虚拟仿真技术在食品分析检测实验教学中的应用

卢春霞 王双慧 高晓旭

[摘           要]  食品分析检测是食品科学专业一门重要的必修课，在培养创新型、应用型人才的过程中发挥了一定作用。虚拟仿真技术作为一种创新性教学形式，可有效弥补传统实验教学中的不足，提升学生的创新能力。针对目前食品分析检测实验教学存在的问题，探讨了虚拟仿真技术在该课程实验教学应用中的可行性和必要性。以期解决部分实验内容因时间、空间、资源限制无法开设等问题，丰富教学内容及方式，调动学生的学习积极性，提高实验教学质量。

[关    键   词]  食品分析检测;虚拟仿真技术;教学改革

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                    [文章编号]  2096-0603（2020）07-0084-02

近年来，随着社会经济的不断进步发展，人们对食品营养与安全问题日益关注。因此，培养食品科学专业应用型人才是高等院校培养目标之一。食品分析检验是一门实践性、技术性很强的课程[1]，其教学目的主要是通过实践培养学生的动手能力、实验技能、分析和解决问题的能力以及严谨的科学态度和创新精神。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[2-3]，如一些检测项目存在实验周期长、药品危害大、实验成本高、实验室条件有限等一系列现实问题，导致该课程实验内容陈旧，与现有一线检测技术要求存在较大差距。虽然很多高校也在尝试教学方法及模式的改革，但教学质量和效果没有得到明显提升。

随着计算机及信息技术的飞速发展，虚拟仿真教学技术以其生动逼真、成本低、操作简单等优点在教学中展现了独特的优势。它作为一种新的教学模式，可弥补在实际教学中难以实现的教学，是对传统教学手段的有效补充。目前，该技术已逐渐应用于高校的实验教学，成为提高教学质量的重要手段之一[4-5]。据统计，截止到2016年，教育部已评审建立了300个虚拟仿真实验教学中心，学科类别涵盖44个。2017年，教育部办公厅颁布了教高厅〔2017〕4号文件，计划截止到2020年，将分4批认定约1000个虚拟仿真实验教学项目[6]。由此可见，虚拟仿真技术与实验教学相结合已经成为高校教学改革的一个发展热点。因此，本文针对目前食品分析检测课程存在的一些问题以及如何将虚拟仿真技术引入实验教学，以提高实验教学效果提出一些教学改革建议。

一、传统食品分析检测实验教学的不足

（一）教学内容陈旧，实验教学平台落后

食品分析检验实验项目繁多，所需大型分析仪器也较多，特别是一些有害成分的检测，如农药残留、兽药残留、食品添加剂、违规添加物、重金属等实验内容，涉及使用HPLC-MS/MS（高效液相色谱-串联质谱仪）、UPLC（超高效液相色谱）、气相色谱质谱联用仪（GC-MS）、气相色谱（GC）、电感耦合等离子体质谱（IPC-MS）、原子吸收分光光度计等大型分析仪器。而这些仪器往往价格昂贵、维护成本高，受场地和经费的限制，很多高校无法采购先进高端的实验仪器，势必影响一些实验项目的开展，导致一些高校的食品分析检测课程的实验教学内容多以常规项目如水分、蛋白质、脂肪、酸度、粗灰分、粗纤维、磷、还原糖等为主，检测方法多采用滴定、紫外/分光光度计、索氏抽提等最常规的实验手段。另外，由于食品分析检测实验会用到一些有毒有害化学试剂和药品，为了学生安全考虑，教师往往选择一些安全性高、容易操作的实验内容。因此，由于种种原因，致使食品分析检测实验教学内容落后，学生无法掌握最新的分析检测方法，与当今飞速发展的前沿技术和新检测手段脱节，满足不了时代发展的需要[7-8]。

（二）教学条件有限，学生参与度不高

目前很多高校在实验教学中，存在实验场地拥挤、实验仪器投入不足、教学资源有限等问题，设备数量不足以达到每人一组，大部分学生很难独立完成全程实验。一般情况下，指导老师将学生安排成实验小组开展实验，每个小组4～5人，这就无法保证每个学生都能参与到实验中去。特别是对大型分析仪器，鉴于仪器昂贵，且数量限制，教师只能开展演示实验，学生少有实际操作的机会，再加上精密仪器结构较复杂，讲解抽象，枯燥乏味，学生不易理解，教学效果不尽如人意。

（三）教学方法单一，学生积极性不高

目前，传统的食品分析检测授课方式多以教师为主导，学生被动接受，教学方法单一，内容枯燥乏味。大多情况下，实验课都是老师事先选定实验项目，确定实验方法，然后由实验员老师配制试剂、调试仪器，指导教师照本宣科讲解实验目的、基本原理、实验步骤等。学生按部就班完成操作，上交实验报告即可，很多学生就是“走过场”，不会主动思考仪器使用及实验原理，当实验结果有偏差时，不会分析数据异常的原因，动手能力得不到真正提升。这种传统教学方式导致学生积极性不高，限制了学生独立思考及综合创新能力的发展，影响教学质量。

二、虚拟仿真技术在食品分析检测实验教学中的应用优势

（一）减少危害性试剂的使用，降低实验危险性

在食品分析檢测实验中，避免不了使用一些具有危害性的化学试剂及有机溶剂，如果操作不当，容易发生实验安全事故。例如，在农兽药残留检测实验中对样品进行前处时经常使用乙腈、丙酮、氯仿、甲苯、甲醇、异丙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷等有机溶剂理;索氏抽提法对样品中脂肪的测定时，大量使用乙醚、石油醚;重金属测定时使用的硫酸、盐酸、硝酸等;以及黄曲霉毒素检测时使用的黄曲霉毒素标准品等。有些试剂易燃易爆，有些试剂对人体危害较大。虚拟仿真实验授课不仅可以避免危险性化学试剂的接触和消耗，还可以通过直观、逼真的虚拟实验，使学生掌握实验过程中的注意事项和操作要求，对危险化学试剂使用有更为准确的认识。因此，虚拟仿真实验教学可以降低实验的危险性同时提高学生的实验理解能力。

（二）缩短实验周期，节约教学成本

传统的食品分析检测实验教学中，有些检测项目实验周期较长。例如，索氏抽提法测定食品中脂肪含量，样品干燥0.5～1h，回流抽提需6～8h，抽提结束后，溶剂蒸发、接收瓶干燥至恒重约需2～3h，整个实验过程约需10～14h。再者，食品中微生物学检验不仅需要无菌实验室，而且实验周期较长，微生物培养过程需要2～3天。这类项目学生在有限的课时内根本无法完成，为按时完成教学任务，势必要缩短一些实验时间。而实验虚拟仿真实验则可以不受时间、空间、场地、设备的限制，只要有移动终端，学生就可以随时随地进入虚拟仿真实验平台开始实验操作[9]。有效解决了部分实验周期长、学时不足等问题。

另外，有些实验实际操作起来会涉及大型仪和价格昂贵的化学试剂。例如，农药、兽药残留测定时，不仅需要几种甚至几十种标准品，而且需要价格上百万的HPLC-MS/MS及GC-MS/MS等仪器。而虚拟仿真教学，学生操作的是虚拟设备，不需要这些价格昂贵的大型仪器，所有实验步骤可在电脑上完成，大大降低了试剂及耗材的消耗，节省设备维护费用，投资成本远低于实际操作。

（三）提高教学趣味性和参与度

因教学条件的限制，部分学校的实验室存在人多机少的问题，授课时只能通过教师的演示操作和讲解来学习，学生不易理解，很难掌握实验操作要点，学生参与度不高。仿真教学可弥补传统实验教学和客观条件的不足，为学生提供近似真实的实验环境，使仪器结构更直观，实验过程更逼真，课堂教学更丰富。例如，在使用液相色谱的一些实验教学中，可采用虚实有机结合，互动式教学模式，将虚拟仿真实验流程完全参照实操进行，包括样品前处理、实验仪器和试剂的选择、仪器参数设置、软件的使用、数据分析和仪器维护等，都比照真实仪器操作训练。大幅度降低了实验教学成本，提高学生了实操机会，增强教学的趣味性。

三、结束语

食品分析检测实验课程是为社会培养应用型人才的一门专业课程，具有很强的实践性。将虚拟仿真技术引入该课程的实验教学，不但可以丰富教学内容和方式，提高学生学习的积极性，而且可以降低教学中的成本投入，提高教学质量。但在建设虚拟仿真实验项目时，应遵从“虚实结合、相互补充、能实不虚”的指导方针，将虚拟的和真实的实验项目相互补充，不断完善人才培养体系和先进的教学方法，提升食品科学专业实验教学水平，提高学生培养效果。

参考文献：

[1]张水华.食品分析[M].北京：中国轻工业出版社，2007.

[2]卢春霞，高晓旭，谭飔.《食品分析检测》实验教学改革探索[J].现代职业教育，2019（8）：28-29.

[3]乔明武，宋淼，宋莲军，等.“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[J].山东化工，2019，48（15）：175-178.

[4]李旭，李卫芳，张倩，等.中国科学技术大学“生物化学”系列实验课程体系改革初探[J].高校生物学教学研究（电子版），2019，9（1）：35-39.

[5]邹家柱，程品晶.高校虚拟仿真实验室建设总结[J].中国电力教育，2014（18）：80-81.

[6]林琎，赵春青，刘会香，等.虚拟仿真技术在高校实验和实践教学中的应用[J].中国现代教育装备，2019（5）：6-8.

[7]黃春红，谢中国，贺江，等.《食品分析与检验》教学现状与改革必要性分析[J].广州化工，2017，45（12）：183-185.

[8]李凯凯.食品分析“教学改革探索与实践”[J].科技文汇，2018（425）：60-61.

[9]梁燕秀.虚拟仿真实验技术在“食品微生物检验”教学中的应用探索[J].福建轻纺，2019（9）：48-50.

◎编辑 张 慧