后疫情时代下基于虚拟仿真技术提升食品科学与工程专业教学质量的探讨

陈海，朱瀚昆，戴宏杰，郭婷，张宇昊

(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)

2020年2月，疫情的爆发给全国各地高校教育工作的正常开展带来了前所未有的挑战。为保证学校教学工作的正常开展，教育部根据疫情防控实际情况提出了“停课不停教，停课不停学”的要求，并确保各高校严格落实教学质量；各高等院校积极响应，建立了良好的线上教学平台，并全面普及网络教学模式。目前，我国疫情防控态势积极向好，全国各地的正常生活得以有序开展。但是，疫情并没有完全消失，疫情在全国各地仍然呈现零星点爆发的态势。在这种常态化疫情防控背景下，利用“线上+线下”混合教学模式实现食品科学与工程专业基础理论的教学已经逐步被高等院校接受，而且响应性的“线上+线下”可切换教学模式能够有效地应对疫情防控的升级。但是，食品科学与工程专业的实验和实践类课程的开展需要学生通过现场操作，利用实验设备、外出调研等方式获得相关的数据。因此，这类课程的正常有序开展仍然面临着疫情突发带来的巨大挑战[1-4]。

虚拟仿真技术依托现代化的计算机硬件和软件技术，对系统内部的组成、结构、行为以及参与系统控制者的思维和行为进行系统性、动态性的模仿[5]。随着信息化时代的到来，计算机技术得到快速的发展和普及，互联网内容的交互式动态图像等特点使得虚拟仿真技术越来越商业化和普遍化。由于虚拟仿真技术具有较高的逼真性、交互性、沉浸性和虚幻性等特点，该技术已经逐步发展成为人类认识客观规律甚至改造客观世界的一项通用性和战略性技术。目前，得益于虚拟仿真技术独特的优势，虚拟仿真实验平台项目的建设受到了各个学校、国家等不同层面的大力支持，基于虚拟仿真技术的教学模式也被广泛运用在生物、化学、食品等各类学科中[6-7]。2018年，教育部印发了关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知，进一步深化和拓展了虚拟仿真教学项目的建设工作，推动了虚拟仿真技术在高校教学中的改革探索。总体而言，当前虚拟仿真融入教学过程的模式主要在于辅助教学过程中难以完成的相关实验实践教学部分，比如抽象化教学实验、涉及大型仪器使用的实验、高危实验、耗时长的实验等[3,5-7]。因此，基于虚拟仿真实验室的逼真性、交互性和虚幻性等特点，教师可以充分利用虚拟仿真软件进行相关的实验教学，帮助学生了解实验的基本原理、操作流程、操作要点以及复杂工艺流程，从而高效地完成教学。学生可以通过反复操作虚拟仿真软件进行多次重复实验，进而对实验过程中的疑点、难点等进行全方位的理解和掌握，使学习过程富有成效。实际上，虚拟仿真技术可以很好的应对后疫情时代疫情防控升级对食品科学与工程专业实验和实践类课程正常开展带来的冲击，保障特殊防疫时期实验实践教学的正常进度。

1 疫情时代下虚拟仿真技术应用于食品专业教学的必要性和可能性

严格的疫情防控措施下，高校不得不采用网络教学模式完成各类理论课程的教学任务，高等学校教师也迅速掌握了网络教学手段和方法[8]。然而对于实验实践类课程，如何有效地利用并发挥虚拟仿真技术在教学中的作用，以此提升学生的培养质量，也是高校教师高度关注的事情。当前，将虚拟仿真技术常态化融入实验实践课程需要解决2个问题，即虚拟仿真技术应用于食品专业实验实践教学的必要性和可能性。

1.1 虚拟仿真技术应用于食品专业教学的必要性

食品专业是培养高级工程技术人才的主阵地，由于食品专业具有理工科结合的特点，在教学过程中不仅要向学生传授化学、生物学、机械、工程等食品科学的基本理论，同时还要培养学生在食品生产、食品分析检测等方面的实验能力和动手能力。因此，在整个培养过程中，培养学生的实验操作和动手能力是保证教学质量的重要环节[9]。目前，食品专业开设的大多数课程，如食品工艺学、仪器分析、食品化学、食品微生物学、乳品学等，需要在传授基础理论的基础上，开展基础实验及专业实验项目和实践实习项目。以笔者所在学院的食品科学与工程专业培养方案为例，在开设的已有课程中，需要开展线下实验实践教学的课程比例超过50%。然而，后疫情时代，传统的实验教学模式不仅受到时间、实验教学仪器、实验室空间和规模等限制；同时，在严格的防疫要求下，线下实验教学以及企业实践等课程的开展也会不时地受到冲击，严重影响食品专业多门学科的实验和实践教学质量。笔者所在学校开设的食品科学与工程专业认知实习课程内容之一是依托重庆市乳品企业开展实地参观，由指导教师带领约10～20名学生前往企业，配合企业内部人员的讲解，达到实践教学目的。本人通过带队前行及后续访问的方式进行调研，发现企业出于疫情防控要求以及食品安全管理的考虑，并不能让学生近距离地观察整个生产流程；同时，由于学生对实际生产流程相关知识的认知较浅，导致整个实践环节出现“走马观花”的效果，不利于学生建立形象化的乳品生产知识体系。而且，由于疫情爆发的不确定性，原定计划的企业参观实习等可能也会因为疫情防控的要求而被迫临时取消，校企间的实践教学合作受到冲击，导致实践教学不能按时保质进行。虚拟仿真实验平台能够有效地突破时间、空间和仪器资源等约束，克服实验和实践教学对实际客观条件的依赖性，满足教学需求，使得学生能够完成成本高、耗时长、涉及先进仪器设备的实验和需要前往企业进行实践的项目，也使抽象化的工艺流程、实验原理等形象化，强化了学生对相关工艺流程和实验现象的理解。更为重要的是，虚拟仿真教学可以避免疫情防控的升级而带来的线下教学中断，保证教学的有序开展。因此，融入常态化的仿真教学模式对于保障食品科学与工程专业的教学质量是非常必要且有意义的。

1.2 虚拟仿真技术应用于食品专业教学的可能性

随着国家政策的大力支持并出台相关的文件如《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》， 很多高校如江南大学、中国农业大学、东北农业大学、华南农业大学等积极响应国家号召，开展虚拟仿真实验平台的建设。本文以 “虚拟仿真”和“食品”为主题对中国知网数据库和万方数据库的相关文献进行精确检索并统计，如图1所示，基于虚拟仿真教学平台开展食品科学相关学科的教学改革论文在2015年至2020年间呈现急剧增加趋势(图1)，说明将虚拟仿真技术融入传统教学也引起了高校教师的广泛关注。

图1 “虚拟仿真”和“食品”关联的文献篇数逐年分布图Fig.1 Number of published papers associated with “virtual simulation” and “food”

《食品工程原理》作为食品科学与工程专业的核心基础课程，涵盖较多理论公式、复杂的推算过程以及抽象化的工程模块，导致许多学生在该课程学习过程中面临着较大的学习障碍。因此，多所高校已经建立了《食品工程原理》仿真教学平台。例如，江南大学将虚拟仿真技术融入《食品工程原理》实验教学，在计算机上演示具体的操作单元，能够有效地减少实验出错以及促进学生建立各操作单元的感性认识[10]。吉林大学在《食品工程原理》实验教学中，充分利用仿真教学的优势，克服了传统教学中存在的诸多难题，如某些操作实施困难、部分现象难以观察，以及完成部分高危的单元操作[11]。福建农林大学构建了食品工程原理实验虚拟仿真教学体系，有效地激发了学生的学习兴趣，拓展了学生的学习资源[12]。笔者所在的学院依托欧倍尔平台也建立了《食品工程原理》实践课程虚拟仿真平台，为学生更好地理解课程原理和抽象化的结构单元提供了良好的条件。《食品机械与设备》是一门强化学生工程实践和实际操作能力的重要课程，对于食品科学与工程专业学生的培养尤为重要。华南理工大学引入机械设备结构认知仿真和虚拟实验操作仿真平台，加深了学生对食品机械设备相关理论和操作的理解[13]。《食品工艺学》是食品科学与工程专业的核心课程，很多高校根据学科内容建立了不同的虚拟仿真实践课程。例如，渤海大学运用虚拟仿真技术3D模拟酸奶工厂环境，对酸奶生产过程中的原料预处理、冷却、杀菌、配料、均质等环节进行仿真，有效地提高了学生对整个酸奶工艺生产环节的认识和理解[14]。江南大学基于虚拟仿真教学平台，提出线上预习、线下创新的教学模式，提高了教学效率的同时也有助于学生更好的体验真实仪器设备[15]。除此之外，将虚拟仿真融入其它涉及食品科学与工程专业的课程也进行了广泛的探索和改革。例如，浙江工商大学搭建了《仪器分析》课程实验教学仿真系统[16]；南京财经大学探讨了《食品化学》课程的仿真模拟教学模式和方法[17]；石河子大学利用虚拟仿真平台差异化建设食品微生物学实验虚拟仿真实验项目[18]；这些教学探索和改革表明，将虚拟仿真技术合理地应用在食品专业的教学中可以适应学校实验条件的不足，帮助学生更直观形象的理解实验原理，并受到任课教师和学生较高的欢迎度。而且，以 “虚拟仿真”和课程名称为主题对中国知网数据库进行检索发现，食品科学与工程专业的多门课程的实验实践教学环节均可以融入虚拟仿真技术，从而提升教学质量(图2)。因此，将虚拟仿真技术应用于常态化的食品专业教学具有可能性。

图2 虚拟仿真应用于食品相关课程的文献篇数分布图Fig.2 Number of published papers related to the application of virtual simulation in food-related courses

2 疫情时代下虚拟仿真技术在食品专业应用中存在的主要问题

在国家多项政策的支持和引导下，以及计算机虚拟仿真技术在本科教学应用中的不断探索，开设食品科学与工程专业的部分高等院校积极开展了相关课程的虚拟仿真实验教学平台建设工作，并将虚拟仿真技术应用于食品专业的实验实践教学，以此提高学生的学习兴趣和学习效率[19-21]。尽管该技术具有很多优势，但是在后疫情时代，我国高校将虚拟仿真技术应用于食品专业教学中仍存在着一些问题。

2.1 常规化融入虚拟仿真技术力度不大

尽管许多高校建立了虚拟仿真教学平台，并根据食品科学与工程专业相关的实验实践课程开展仿真实践教学探索，但是将其融入常态化的课程教学仍然不够完善。后疫情时代，常态化的线上理论学习已经得以建立，根据疫情防控的变化，大部分高校可以做到“线上+线下”随时切换，能够真正做到“停课不停教，停课不停学”[22-23]。例如，2021年9月，西南大学入学核酸检测结果出现异常，应防控要求，所有线下课程立刻转为线上模式，以此保证正常教学进度及质量。然而，实验和实践等课程还没有建立成熟配套的虚拟仿真教学模式，不能做到随时切换以保证教学工作的正常开展。而且，拥有虚拟仿真平台的许多高校任课教师暂未积极开展虚拟仿真实验教学。尤其是对于一些年长的教师而言，尝试这种线上的教学模式存在难度，甚至有不少教师不知道或不记得学校拥有虚拟仿真平台，使搭建好的平台并没有高效地被利用，造成资源浪费。

2.2 已搭建的虚拟仿真教学平台不稳定

在疫情防控背景下，将虚拟仿真系统融入实验、实践教学中，平台的稳定性是保证教学质量的关键[24]。一旦出现疫情防控级别提升，大量实验实践课程转为线上仿真教学，容易导致服务器拥堵。目前，利用虚拟仿真教学平台进行食品科学与工程专业相关课程的实验、实践教学以及考核中存在着教学平台不稳定的现象。笔者以本校学生进行虚拟仿真竞赛考试为契机，对仿真教学平台的稳定性进行了调研。在第一次调研中，20名同学参加虚拟仿真考试，其中8名学生出现不同程度的卡机、系统进入困难等问题，最后有3名同学因为系统不稳定原因不得不更换考试时间。在第二次调研中，16名同学参加虚拟仿真考试，其中6名学生出现不同程度的卡机、系统进入困难等问题。利用虚拟仿真平台进行实验、实践教学仍然存在着系统不稳定的现象，严重影响了教学质量。

2.3 资源利用率低、共享理念不健全

随着国家政策的引导，越来越多开设食品专业的高校建设了虚拟仿真实验中心。然而，除了少数高等院校的虚拟仿真平台包含食品科学与工程专业的多门实验和专业实践仿真课程，大多数学校因为开发成本、学科发展及建设目标等限制并没有建立完整系统的虚拟仿真平台，这就导致大部分高校的虚拟仿真平台只能满足少数甚至不足一门课程的仿真教学需求。然而，在疫情防控的背景下，线下的多门实验教学会同时受到波及，这就导致该校的仿真教学平台只能满足已有课程的实验实践教学。另外，虽然不同高校根据自己的学科特色，建设了差异化的虚拟仿真课程，但是，由于各个高校间虚拟仿真平台的共享并没有有效地打通，这就导致资源利用不充分[25-26]。已有的虚拟仿真平台不能高效地服务于实验实践教学。

3 疫情时代下虚拟仿真技术提升食品专业教学质量的建议

3.1 强化教师队伍虚拟仿真教学的意识和能力

虚拟仿真技术作为信息化高度发展的新兴产物，其在实验和实践教学中的应用需要不断地探索；同时，让高校的任课教师接受并使用它也需要一个过程。在后疫情时代，为了让虚拟仿真教学更好的服务于食品专业相关的实验实践教学， 转变任课教师传统的思维理念，树立仿真教学思维尤为重要。这也是能否推动虚拟仿真技术在食品专业教学常态化应用的关键。其次，需要加强任课老师信息化能力，促进仿真技术与实验实践教学的有机融合，推动仿真教学的有效性和趣味性。学校领导层面可以通过宣传、培训、竞赛等方式强化高校教师主体对虚拟仿真教学的认识。例如，笔者所在学院通过主动承办“欧倍尔杯”2021年第三届全国食品专业工程实践训练综合能力竞赛，激发了师生对于仿真平台学习的兴趣。

3.2 加强整合资源，搭建良好资源平台

首先，各个高校要根据自身学科发展和学科优势，逐步建立具有特色的食品科学与工程相关课程的虚拟仿真教学课程[27]。鉴于高校的人力、财力以及资源有限，国家相关部门应该积极引导高校间合作，建立高校食品科学与工程专业虚拟仿真教学资源共享平台，为各个高校之间的合作打通渠道，实现虚拟仿真技术在食品科学与工程专业实验和实践教学中发挥最大的价值。这样不仅可以减少因重复性的课程建设而导致的人力、物力和财力的浪费，而且还可以为没有条件搭建虚拟仿真平台的高校提供教学便利，尽可能地保证后疫情时代各高校食品专业学生的教学质量。例如，笔者所在食品学院通过与欧倍尔建立合作，实现了食品工程原理等多门课程资源的共享与合作，既推动了虚拟仿真技术在食品专业教学中的实际应用，满足了学生和教师对虚拟仿真学习和教学的需求；同时，也为本学院的进一步发展节省了相关的物力和财力。

3.3 加强实践教学过程监测，完善虚拟仿真考核评价机制

后疫情时代，远程虚拟仿真教学模式可以有效地应对突发的疫情防控措施。学生可以在宿舍或者居家进行远程在线实验实践学习，在这种教学模式过程中，师生并没有直接的面对面进行教学，学生会有听课松懈等现象。因此，加强任课老师对学生学习过程的监测是保证学有所得、学有所获、学有所长的关键[28-29]。比如，可以利用腾讯会议平台的“语音”和“视频”实现教学过程的师生互动、利用学习通平台“抢答”和“选人”进行课堂问答，增强学生学习过程的参与度。其次，强化过程性考核，促使学生真正掌握实验相关的基础理论和操作流程。依托独立的实验报告、随机性考核以及个性化考核等形式强化学生实践操作要点，提升实际解决问题的能力。最后，完善虚拟仿真软件的智能化质量监控，辅助任课教师高效地完成课程教学考核与评价。

论文作者负责并参与打造了西南大学食品科学学院的 “榨菜加工工艺与设备虚拟仿真实验”项目。目前，该实验项目开设期次累计4次，共计完成本科生实践教学354人，累计服务校外人数500余人，能够有效地推动疫情期间实践教学的正常开展。在项目运行过程中，为了提升仿真教学质量，本院建成了卓有成效的质量监控体系，包括学生网络签到、学生在线时间统计、登录次数统计、网络实时评分系统和师生在线答疑等。实验过程结束后，学生可下载相关实验数据进行数据统计和分析。指导老师可以登录系统及时了解学生实验参与情况和实验报告完成情况，教师也可网上实时参与实验指导或离线指导。通过这些质量保障措施，不仅能及时解决学生在实验过程中遇到的问题，提高学习效率，也能让指导教师及时掌握学生的进展情况和学习效果，高效完成学生实践过程监测与考核评价。以“线上”与“线下”质量监控措施构建了实践教学质量监控体系，有效保障了实践质量的持续改进和考评机制的建立。基于本课程项目的不断实施和评价体系的建立，该课程项目已成功获批重庆市高校一流课程。

3.4 强化“线下+线上”高效切换机制

虚拟仿真技术具有诸多优势，能够更加生动形象的完成教学过程。然而对于食品专业的很多课程，完全依赖于虚拟仿真技术反而达不到很好的教学效果。如图3所示，在教学过程中应该采用多元化、专业化的教学模式，将传统教学模式与现代化的虚拟仿真技术进行有机的结合，并建立高效的“线下+线上”切换机制。在后疫情时代，当防控级别较低时，学生可以在线下完成实验实践教学，虚拟仿真技术可以作为一种提升教学质量的有效辅助手段[30]；然而，一旦防控级别提升，高效地切换成“线上”模式则是保障正常实验实践教学开展的重要途径。因此，强化“线下+线上”高效切换机制对于培养学生扎实的实验技能、提升教学质量以及保证教学顺利开展具有重要意义。

图3 “线下+线上”高效切换机制保障并提升教学质量Fig.3 The efficient switching mechanism for “online+offline”teaching mode to guarantee and improve teaching quality

4 结论

在后疫情时代，面对特殊时期的疫情防控突发性，食品科学与工程专业的实验实践教学面临困难。将虚拟仿真应用于食品科学与工程专业的实验和实践教学是解决特殊时期教学困难的有效途径。国家层面应当积极推动虚拟仿真技术在食品专业的实验实践教学的常态化，推动各个高校间加强资源整合，同时鼓励高校积极开展虚拟仿真教学的改革，建立高效的“线上+线下”切换机制。同时，高校教师也应该积极适应形势变化，转变传统教学模式和观念，充分利用现代化的教学资源，将虚拟仿真技术有机地融合在课程教学中，为保障和提升食品科学与工程专业的教学质量提供支撑。