理。

2 教学实施方法设计

教学实施方法包括预实验学习和正式教学。在预实验学习模块中，学生学习各种基于光声电磁无损检测技术的原理动画，了解高光谱、超声波、近红外光谱、计算机视觉、核磁共振等不同无损检测技术的系统组成、主要特点与适用场合。正式教学主要包括系统基本操作学习和数据处理2 个部分。以超声波成像无损检测为例，①要求学生了解声波发射器、超声波接收器、超声波探头、三维精密位移平台、传输机构及计算机软硬件等部件的构成及其相互关联，根据具体的检测目标，选择适合声学参数实施检测的筛选机制；针对超声波检测中的特有气泡问题，在实验设计和实施环节中寻找有效解决方法。②超声数据处理包括预处理、特征提取、模式识别等练习步骤，要求学生完成数据处理方案设计训练，独立与联合使用多方法获取高维度数据结果，对实验对象特性进行判断。

教学活动在开放式虚拟仿真实验教学管理和共享平台上运行。教师利用该平台在网上安排学生预习、指导学生实验和批改实验报告；学生利用该平台在网上进行选课、预习、自主测试、设计实验、撰写和提交实验报告；教学系统提供一体化的教学过程管理，学生在理论学习之后，查询相关标准资料，再进入虚拟仿真实验室进行实验。

3 考核方法设计

针对复杂食品工程问题，要求学生能够基于专业理论和实验技能，根据对象特征选择合适的检测方法，设计可行检测方案或检测系统；能识别、量化和分析食品新产品、新技术、新工艺的开发应用对社会、健康、安全、法律和文化的潜在影响。这主要通过细化的考核要求实现：①预习考核：在进行实验教学之前，学生应针对相关知识点进行预习，在结合常规课堂教学和查阅文献的基础上提供预习报告；教师对预习报告进行考核。②认知考核：在软件初始界面，学生选择对应功能模块进入各功能环节，了解无损检测基本原理、主要操作流程和实验结果要素等知识；随后，教师对学生的认知情况进行考核。③操作与数据处理考核：学生操作步骤应正确、规范、熟练，实验态度端正；如超规定时间或出现错误步骤则应扣除一定得分；在数据处理过程中，应熟练、正确依据无损检测方法要求对数据进行曲线校准等数据处理。④实验心得与报告考核：完成实验后，在系统内在线提交实验心得与报告；应包括完整的实验目的与原理、详细正确的实验数据、对实验数据的分析讨论，以及在完成实验后的心得收获等。

4 虚拟仿真教学实施效果与思考

“食品无损检测技术”虚拟仿真教学主要面向食品科学与工程、食品质量与安全、生物技术专业本科三年级学生，同时面向食品工程等专业的硕士一年级研究生，也可以服务于其他大专院校师生、行业技术人员的培训或继续教育。软件平台开放3 年以来，通过食品科学与工程、食品质量与安全专业三年级本科生及食品无损检测方向一年级研究生的实际训练，反响较好，达到了丰富实践与实验教学的效果；学生对虚拟仿真教学积极性很高，总教学人数超过500 人。特别是在食品科学与工程专业本科生教学中，有效激发了学生的科学思维能力，有3 人在随后的研究生阶段获得了国家奖学金奖励；在食品质量与安全专业本科生教学中，对工程能力培养呈现出较好的推动作用，多人在本科毕业后入职国内外食品行业知名企业，获得了较好的职业发展。

上述成果可能得益于以下3 个方面：①“虚实结合、以虚补实”，解决实体教学实验难以开展的问题；食品无损检测技术实践教学需要价格昂贵的实验仪器，实体实验周期长、效率低，无法在高校实验教学中全面落实；通过虚拟仿真教学，能够实现真实实验不具备或难以达到的教学效果，使学生在自主交互的虚拟环境中高效地完成实验。②增强学生实验积极性，激发学生自主实验兴趣；把虚拟仿真技术应用于实验教学，增加交互场景设置，创设基于问题导向和食品检测技术的实验教学方法，构建基于真实情境、综合实践的教学环境；教师主导向学生自主转变，灌输式教学向启发、互动转变，机械式教学向研究、探索和合作转变。③实现“深度交互、理实融合”学习效果；通过采用虚拟现实技术，在计算机中仿真模拟实际食品检测的过程；培养学生自主完成综合调查、分析测试、方案设计、编写报告的能力，激励观察思考和发散创新。

5 结语

无损检测方法是维系食品质量与安全的重要保障之一。通过虚拟现实技术，依据研究前沿的检测技术、装置与系统搭建模型，按实际检测过程完成人机交互，能够再现食品无损检测的主要操作，使学生熟悉基础知识、基本原理和使用仪器，识别和了解复杂食品检测问题的关键环节。在此过程中，以工程认证理念和新工科交叉创新人才的培养目标为导向，将无损检测基本原理、实验方法学、数据统计学和传感领域交叉学科相结合，可以切实有效地提升学生解决复杂工程问题和进行科学研究的能力，实现工程与科研的双导向教学目标。