虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用探讨

肖龙泉，李 婧，周 琳，刘达玉，张 崟

（成都大学食品与生物工程学院，四川 成都 610106）

我国自2013年教育部在全国启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来，极大地推动了实验教学示范中心内涵建设的提升和可持续发展。2018年6月教育部公布首批105个国家级虚拟现实仿真实验教学项目后，在2019年1月，教育部高等教育司发布了《关于2018年度国家虚拟仿真实验教学项目名单的公示》，有来自全国186所高校的298个项目入选。由此可见，教育部门对于虚拟仿真实验教学的重视程度不容小觑。

目前，我国已有很多成熟的仿真教学软件可供选择，这些成熟的仿真软件具有界面友好、可扩充性、支持二次开发等特性，甚至大多实现模块化利于定制化实验的开发，基本上能满足国内高等院校实验教学需要及丰富的仿真实验需求。因此，国内很多高校及科研院所普遍采用购买成熟的仿真软件产品，基于自身的仿真实验需求进行对应的二次开发，从而设计出适合自己的仿真虚拟实验平台，并得到了很好的应用发展。虚拟仿真实验教学具有效率高、成本低、安全性高、可反复操作等优势[1-3]，当前虚拟仿真技术已在各大高校广泛应用。

1 传统食品类专业教学过程中面临的问题

1.1 理论教学过程中面临的问题

在食品类专业理论教学过程中，部分课程因抽象性强使学生难以理解，如“化工原理”“仪器分析”“食品机械与设备”等课程内容往往涉及大量专业仪器设备，学生学习前很少有机会接触课程内容的仪器设备，教学展示的平面图无法动态展示工作状态，学生更无法参与设备的控制，对仪器设备内部结构的理解大多停留在二维平面上，对其工作状态和详细工作原理更是难以理解，最终导致学生学习效率低下，学习兴趣减弱。

1.2 实践教学过程中面临的问题

1.2.1 实验教学过程中面临的问题

在实验教学过程中，往往需要用到大精设备，尴尬的是绝大部分学校的大精设备台套数有限[4-5]，同时又受到实验教学学时数限制，因此教学过程中无法保证每个学生的上机训练时间，甚至会出现在整堂课程中有部分学生根本没有机会上机操作的问题，如食品分析实验中农残检测需要用到气相色谱仪、重金属检测的原子吸收仪，教学过程中往往无法让每个学生把仪器操作一遍，教学效果大打折扣。

1.2.2 学生实习实训教学过程中面临的问题

对于食品类专业的学生，在专业知识学习过程中，实习实训环节必不可少。学生实习是教学过程中各高校面临最为棘手的问题，食品企业生产往往需要较高的洁净度，因卫生要求学生往往只能通过参观通道走马观花看一圈，无法近距离接触生产线，导致学生对实际生产过程仅停留在宏观层面，理论知识与实践无法有效融合，且传统教学方式受到第三方场地、时间、设备、安全等多因素的限制，学生学习的自主性和创新性受到严重影响。

2 虚拟仿真教学在食品类专业教学中的应用优势

2.1 可建立“以学生为本”随时随地的自主实践模式

针对学校特点和学科特色，积极利用企业的开发实力和支持服务能力，增加符合实际、特色鲜明的软件，还可将各个虚拟仿真实验教学中心的教学资源与实践教学更加紧密地结合起来，更好地训练了学生“动手能力”，显著提升教学效果、克服时间与空间上的限制，学生可随时随地根据自己兴趣或学习任务进行自主学习。

2.2 将抽象理论知识形象化提升教学效果

再形象的语言也抵不过一个生动的动态画面，虚拟仿真软件可以透视设备内部，展示其工作原理，传统教学方法可能要花费半个小时，引入虚拟仿真教学，学生可在几分钟内轻松理解。针对理论性强且抽象的课程，如“食品机械与设备”“化工原理”，在教学中很难将机械设备的工作原理及其内部构造用语言说清，而3D虚拟仿真教学只需要一个动画或特效就可以轻松让学生理解其原理，透视其内部构造及动态运行过程，大大提升学习效率。

2.3 提升学生学习的自主性和创新性

虚拟仿真教学具有形象生动、交互性强、成本低、不受时间空间限制等优点，将虚拟仿真教学与理论教学相结合有助于提升教学效果，可使学生掌握更多的技能，提升学生创新能力。此外，对于“生产实习”等实践课程往往受到企业是否愿意接待、企业接待容量有限、所有学生难以亲临车间研究学习等限制，3D工厂虚拟仿真实践教学可有效解决上述问题，提升学生学习的自主性与创新性。

2.4 虚实结合解决学生动手能力培养的问题

有些实验项目若只进行仿真操作，学生仅仅用鼠标操作完实验流程，很难将实验技能内化，在真实操作过程中难免会遇见各种各样的问题。要解决这类问题，就需要将虚拟仿真教学和真实实践教学巧妙真正结合起来，可以先虚后实，虚可以预习，实可以锻炼技巧；也可以先实后虚，“实”在于总体认知，“虚”在于细节训练。设计最合适的教学情境，在最大化的节约教学资源的基础上，将虚拟仿真与实验实训教学有机结合，做到虚实结合，弥补各自不足，提升教学效率与效果。

2.5 虚拟仿真教学可解决实验资源不足的问题

对于实验教学来说，实验平台资源至关重要，俗话说“巧妇难为无米之炊”，如果没有丰富的实验教学资源作支撑，实验教学将难以开展。对于大部分高校来说，大精仪器的采购往往缺乏经费，如一台食品分析中常用的气质联用仪（GC-MS）动辄上百万，而开发或采购一款与之对应的教学软件，其成本往往只有设备价格的10%～20%。因此，开发或购买虚拟仿真教学软件，丰富实验教学内容，让学生有更多选择，以此解决高校实验室资源不足的问题。

3 结语

将虚拟仿真技术手段融入教学，不仅可以弥补传统理论教学知识抽象难懂的缺点，还可以根据不同教学场景进行虚实结合，既可先实后虚，打破仪器设备台套数的限制进行细节训练，又可先虚后实，为动手操作做准备，避免操作过程中细节失误。此外，在实习实训教学过程中，采用虚拟仿真网络教学平台进行虚拟仿真实践教学，可有效解决企业是否愿意接待、企业接待容量有限、学生难以亲临车间学习、学习时间受限等问题，为学生提供一个不受时间、空间限制的开放学习平台，使学生学习变得更加灵活、自由、高效。