虚拟实验室在食品理化检验实验教学中应用的可行性探讨

刘雨果+戴娟秀+翟璐+杨慧

（广东医科大学 公共卫生学院，广东 东莞 523808）

摘要：本文以提高食品理化检验实验教学质量为目标，阐述了构建虚拟实验室的必要性和可行性，旨在利用虚拟实验室对食品理化检验教学进行改革创新。虚拟实验室的建立有助于将抽象的实验原理具体化、形象化，并可以扩展实验教学的实验条件，增强学生的实验兴趣和操作技能。

关键词：虚拟实验室；食品理化检验；预防医学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）13-0275-02

食品理化检验是研究各类食品组成成分的检测方法及其理论，进而评定食品品质的一门实践性和应用性都很强的技术性学科，是食品质量与安全专业和卫生检验检疫专业中的主要课程[1]。食品理化检验涉及的交叉学科多，实验教学使用的仪器种类多，考虑到大型仪器操作复杂，更需要学生多动手操作的因素，因此实验教学是理论联系实践的必要环节。近年来高校持续扩招，资源投入与人才培养的问题是制约高校实验教学发展的瓶颈问题[2]。例如，与之配套的实验教学硬件如师资队伍、实验室和实验仪器的数量无法满足学生数量激增的需求；并且由于高校教师数量的不足，在仪器设备维护和更新方面也不能完全做到早发现、早解决。基于计算机平台建立的虚拟实验室因具有自由度大、安全性高、灵活性强和节省资源等特点，因此受到高校越来越多的重视。学生可以不受实验场地和时间限制，既可以在虚拟实验台上动手操作进行课前预习；又可以作为开展正式实验前的情境模拟，这能有效提高实验教学的效率，延长仪器的使用率，减低实验室消防安全等问题的发生风险。因此，我们探究将虚拟实验室引入到食品理化检验的实验教学中，旨在进一步提高教学质量和学生的学习效果。

一、虚拟实验室的内涵和特点

虚拟实验室（virtual laboratory）是基于虚拟原型技术而建立的网络仿真模型，在校园网平台上营造出模拟的实验环境、仪器设备、实验对象以及实验资源等内容[3]。其目的在于力求用计算机合成的人工环境代替现实世界的真实环境，为开设各种虚拟实验课程提供全新的教学环境。

虚拟实验室的建立需要软硬件结合，最终实现整个真实实验的所有功能。软件平台是整个虚拟实验室的基础，它是基于B/S的网络结构，由网络技术、计算机技术、虚拟现实技术等软件生成[4]。由于是建立在网络基础上，故学生可以不受实验场地和时间的限制，并根据自己的时间自主登录虚拟实验室网站，模拟实验流程和自主设计实验，完成实验前的预习和准备工作。

在虚拟实验室中有三种人员角色：实验指导老师、学生和实验室管理员，他們分别具有不同的权限。实验指导老师可以在线对学生进行实验指导，包括布置实验内容、对学生自主实验设计的修改、实验心得的交流，以及实验后作业的批改。学生既可以在虚拟实验室平台上自主设计实验程序和步骤，也可以模拟大型仪器的操作，对仪器进行配置、连接和调节，进而熟悉实验流程。实验管理人员准备实验设备、安排实验时间和内容、发布实验内容和报告等[5]。

二、食品理化检验传统实验室教学模式的特点

食品理化检验课程是以食品为样品，采用诸多相关课程知识与技术进行分析的一门应用性课程。传统的实验教学是以教师的讲授为主，学生在进入实验室之前是无法进行实验流程和实验仪器的操作。因此在实验课有限的时间里，学生既要熟悉并完成实验流程，又要熟练安全地操作新仪器，其教学效果往往不佳，会造成学生对过程的一知半解；并且由于仪器数量有限，很多学生都无法亲自动手操作，长此以往会降低学生学习的主动性，不利于提高学生的实验技能。

三、虚拟实验室的教学优势

1.实验内容更生动易懂。食品理化检验这门课程主要是以分析化学、仪器分析、食品化学为基础，采用限度地分离、浓缩、萃取等分析技术，讲授食品营养成分和食品中有害物质的检验检测原理和技术[6]。其特点是内容多、涉及学科广、技术性强且原理复杂，并且由于食品来源多样且组成复杂，造成相关的检验项目繁多。而虚拟实验室能把教学中抽象的概念、原理和过程等进行直观生动地演示，给学生营造“真实”的学习环境，并且学生会对通过互联网的新型方式获取知识更有兴趣，这有利于学生更扎实地掌握实验原理和概念。另一方面，学生可以自由支配时间，在实践中发挥自主创造性，发现问题能够及时查阅资料或者在线与教师和同学交流，并修改设计方案。

2.弥补实验教学条件的不足，避免各种风险。近年来，高校招生的规模不断扩大，造成实验室超负荷运转以及实验教师工作量的增大。因此，很多实验项目虽然具有较好的理论意义，但因条件有限而不能开设实施[7]。如何在有限的实验室资源条件下提高教学质量是高校关注的重点。如果将虚拟实验室引入到实验教学中，学生通过虚拟实验室已经熟练了仪器操作，亲自上机操作时可以有效利用仪器，减少仪器的维护费用，极大地节约实验费用。另外，对于有毒、有放射性、易燃易爆的试剂，由于学生在虚拟操作时候已经知晓如何规避，因此会减少实验中的隐患。

3.不受时间和空间的限制。鉴于食品理化检验实验的特殊性，要完整地完成某些实验一般需要1天时间。例如脂肪的测定，对样品进行处理比较耗时。如果通过虚拟实验的方式来开展，学生就不会受时间的限制，在上课前就可以独立完成整个实验，进而提高实验课的上课效率。

四、虚拟实验教学在食品理化检验实验教学中应用的建议

虚拟实验室有着传统实验室无法比拟的优越性，如可重复操作、不受环境和时间限制、节约资源、安全性高等。在对我校2013级食品安全专业学生的调查中发现，学生对虚拟实验教学的认同度达到87%以上。另外，对相关数据进行统计学分析发现，虚拟实验教学在促进学生掌握知识、加强对实验兴趣、增强动手操作、增强分析和解决问题能力方面优于传统教学法。但是，虚拟实验室不能完全代替实际的动手实验操作，有些故障和突发情况只有在真实的实验场景中才能发现。此外，学生对于虚拟实验的实验操作只是感性认识，必须通过亲身实践才能增强实验技能。因此作者认为应该在食品理化检验实验的教学过程中，将虚拟实验与传统实验教学模式有机融合，使二者发挥各自的优点，故提出以下建议：

1.提倡学科交叉。结合虚拟实验室依赖网络技术的特点，加强《食品理化检验》与信息技术等学科之间的交流，使虚拟实验室更广泛地应用到各个学科领域。

2.合理安排虚拟实验室与实际实验两者的教学比例。在《食品理化检验》的实验教学过程中，对涉及到的大型仪器操作或耗时较长的实验，可侧重虚拟实验教学，这样能够节省传统示教教学法的时间，提高效率。对较简单的基础性实验，在课堂上以传统教学法为主，可依托虚拟实验室的课后交流功能，让学生多加强实验交流和完成实验作业。总之应根据教学大纲的实验要求，按照教学进度进行优化组合，以达到更好的实验教学效果。

3.有助于教师对学生实验课的多元化评价。以往教師主要根据学生在实验操作过程中的表现和实验报告的得分来完成实验评价，考虑到实际操作中学生人数多且时间有限，因此很难对学生的实验进行全方位、客观的评价。引进虚拟实验教学平台，教师可以跟踪学生完成实验的预习情况，以及实验作业的完成情况和实验心得交流，多方位、全面、客观地对学生进行实验评价。学生也可以登录虚拟实验室的交流模块，进行实验前的交流，还可以在实验完成后分享对实验的心得体会。

参考文献：

[1]黎源倩，孙长颢，叶蔚云，等.食品理化检验[M].北京：人民卫生出版社，2006：1.

[2]刘泽良.发挥虚拟实验室建设对实验教学的促进作用[J].实验技术与管理，2011，28（7）：193-194.

[3]唐九飞，欧阳星明，于俊清.虚拟实验系统中操作重现的研究[J].计算机工程与设计，2010（10）：2323-2326.

[4]李笑，董云耀.基于WEB的虚拟实验室的研究与设计[J].计算机与数字工程，2006，34（2）：132.

[5]韩琴，冷言冰，贾皓，等. 3R原则与虚拟实验室在预防医学实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2013，8（30）：152-154.

[6]李芳，王苏华，邢光伟，等.卫生检验与检疫专业的食品理化检验教学改革探索[J].中国卫生检验杂志，2014，24（11）：67-69.

[7]陈国元，杨克敌，刘烈刚，等.国家级预防医学实验教学示范中心的建设与展望[J].实验室研究与探索，2011，30（9）：248-251.

基金项目：广东省高等教育教学改革项目，项目名称：基于网络的虚拟实验室在预防医学实验教学中的应用初探，项目编号（2015315）

作者简介：刘雨果（1983-），女（汉族），河南开封人，实验师，硕士研究生，研究方向：预防医学相关教学及科研。