“互联网+”虚拟仿真项目在食品分析与检验实验教学中的探索

乔明武，宋 淼，宋莲军，赵秋艳，吴文江，张建威，黄现青

(河南农业大学 食品科学技术学院，河南 郑州 450002)

“互联网+”就是把互联网的新技术与各领域相互融合，引领各行业的快速发展。虚拟仿真技术目前已经广泛应用于各个领域，是一种提高教学质量的有效手段。虚拟仿真教学项目作为一种新的教学方式，弥补了在实际教学中难以实现的如危险性高、成本高等实验内容，是对传统教学手段的有效补充。食品分析与检验是食品专业的主干课程，主要内容包括食品分析与检测的基本知识、感官检验、物理检验、营养成分的检测及有害成分的检测等，强化实用性，强调学生动手能力的培养。但一些检测项目存在着实验周期长、药品危害大、实验室条件有限等一系列现实问题，在教学中还存在“进不去、看不见、动不了和难再现”的难题[1]。伴随着食品工业2.0的发展和人们对食品安全与营养的密切关注，利用“互联网+”虚拟仿真技术提升教育装备力量，使学生在学习过程中不再受时间和地点的局限，能够更自由、深入、形象地学习食品分析与检验专业知识，掌握更多技能、提升创新能力，这在食品分析与检验课程教学中值得深入探讨的问题。

1 食品分析与检验课程传统实验教学的现状及存在的问题

伴随着经济社会的不断进步发展，食品营养与安全问题频出，培养食品专业应用型、技术型人才是高等教育培养目标之一。食品分析与检验课程是高等院校食品专业的核心主干课程，特别是实验教学在该课程培养学生的实际操作能力方面发挥着重要作用。但由于受学时、经费和空间的限制，该课程实验教学面临诸多问题。虽然很多高校都在尝试改革当前的教育模式，也做了很多努力，但实验教学的质量和效果不够明显，从企业的用人需求和学生的实际知识掌握能力还有差距。

1.1 实验仪器的限制

食品分析与检验实验项目繁多，所需要的化学试剂、仪器种类也很多，而实验时间、空间有限，学生难以充分掌握相关实验技术[2]。随着高精尖设备的不断进步和发展，一些用人单位已经购置并投入使用，而这些仪器往往价格昂贵、体积大、维护成本高。受经费和场地的限制，很多高校会少量或者不会购置，影响实验项目的开展[2-3]。有些仪器结构复杂，拆卸不便，学生独立操作的机会也很小，影响学生动手能力的提高，老师枯燥无力的讲解，学生也很难掌握实际操作技术。

1.2 教学条件的制约

多数高校的招生规模不断扩大，而学校的资源相对有限。实验场地拥挤，实验耗材投入不足，指导老师通常会安排成实验小组完成实验，每个小组4～5 人，分工合作，积极主动、动手能力强的学生完成实验内容较多，有小部分学生根本没有参与其中，大部分同学很难独立完成全程实验[2]。对于大型仪器，鉴于台套数的限制，只能开展演示实验，分批进行，每次实验8～10名同学，整个实验过程比较匆忙，指导教师很辛苦一遍一遍的重复讲，精密仪器结构较复杂，讲解抽象，学生难理解，蜻蜓点水式的教学，效果极差。利用虚拟仿真实验技术对其进行改革创新，通过虚拟仿真模拟整个实验过程，不但能够学生的动手能力，还能增强学生的学习主动性和积极性，提高实验教学效果[3]。

1.3 实验项目单一，学时不足

随着高等教育向大众化教育跨越，社会对人才的需求也呈现不同特点，各个专业人才培养计划不断调整，课程学时不断压缩。随着总课时数的减少，实验课学时数也随之减少，使得开设的实验项目数量不足[3]。目前大多数高校实验课都是老师事先选定实验项目，确定实验方法。实验技术人员配好实验试剂，调整好实验仪器。指导教师上课时先讲实验原理及步骤，学生按照步骤一步一步的做，完成整个教学过程。学生很少主动思考实验过程中所加入的试剂及其作用，实验仪器的使用原理及要求，当实验结果有偏差时，往往都不会去主动分析数据异常的原因[2]，只是为了能在规定的时间内完成任务，缺乏独立思考，质疑方案的能力，极大的限制了学生的思维和创新能力。

2 “互联网+”虚拟仿真项目在食品分析与检验课程体系的构建

“互联网+”时代下，信息技术不断发展成熟，虚拟仿真技术也在课程教学中展现了新的独特的优势。利用互联网远程操作教学实验项目，突破了传统虚拟仿真实验只能单机操作或只能在接入局域网的计算机上操作的限制，从而实现了不受时间、空间等限制的师生互动，使远距离、跨校区同时教学成为可能，也提高了教学资源的使用率[5]。

2.1 食品分析与检验理论知识教育虚拟仿真模块

食品分析与检验理论知识教育虚拟仿真模块主要由基本知识介绍和知识点考核2个部分组成。基本知识虚拟仿真模块采用采用Unity3D渲染等技术，增强现实中需要对3D虚拟场景渲染、设计交互功能，并叠加到相应的AR跟踪真实场景中，将课程教学环节中诸如实验原理、化学反应历程等抽象的理论立体化，让学生可以反复的练习，知识点、注意事项等牢记于心，达到熟练掌握目的。知识点考核虚拟仿真模块首先建立该环节知识点题库，题库中的答案解析设计成为游戏趣味模式，使学生在游戏中完成对知识点的掌握。以食品中脂类物质氧化物质测定实验为例，在该模块中模拟自动氧化、光敏氧化和酶促氧化过程，选择实验条件，让学生进一步掌握了影响油脂氧化的各种因素。并通过虚拟参数的设置，学生可以对各指标测定结果数据进行直观分析，掌握油脂氧化劣变的动态规律。

2.2 样品采集与前处理虚拟仿真模块

样品的采集与前处理是食品分析与检验课程重点内容，特别是样品的采集，目前的教学主要以理论教学为主，鉴于条件的限制，基本上没有开展样品采集相关实践教学环节。利用虚拟仿真技术模拟食品工厂实景，可以让学生比较直观的掌握样品采集的原则、数量和方式等，通过仿真实验使学生熟悉了操作的具体方法。样品前处理技术一直是食品分析与检验课程的重要内容。虚拟仿真模块可以让学生反复操作，掌握样品前处理步骤，例如索氏抽提法对样品中脂肪的虚拟仿真提取。在虚拟场景下学生掌握了索氏抽提过程中的注意事项和操作要求，避免了实际操作中大量乙醚、石油醚的消耗，及其对环境的影响，也避免了实际操作中乙醚燃烧、爆炸等危险性的发生。

2.3 精密仪器检测虚拟仿真模块

快速、方便、智能化的检测技术既省时、省力，还可以减少人员操作等带来的误差。因此，智能精密仪器的快速发展与应用将是分析检验领域的发展方向。精密仪器虚拟仿真模块，结合食品分析与检验课程重点讲解内容，采用虚拟现实和3D交互技术建立相对应的仪器分析虚拟仿真教学项目。指导教师通过教师机传授给学生学习该虚拟仿真教学软件的操作，借助互联网学生可根据注册的账号，随时随地进行相应的学习，通过反复练习熟悉仪器的操作规范，掌握操作要点，然后再上机进行实际操作，通过虚实结合，达到培养学生动手能力目的[4-5]。

以气相色谱仪测定食品中脂肪酸含量实验项目为例。样品在相关模块完成一系列前处理之后，要使用气相色谱进行分析。通过对气相色谱仪的典型单元操作，包括仪器实验原理、软件介绍、操作步骤、参数设置、数据分析和仪器维护等的仿真，加深学生对色谱技术检测的理解，培养学生对气相色谱独立操作的能力，掌握温度、压力、流动相等多种因素影响检验结果。在虚拟实验过程中，利用3DsMax等技术实时模拟真实的实验现象和过程，通过人机交互式的设计，使同学们亦游戏亦学习。

2.4 实验效果评价虚拟仿真模块

评价考核学生对食品分析与检验课程的学习效果，特别是学生的动手能力情况。传统考核方式中除了实验理论以试卷的形式外，操作技能需要借助实验器材在实验室进行完成，这就需要耗费实验材料、占用实验场地、耗费大量时间，同时也极大的增加了实验技术人员和指导教师的工作量。因此，考核学生的实验操作技能一直是食品分析与检验课程探索和改革的方向。开发虚拟软件中实验考核虚拟模块，实现考核客观化、自动化，过程化。将网络平台与考核平台相融合，虚拟平台可实现每一步操作的自动记录、验证和自动评分，并具有过程回放功能，并将考核融入到平时实验中，实验平台可自动记录和监控学生的实验过程和成长轨迹，便于教师进行最终的评判考核[7]。

在虚拟仿真实验模块中按照指导教师确定的知识考核点，建立网络题库。学生在完成该节实验操作后点击完成可以形成实验报告，若学生需要练习，可以点击按钮进行练习，也可以点击考核进行考试。在实验考核模块下，按照实验操作过程评定和实验结果报告评定两个方面设计开发虚拟仿真软件，根据实验类型分别设计验证型实验和综合型实验。验证型实验一般要求学生单独完成。在过程评定中，主要考核学生的实验态度、动手能力和对全程实验的掌控能力。综合型实验依据实验内容要求，成员分工协作、共同完成实验，主要考核同学讨论与协作。指导教师对于讨论和执行过程加以引导，组内成员可以互相进行定性或定量评定，制定组内每名同学实验过程中的相应成绩。实验完成后，指导教师可以根据学生提交的实验报告、讨论结果等对学生进行在线评价，并分别对汇报小组与各个成员进行打分[8]。让学生认真对待每一个实验项目，牢记各知识点与操作要点。再通过实践操作，学生才能熟记要领，规范操作。

3 结语

2017年，教育部印发了《关于2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，计划到2020 年遴选出1000 项示范性虚拟仿真实验教学项目。按照教育部的要求，高等教育应牢牢把握新时代人才培养的任务要求，加快推进现代信息技术与教育教学深度融合，推进在线开放课程和虚拟仿真实验教学建设，形成更高水平的人才培养体系和先进的教学方法。食品分析与检验课程实践性强，将虚拟仿真技术应用到课程实验教学中，加强了学生的直观认识，激发了学生的学习兴趣，利于学生将专业理论知识和实践技能有机结合，提高学生动手能力和创新能力。食品分析与检验课程组要逐步完成重点章节虚拟仿真实验项目的开发，进一步构建虚拟现实结合的实验教学模式，不断优化互联网远程控制实验的人机交互能力，形成完善的“互联网+” 虚拟仿真实验教学体系。