虚拟仿真技术在食品安全快速检测技术课程实验教学中的应用*

汤轶伟，桑亚新，张志胜，王向红，张富源，马晓燕，索 然，淑 英

(河北农业大学食品科技学院，河北 保定 071001)

食品安全快速检测技术是食品质量与安全专业的重要课程，具有很强的科学性与实践性，对培养学生的严谨科学态度、良好实践作风及快速检测技能有着举足轻重的作用。为加快建设高水平本科教育、全面提高人才培养能力，我国教育部(教高[2018]2号)要求本科教学要“坚持服务需求，成效导向”，切实提高高校人才培养的目标达成度和社会适应度。因此，高校食品安全快速检测技术课程建设中，加大实验课程比重已成为该门课程教学的一个趋势。但如何高效运用实验教学提高学生对食品安全快速检测技术实验课程的兴趣、加深对基本理论和原理的认识、提升食品快速检测基本技能和方法的熟练程度及创新能力，成为当前亟需解决的研究课题。

食品基质成分复杂，要想获取准确可靠的分析检测结果，除具有扎实的专业基础外，更需要较高的专业技能和实际操作水平[1]。引入现代化教学手段，改革实验教学模式，提升实验教学水平已成为实验课程教学改革的重要方向[2]。虚拟仿真技术(Virtual reality，VR)集计算机、网络通讯、人工智能、自动化控制、仪器仪表与测量等技术于一体，具有较强的沉浸感和构想性，可虚拟模仿真实系统，实现视觉、触觉等多种感觉的实时交互体验，已广泛用于航天、军事、食品工程等领域[3-5]。为提高学生的学习兴趣，我们将虚拟仿真技术应用于食品安全快速检测技术实验教学中，以期提高更好的教学效果和质量。

在河北农业大学食品科技学院2018级和2019级食品质量与安全专业食品安全快速检测技术实验课程教学过程中，加入虚拟仿真元素进行初步教学研究。

1 食品安全快速检测技术课程教学现状

从我校近年食品安全快速检测技术实验课程的开设及执行情况，结合调研分析可以看出，目前大多数高校该门实验课程的教学仍以传统教学模式为主，即教师讲解实验原理、实验步骤及注意事项，然后学生分组进行实验[6-7]。实验过程缺乏趣味性，部分学生积极性差，实验报告版本单一，不能深刻理解实验目的与意义，实验操作过后印象不深，难以获得实验教学的预期效果。食品安全快速检测技术是一门强实践性课程，内容多，更新快，即使我校在实验学时与理论学时相同情况下也难以将全部技术让学生进行实践，这一定程度上降低了培养学生的社会适应度与创造性。

2 教学改革迫切性

食品安全快速检测技术课程涉及领域范围广，检测对象复杂，包括农药、兽药、生物毒素、食品添加剂、食品加工过程中产生的潜在危害物、食源性致病菌等。传统的课堂和实验教学方式难以生动的展示每种快速检测技术的原理、快速检测产品构造、实验操作操作步骤等，极大降低了学生动手能力、解决实际问题以及在实践操作中创新能力的培养效果。学生则只能在传统课堂教学中死记硬背一些基础知识和理论，完成指定实验操作，得到相应实验数据。学生学习兴趣、学习效果与课程教学目标的达成度偏差较大。因此，食品质量与安全课程组一致认为必须对食品安全快速检测技术的教学内容和实验教学方法进行改革。

随着科技与互联网技术的快速发展，以互联网和新兴技术等手段服务教育教学过程的新型教育模式逐渐形成。2020年，突如其来的“疫情”加快推进了教育现代化实施。在此发展趋势下，课程充分利用新兴信息技术开展人才培养模式和教学方法改革显得十分重要和迫切。

3 选择基于虚拟仿真的《食品安全快速检测技术》教学改革的原因

虚拟仿真是借助计算机及最新传感技术创造的一种崭新的人机交互手段，是在多维度信息空间上创建的具有交互效能的多维化虚拟信息环境，可构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。基于虚拟仿真技术的实验操作全部在线上平台完成，不会对环境造成任何污染，安全保障极高，是对传统危险性实验的有效补充，充分保证了食品安全快速检测技术知识体系的完整性。此外，几近完备的实验仪器和实验试剂都能在虚拟仿真实验平台实现，学生在电脑上就可以实现实验的开展，一定程度上弥补了由于学校实验教学经费有限、仪器设备不足或实验室空间限制不得不采取的实验分组训练的不足[8]。

基于虚拟仿真的课程改革充分体现出以学生为中心、注重对学生社会责任感、创新精神、实践能力的综合培养，可以调动学生参与实践教学的积极性和主动性，激发学生创新创造能力。国外一些高校运用虚拟仿真技术进行了一系列值得关注和学习的教育改革和应用创新，国内多个高校如河北农业大学、江南大学、中国农业大学等也已将虚拟仿真技术运用到食品工程类如啤酒生产工艺、果汁生产工艺等课程的教学过程中，并取得了良好的教学效果。

食品质量与安全专业是一个跨多学科门类、多学科交叉、覆盖范围广的专业。将虚拟仿真应用于该专业课程的教学改革研究还处于探索阶段。食品安全快速检测技术课程是食品质量与安全专业的主干课程之一，具有较强的实践性，虚拟仿真实验教学方法的引入，将大大推动专业基础课和专业主干课的整合优化，减少重复性教学内容，提高学生的学习兴趣和学习效果。

4 虚拟仿真技术在食品安全快速检测技术实验课程教学中的应用

虚拟仿真实验教学是信息化时代重要的教学方式，我国教育部在教高厅[2017]4号、[2019]8号文件中指出，2017-2020年期间认定1000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目，2019-2021年完成约1500门国家级虚拟仿真实验教学一流课程。虚拟仿真技术在实验教学中的应用已显现出多方面优势。

4.1 课程设计实施过程

基于虚拟仿真技术的食品安全快速检测技术实验课程首先需要学生在虚拟仿真平台注册账号，对相应的实验内容进行预习；再通过学习通、钉钉等教学软件进行线上导学；完成后学生在虚拟仿真教学平台上熟悉、练习或参加实验内容的考试；教师通过管理端掌握学生的实验操作情况，对成绩分析和评价，发现实验过程中的问题，及时反馈给学生，并对教学内容及方式方法进行修改与完善。

图1 课程设计流程

4.2 激发学生对实验课的兴趣

食品安全快速检测技术是针对食品安全问题利用快速检测技术进行检测、判断和处理的应用型课程，其实验课程部分是对理论讲授的深入实践，对食品质量与安全专业的人才培养起着重要的支撑作用[9]。然而，传统“板书式讲授-分组式操作-机械式报告”的教学模式已难以满足现代教学要求。虚拟仿真技术在食品安全快速检测技术实验课程中的应用，充分调动了学生们的视觉、触觉、听觉等多种人体感知器官，使学习沉浸其中、身临其境，极大激发了学生对食品安全快速检测技术实验课程的兴趣。

4.3 提高实验教学质量

能唤醒学生兴趣的教学活动是最好的教学方式。虚拟仿真技术在食品安全快速检测技术实验课程中的应用可实现学生由被动受教到主动参与的转变，实现了理论的抽象描述到直接动态展示的转变，学生“我想学”的愿望显著提升。在虚拟仿真快速检测技术系统中，学生可对不同检测技术的原理、某一检测技术的实验流程进行反复操作，以熟练掌握该类技术关键环节的操作技能，真正达到实验训练培养目标，切实提高工程教育背景下应用型实验教学质量。此外，食品安全快速检测技术内容多，且技术更新快，实操实验教学不能满足技术的全面覆盖和教学内容的及时更新，虚拟仿真技术平台的引入大大弥补了实操实验教学的短板，有效延长了实验教学宽度和长度。

4.4 培养学生解决工程问题的能力

食品安全快速检测技术是食品质量与安全专业中重要的专业课程之一，涉及多种精密分析仪器，如高效液相色谱仪、气相色谱仪、液-质联用仪、气-质联用仪等[10]。虚拟仿真技术可从多角度呈现分析仪器的内部结构，生动解析仪器的基本分析原理，直观展示仪器中各零部件的作用等。学生通过食品安全快速检测技术虚拟仿真技术平台能实现虚拟场景下仪器工程师基本素质的培养，包括分析仪器的选型、仪器的安装和调试以及使用过程中基本问题的解决。虚拟仿真技术平台可突破客观条件限制，免受外界环境影响，在极为安全的情况下使学生将创造性思维付诸实践，通过创新实验与尝试，寻找最佳解决方案，完成仿真分析仪器的工程训练，避免真实场景中的实践风险，使毕业生一段时间后有可能成为一名合格的食品分析仪器工程师。

4.5 对教师提出新要求

虚拟仿真教学是现代科技与传统教学的深入融合，作为食品安全快速检测技术实验教学改革的教师要转变思想、与时俱进，适应新的教学手段和技术，积极主动进行虚拟仿真教学，不断实践和提高虚拟仿真技术的实际运用效果，同时要明确学生的学习目标和成效，做好教学过程中的监督者、引导者和管理者。此外，还要求学生能在教师的指导下，合理安排学习和实践活动，并及时发现问题、提出问题，使该门课程的教学目标与教学效果具有高度的达成。

5 结 语

基于虚拟仿真技术的教学改革是丰富教学理念、完善教学体系、深化课程教学信息化和智能化的重要途径。虚拟仿真技术在食品安全快速检测技术实验教学中的实践激发了学生的学习兴趣和创新能力，加深了学生对食品安全快速检测方法分析原理的理解，有效提高了教学质量。然而，虚拟仿真技术在食品分析类课程实验教学中的应用仍处于摸索阶段，可以在以下方面进行完善：(1)建立科学、公平、严谨的课程教学质量评价体系以适应食品安全快速检测技术虚拟仿真实验教学方式灵活的特点；(2)加强教师在虚拟仿真教学实验课程中主导性，持续监督学生的学习过程，保证完成理论和实践教学目标；(3)教师应根据食品安全快速检测技术课程需求和特点参与虚拟仿真软件的设计、开发以提高教学平台的适用性。