浅析虚拟现实技术在《食品安全性评价》课程中的应用

◎ 陈凤真，赵贵红，李 霞，刘 建，康晓飞

（菏泽学院农业与生物工程学院，山东 菏泽 274015）

虚拟现实技术（VR）是集计算机技术、人机交互技术、人工智能技术等多种技术于一体的一种现代化技术，以计算机仿真技术为核心，使用数字化方式创造和模拟现实世界的虚拟环境，通过模拟人在现实世界中的感知交互行为，让使用者可以利用特定设备在一定范围内进行临场环境感知和仿真交互操作的人机交互技术[1-2]。①虚拟现实技术是教育再次革新的推动剂，通过模仿现实世界的环境，结合学习者对现实世界的触觉、视觉、听觉，借助设备对虚拟环境中的物体进行交互体验，可以使学习者获得身临其境的沉浸感。②虚拟现实技术可使课程理论学习内容更直观生动，提高学习者技术知识的运用、操作技巧和理解能力。③虚拟现实技术可解决传统实践课程的成本高、不安全、实践教学难等问题，提高实践课程安全性，解决实践教学资源普遍不足的现实问题，大大激发学生的学习兴趣，提升人才培养质量。

《食品安全性评价》通过运用现代学理论，结合流行病学调查分析，阐明食品或食品中特定物质的毒性及其潜在危害，预测人体接触后可能对人体健康产生影响的性质和强度，继而提出食品安全风险和预防措施。总体来说，《食品安全性评价》是一门理论与实践紧密结合的综合交叉学科[3]，涵盖分析化学、现代生物学、生物化学、病理学、药理学、法学、遗传学、环境学、免疫学、毒理学及流行病学等多门学科的理论知识，往往作为专业核心课程，用于食品领域人才的培养。菏泽学院牡丹学院食品科学与工程专业属于工科专业，学生对生物化学、微生物学、分析化学、仪器分析课程具有一定的学习基础，但对于生物学、病理学、环境学、管理学、动物解剖学、免疫学、流行病学等方面知之甚少，甚至是零基础。同时，《食品安全性评价》理论知识抽象、深奥难懂，实验受到仪器设备、安全、教学经费等影响，难以开展。采用虚拟现实技术，能够解决教学过程中存在的这些问题。教育部在《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》（教高函〔2017〕4 号）中明确提出，要以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，在日常教学活动中积极引入虚拟仿真实验教学方式，提高教学实效[4]。因此，将虚拟现实技术应用到《食品安全性评价》课程中迫在眉睫。

1 影响《食品安全性评价》教学的制约因素

《食品安全性评价》作为许多高校食品院系的一门主干课程，包含内容多，如毒理学基础知识、动物实验基础知识、毒理学试验、危险性评估、4 大类食品（新资源食品、辐照食品、转基因食品和保健食品）安全性评价、食品添加剂和食品工业用酶及食品包装材料安全性评价。然而，受学时、经费和空间的影响，与其他学科相比，《食品安全性评价》发展较缓慢。

1.1 理论教学

（1）《食品安全性评价》是在食品毒理学基础上发展起来的，教学内容多、难点多，且涉及学科多、深奥难懂，学生在学习过程中比较吃力，易产生厌烦情绪。

（2）在教学过程中，教师每年向学生灌输同样的理论知识，因知识抽象分散、理论性强，学生接受知识比较被动，因此，学生和教师的积极性都不高。

（3）因课时限制，授课教师为了按时完成教学任务，难以有效开展专题讨论和拓展相应的内容，对部分内容甚至一语带过。学生难以深入理解，教学质量不高，导致《食品安全性评价》理论教学缺乏活力，难以促进食品专业课程的发展。

1.2 实验教学

《食品安全性评价》课程内容多，其中，毒理学内容占一大部分，实践性和应用性均较强。实践教学是培养高素质应用型人才的高效载体，可以为食品安全性评估和监控提供详细和确凿的理论依据。《食品安全性评价》实践教学以动物实验为主，因客观条件限制，大部分实验以观看视频或者模型为主进行学习，教学效果不突出。

实践教学需要更多地满足学生动手能力的要求，尽可能让每个学生都有机会动手实践。然而，由于课时设置少、师资力量薄弱、实验室与仪器设备不足等现实原因，无法满足该课程的要求和学生实践效果，主要表现在以下方面。

（1）食品安全性课程实验对象一般为实验动物，需要一定的经费购买实验动物，且要有符合养殖实验动物的环境条件、专门饲养人员，因此，实验成本高，且在操作过程中有一定的危险性。例如，在实验动物的抓取或实验操作过程中，操作人员可能被抓伤或咬伤；实验结束后，实验动物的处置易造成环境污染或引发道德伦理问题。

（2）实验周期长，如保健食品的安全性评价需要几个月甚至一两年的时间；一些学生对动物有抵触情绪，有可能会因为过度紧张以及恐惧失手将实验体致死或伤残，导致实验失败，对课程的教学产生阻碍，同时也会给学生带来一定程度上的心理压力，进而对学生的实验效果产生不利影响。

（3）缺乏实验设备，或学生因操作不当造成贵重精密仪器损坏；实验成本较大，使实验难以进行，教师多采用演示性实验并进行实验解说。

（4）动物实验内容包括实验设计、喂药或注射、观察动物状态、解剖等，涉及方面广，单纯用实验视频进行讲解，有的学生不能完全理解整个实验的操作过程[5]，学生也会因实验视频的枯燥，无法集中注意力，实验教学效果较差。

（5）动物实验与人类疾病存在剂量、样本数量及人群敏感性差异[6]，因此，动物实验结果具有很大的不确定性。例如，实验动物和人对外源化学物的反应敏感性不同，有时甚至存在质的差别。虽然在毒理学实验中通常用2 种或2 种以上的动物，并尽可能选择与人对毒物反应相似的动物，但要完全避免物种差异是不可能的。此外，实验动物不涉及主观感觉的毒效应，如疼痛、腹胀、疲乏、头晕、眼花、耳鸣等，从而影响教学效果。

2 虚拟现实技术在《食品安全性评价》课程中应用的优势

①采用虚拟现实技术，能够创设一个更简单易懂、条理化的教学环境，实时模拟理论知识的相关流程，将原来较为简单的现场讲解变得更加深入，从而构建一个完整的知识体系，使内容具有一定的系统性和理论深度，引导学生进行更深入的思考，增强学生对《食品安全性评价》知识点的理解，拓宽学生的知识视野，锻炼学生对于专业知识的应用能力。②虚拟仿真技术能够避免用真实的动物进行实验，模拟实验环境，不仅能够使学生获得动物实验的基本操作技能，还能减轻学生的心理压力，缩短实验时间，减少实验成本，提高安全性，避免贵重精密仪器损坏。此外，虚拟仿真技术能够激发学生的学习兴趣，提高学生创新实践能力[7-8]。

2.1 有利于学生强化知识，全面理解问题

《食品安全性评价》课程内容多、难度大，对于掌握不熟练的实验，学生可以重复观看虚拟仿真教学系统的视频，强化知识点，准确分析问题，减少实验操作失误。在传统的教学过程中，当多名学生同时提出问题时，教师难以快速解答每个学生的问题。将虚拟现实技术应用到《食品安全性评价》课程中后，学生可以通过系统的师生沟通渠道发起提问，不受时间或地理位置的限制，后台有多位教师同时解答，使学生更快速全面地理解问题。

2.2 拓宽学习范围，沉浸式学习

将虚拟现实技术应用到《食品安全性评价》课程中，虚拟仿真教学系统可以拓宽学生的学习范围，将相关知识条理化；通过动画界面可以向学生展示动物实验的真实环境，让学生根据动画提示逐步探索实验操作步骤，加强学生的学习效果[9]。

2.3 有利于拓展实验思路和设计实验

虚拟现实技术可以条理化地展现《食品安全性评价》的实验思路与实验设计步骤，从而极大提高学生的学习兴趣和主动性，有利于学生理解实验步骤，使学生进一步巩固实验流程，加深他们对实验步骤的理解与操作，为实际操作奠定基础[10]。

3 结语

总之，虚拟现实技术能有效补充、延伸《食品安全性评价》理论课程，更为有效地开展实验课程，提升学生学习效果，带动食品类相关实践实训课程教学模式的创新，激发学生的学习兴趣，提高教学质量。