新工科背景下食品质量与安全专业虚拟仿真实验室建设初探

＊孙海燕 张辰露 耿敬章 裴金金 李虎

（1.陕西理工大学 生物科学与工程学院 陕西 723000 2.陕西理工大学 陕西省资源生物重点实验室 陕西 723000 3.国家农产品保鲜工程技术研究中心秦巴地区保鲜工作站 陕西 723000 4.陕南秦巴山区生物资源综合开发协同创新中心 陕西 723000 5.陕西理工大学秦巴生物资源与生态环境省部共建国家重点实验室（培育）陕西 723000）

食品质量与安全专业是研究食品的营养、安全与健康的关系，食品营养的保障和食品安全卫生质量管理的学科。食品质量与安全专业培养学生具备化学、生物学、食品科学、食品质量管理及安全控制、国内外食品安全的标准与法规等方面知识和基本实践技能，能从事食品安全分析检测、动物检验检疫、农产品和食品质量管理等技术工作，以及食品原料及相关产品质量控制、质量检测、质量管理、质量认证等应用技术和管理技术工作，属工科专业。

2017年以来，我国教育部开始重视新工科建设，在“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”三部曲的助推下，提出构建工科专业新结构，大力发展人工智能等新技术，轻工、纺织等产业转型升级、向价值链中高端发展，推动工科与其他学科交叉融合[1-4]，突出了人工智能技术与工科教育的融合发展。新工科建设指南中提出的创新型工程教育理念、学科交叉融合、专业结构优化升级、产学研合作育人等意见，已成为目前我国高等教育改革的焦点[5]。2017年教育部提出了以现代信息技术为依托，各高校积极开展虚拟仿真教学项目，加强优质资源建设和应用，增强学生的创新和实践能力[6]。

虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术，是将先进的仿真技术与网络技术结合，就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术，是在20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术，涉及到的技术主要有传感技术、计算机图形学、人工智能和人机交互技术等；由计算机硬软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境，即虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界存在或是不存在的事物和环境，人投入到这种环境中，会有“亲临其境”的感觉，而且可以亲自操作，自然地与虚拟环境进行交互，即仿真技术就是应用仿真硬件和仿真软件通过仿真实验，借助某些数值计算和问题求解，反映系统行为或过程的仿真模型技术。各高校食品专业实践性教学由于受实验场地、原材料、安全性等因素的限制，导致某些实验项目无法正常开展进行。因此，建立虚拟仿真实验室，通过仿真技术，使学生通过仿真软件，达到与真实操作设备一致效果的目的[7-8]。近年来，随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟仿真实验室在教育领域的应用价值，因此，国内的许多高校都在积极申报虚拟仿真实验室的建立。仿真模拟实验教学除具有利用率高，易维护等优点，还具有生动形象、直观逼真等特点，可极大地提高和激发学生对教学实验和科研实验的好奇心和学习兴趣，通过仿真实验可以让学生进一步地了解食品感官评价流程和方法，了解所使用的仪器设备运行原理，还可以在系统中模拟实际操作，既达到了实验目的，节约了实验和教学成本，又提升了实验安全性，开拓了学生的视野，同时增强学生的安全意识和社会责任感[9-10]。

在新工科背景下，高校食品专业相关课程，也应实现现代化技术与课程的融合，改革与创新教学新手段、新形式，让新媒体、智能设备进入专业课程，让学生可以直观形象的进行各种试验操作，也可以在一定程度上提升学生的学习兴趣，促进德智教育的有效融合。

1.食品质量与安全专业实验和实践教学与虚拟仿真技术融合建设内容

(1)食品专业实验教学虚拟仿真模块建设

食品质量与安全专业核心课程如有机化学、无机化学、分析化学、食品化学、食品毒理学、现代食品安全科学、食品感官评价、仪器分析等课程要么知识点分散，知识内容抽象，不易理解掌握；要么实验操作有一定危险性，对实验场地和实验专业设备要求较高等，在具体实验进行过程中导致实验效果不佳。因此，利用现代信息技术，将虚拟仿真实验技术应用到专业实验教学中，通过建立虚拟仿真实验室教学平台，使学生直接在平台上进行实验项目的操作，既可以人机交互，也可以直接观看实验操作视频、实验原理和实验操作的3D动画演示。除此之外，还可直接在仿真实验平台开展进入实验室前的安全知识培训考核等。如开发食品物理化学实验的虚拟仿真项目，开发食品感官评价实验的虚拟仿真项目，智能感官设备——电子舌、电子鼻、电子眼、气质联用色谱、气相离子迁移色谱等设备购置费用较高，在感官品评实验中很难让学生都接触使用，利用虚拟仿真技术，将其与智能感官品评设备和人机一体化品评设备的具体原理和与具体品评实验项目相融合，多设计开放创新型实验内容，让每一个学生都能从实验设计、准备开始介入，不但会实用的简单操作，而是整体实验的学习，锻炼学生的创新实验能力，促使每个学生都要主动思考实验、参与实验，强化理论知识的运用和具体的实验效果。

(2)食品专业实训虚拟仿真模块建设

专业实训虚拟仿真模块是食品质量与安全专业教学体系中培养学生创新和实践应用能力最重要的模块。根据食品专业建设要求，可以构建不同的专业实训，如构建食品综合实训仿真实训，包括食品加工、感官品评、理化测定和微生物检测虚拟仿真实训，如啤酒、果酒加工品评综合实训、肉类产品加工品评综合实训、果蔬产品加工品评综合实训、酸奶加工品评综合实训等。也可以依据食品质量安全专业特点要求，构建食品安全快检实训，这对学生专业知识的理解掌握能力要求较高。还可以虚拟工厂形式整体展示和部分重点展示食品生产、检测企业的厂区设计平面、生产工艺路线、加工设备及设备具体工作原理、状态等，将食品安全信息管理、食品研发、风险管理和车间管理及GMP良好生产作业规范和卫生标准操作程序、ISO质量标准等内容与虚拟仿真实训相融合，在向学生展示、演示的同时，还可以进行仿真互动。

利用虚拟仿真技术构建实训，不需要受实验场地、实验设备、实验安全等外因限制，可以根据专业特点，多方面构建实训内容，通过虚拟仿真实训让学生全面系统地掌握食品的生产和检测的全过程，拓宽学生的知识面，强化学生的食品加工、安全检测、质量评价等素质，提升学生的综合知识运用能力，为学生就业打下良好基础。

(3)创新设计虚拟仿真模块建设

在专业理论知识、实验和实训基础上，进一步加强学生的综合运用和创新能力，可以设置食品专业的创新设计虚拟仿真模块。学生可以在虚拟仿真系统里模拟大学生创新创业竞赛、“互联网+”项目、挑战杯比赛、大学生生命竞赛等活动操作，同时可以将老师成功典型的科研项目作为系统资源，让学生利用方针系统模拟参与科研项目，一方面可以锻炼提升学生的设计动手能力，另一方面也可以拓宽学生的思维，激发学生创新创业意识，对提升教师的教学效果也是非常有效的。

2.虚拟仿真技术在食品质量与安全专业实践教学应用的优势

(1)提升学生学习兴趣，激发学生创新意识

将现代信息技术融入食品专业实验实训教学各环节，使实验实训不再局限于教室，不在受各种条件限制，每个学生都可以上手模拟，每个学生都可以自主设置模拟条件、模拟参数，依据自身设置得到自己的实验数据、实验结果，随时随地进行网络学习操作，趣味性增强[9-10]，既提升学生的实验实训学习兴趣和热情，又可以激发学生的创新思维，开拓视野。

(2)深入直观地演示实验实训操作，进行人机互动

虚拟仿真教学不光是对学生学习提出了更高要求，要求每一个学生都必须在模拟平台提前预习、主动操作、课后复习、完成作业，理解掌握理论知识，在实验进行时，每一个学生都需要亲自动手操作，进行人机互动，每个学生得到不同的实验数据，避免个别同学偷懒抄袭实验结果；同时也对任课教师提出了高要求，教师是实现信息化教学的关键，因此要求教师能够提前参加虚拟仿真系统平台学习，熟悉系统操作，同时也要求老师要能够将课程知识系统整体贯穿、系统梳理。

实验结束，要求教师能够依托云计算、大数据等现代信息技术，分析学生的实验实训数据，可以为教师提供教学效果评价模型，智能跟踪学生的学习效果，及时发现学生学习中的短板，帮助教师及时调整解决学生实验实训学习中的问题[11]。

(3)全面模拟各类实验实训内容

各高校食品专业由于受实验场地、实验实训经费等的限制，不能配备所有先进仪器设备和实验场地，或者某些实验实训受到原材料、实验项目安全性限制等，导致某些实验实训教学无法开展或者由于教学资源配置不足，导致学生动手机会少的问题[9,12]，因此，建立虚拟仿真实验室，通过仿真软件，让学生达到与实地实验操作仪器设备相似的效果[7-8]。通过虚拟仿真技术在食品专业教学实验实训中的应用，可以全面模拟各类项目，让学生提前熟悉工厂实际情况，为后续实习就业打下良好基础；同时可以在实验过程中不断调整软件设计，完善实验仿真系统，使之与食品专业学生就业所需项目更加贴合；还可以与校内其他学科专业相结合，开发更多更前沿的实验实训项目，让学生得到更多锻炼机会。

3.结束语

现代信息技术引入各大高校理论和实验实训教学中已成为不可阻挡的教育改革趋势，要求教育工作者转变教育观念，提高教育质量，这对于培养创新型人才具有深远意义。而如何合理并科学的利用现代信息技术对食品专业理论和实践性教学进行创新变革，也是我们食品专业教师应该思考和探索的问题。

虚拟仿真技术具有跨学科、跨年级等优势，可以将多学科多专业领域的知识汇聚在一起，推动学生知识面的扩展。虚拟仿真实验实训教学作为先进的教学手段，具有利用率高、易维护、实验生动形象、直观逼真等特点，在让学生模拟真实操作的同时，还可以节约实验实训成本，提高实验的安全性和趣味性。虚拟仿真技术虽然对教学改进有很多好处，但虚拟仿真实验室的建设需要大量物力和财力的投入，因此通过加强校企及校际间的共建共享机制，既可以达到促进教育资源公平、相互学习的目的，也能避免教学资源的浪费，增强和促进校际和校企的交流，课程的整合等[13]。

未来的高校教育，一定是更加开放、创新、共享、可持续的教育，对教育工作者提出了更高要求，要不断更新教学理念，提高教学素养，顺应现代教育发展潮流，使食品专业实践性教学模式更加多样化，相信随着虚拟实验技术的成熟和人们对虚拟仿真实验室应用价值的了解，国内高校虚拟仿真实验室的建设将成为一种发展趋势。