虚拟仿真技术在“食品微生物学”教学中的应用

兰晶 余承焰 肖帆

摘要：为了能够从根本上保证高校食品专业人才的培养质量，应以食品类专业中的“食品微生物学”课程的特点为基础，合理应用虚拟仿真技术。本文阐述了高校在开展“食品微生物学”教学中存在的问题，探讨了虚拟仿真技术在“食品微生物学”教学中应用的根本意义， 并分析了虚拟仿真技术在“食品微生物学”教学中的具体应用和表现。

关键词：虚拟仿真技术；食品微生物学；实验教学

一、引言

“食品微生物学”作为一门基础课程，是食品相关专业的必修科目，但当前阶段，部分高校在开展“食品微生物学”教学时仍采取传统的教学模式，在实验课程上内容设置方面存在一定的问题，使课堂教学质量受到消极影响。而通过虚拟仿真技术在“食品微生物学”教学中的应用，有助于进一步培养学生的动手操作能力和创新能力，并有效提升教学质量。

二、高校在开展“食品微生物学”教学中存在的问题

（一）教学内容相对单一

食品微生物学是一门专业的基础课程，也是高校的食品类专业学生的必学课程，具有较强的实践性，有利于锻炼学生的动手操作能力，培养学生的独立思维。当前阶段，我国各个高校开展的食品微生物学教学中，更倾向于实验教学，并占据整体教学工作中的很大比重。食品微生物学作为一门实践性学科，更注重学生对所学知识的应用能力，而不仅仅是简单地机械记忆。大部分的高校在食品微生物学教学工作中会设置同等的理论学时和实验学时，这意味着实验教学在食品微生物学教学中占据着重要的地位[1]。然而，从食品微生物学实验教学的具体情况来看，教学内容较为单一，大多数开设的实验课程都是基础性的，例如配置培养基、测定大肠杆菌数量以及学习微生物细胞计数方法等。这些基础性的实验教学内容无法完全满足学生的学习需求，但高校很难开设像微生物在腐乳、发酵火腿等传统食品的应用类实验或是食品致病菌的检测等与食品生产过程相关的实验。

此外，“食品微生物学”教学中所做的实验通常需要耗费较长的时间，若操作不当还极易造成食品污染问题，导致实验失败，这也限制了综合性实验与探究性实验的开展。与其他的基础微生物学相比，“食品微生物学”更注重实践应用性。各个高校在设置“食品微生物学”实验教学活动时，需要进一步加强对学生实践能力的培养，尤其是对于那些工科基础相对来说较为薄弱的院校。

（二）教学手段不够多元化

在开展食品微生物学实验教学活动时，大部分高校仍采取传统的教学模式和教学手段，导致教学不够多元化，无法从根本上引起学生的学习兴趣，也无法发挥学生的学习主观能动性。“食品微生物学”在设置实验教学内容上，大多为基础性验证，教师在带领学生进行实验操作以及讲解的过程中，学生对于教师具有很强的依赖性，当学生独立进行实验时，完全依附于实验指导书上规定的实验步骤来进行操作，而没有自主思考，呈现出较为僵化的特点。这种情况会导致学生所撰写的实验报告整体结构和内容有着高度的雷同性，完缺乏对实验过程的心得体会和讲解，对于实验的根本目的与意义并不清晰。甚至还有一部分的学生并没有真正地动手进行实验操作，或者实验过程不够认真，实验报告的撰写更多依赖于食品微生物学的书本内容，缺乏对实验的真实反应现象的观察。这种情况与高校食品微生物学实验课程的初衷相违背，没有从根本上增强学生的动手实验能力，对学生的创新能力培养造成了一定的消極影响，同时还造成了实验教学资源的极大浪费。

（三）实验教学的利用率较低

食品微生物学所需要进行的实验操作与其他学科的实验不同，它需要对微生物细胞进行培养，整个培养工作要耗费很长的时间。同时，实验操作的步骤较为琐碎复杂，实验环境和操作质量都会对实验结果产生直接影响。受限于这一原因，食品微生物学开设实验课时有一定的难度。除此之外，高校开设食品微生物学实验教学的课时是有限的，因此在实验教学内容中，实验的数量安排也会受到影响，当教师与学生在实验课堂上的实验失败时，并没有充足的时间可以进行二次实验和重复实验，从某种程度上来说，这可能会打击学生对实验探究的积极性[2]。

三、虚拟仿真技术在“食品微生物学”教学中应用的根本意义

（一）弥补实验条件不充沛的现实需要

虚拟仿真技术是通过利用计算机软件和硬件技术，将三维计算机图形技术和广角立体显示技术有机融合，实时跟踪被观察者的变化，并与其进行信息反馈互动，并在此基础上构建了声音、图像以及动画为一体的虚拟现实世界的技术。随着互联网技术的高速发展和推广普及，虚拟仿真技术也得到了有效发展，在众多领域得到了广泛应用，并取得了不错的成效。在“食品微生物学”教学当中应用虚拟仿真技术可以弥补“食品微生物学”实验教学条件不足的情况。部分高校的工科基础较为薄弱，虽然开设了食品微生物学实验教学课程，但实验室场地不够完备，缺少必需的食品加工工艺设备，还没有形成系统化的食品加工工艺生产线，食品发酵工艺设备也不足。因此，食品微生物学中的实验课程无法开设发酵工程类实验。然而，应用虚拟仿真技术可以有效地解决这些问题，高校无需购买昂贵的食品发酵工艺设备，通过虚拟仿真技术就可以实现设备所具有的功能作用，并且成本更加低廉，时效性也有所保证，每位学生都可以在计算机上进行实践操作，这也与现代信息化教育的本质要求相契合。

（二）有利于帮助学生更好地掌握实验原理

虚拟仿真技术在食品微生物学教学中的应用，充分体现出了现代信息技术的支持辅助作用。利用虚拟仿真技术通过设计“食品微生物学”实验教学平台，可以摆脱时空和距离的限制，让学生能够在虚拟环境中完成实验的设计、模拟和分析等活动，模拟真实的实验环境，使其体验更加直观。从实验内容的设计层面上来看，虚拟仿真技术可以辅助教师设计更全面和多层次的《食品微生物学》实验。在日常生活中，食品专业的学生很少有机会接触真实的食品生产设备，对于它们的了解主要来自课本教材，缺乏直观性[3]。而通过应用虚拟仿真技术的应用，可以向学生展示实际食品生产所需的大型化和自动化设备，使学生更为直观地了解食品加工仪器的基本原理，从而帮助学生更好地吸收食品微生物学知识，掌握食品加工过程中微生物的应用原理和起到的作用，这样学生在进行动手实验操作时也会更加熟练和自信。

（三）教学内容更加丰富多元化，更具特色

“食品微生物学”所开展的食品工艺实验离不开实验仪器设备的辅助作用，同时“食品微生物学”实验教学会涉及一定的生物危害，对学生的身体安全造成威胁，所以很多实验都不能进行。而虚拟仿真技术具有污染低下、安全系数高、不会产生废水废气固体废弃物的优点，能有效避免这类问题。在安排“食品微生物学”实验教学课程时，教师可以在虚拟仿真技术的辅助作用下，大范围地引入之前因操作风险较高而无法进行的实验内容，这不仅可以提高学生对实验操作的兴趣，还能提高课堂实验教学的效果。食品质量与安全专业和食品卫生与营养专业都需要学习“食品微生物学”课程，但由于高校的实验场地不足且缺乏实验教辅人员，导致这两个专业的学生在学习该课程时并没有明显的专业化区别。通过应用虚拟仿真技术，可以根据学生个体差异的原则，更好地体现食品质量与安全专业的工科特点，同时引入食品加工的具体场景，进行工艺设计实验。对于食品卫生与营养专业，要明确该专业的特征，可以更加注重微生物與营养健康关系的教学内容，并引入食品微生物控制不当导致的食品中毒问题等相关内容进行实验教学。

四、虚拟仿真技术在“食品微生物学”教学中的具体应用表现

（一）与网络视频实现有机结合

高校教师利用虚拟仿真技术应用在“食品微生物学”教学时，要与网络视频实现有机结合，构建翻转课堂。在带领学生进行虚拟仿真实验之前，教师应当根据实验内容，提前向学生发送标准的示范视频，让学生对“食品微生物学”的虚拟仿真实验有着初步地了解。同时，教师还应当鼓励学生合理利用虚拟仿真软件和实验操作指南，让学生全方位地掌握虚拟仿真软件内容，了解软件的具体操作流程。通过采取虚拟仿真技术与网络视频有机结合的教学手段，教师让学生做好充足的预习准备工作，以此有效地节约在课堂上讲解的时间，这样教师带领学生开展虚拟仿真实验的时间就会更加充沛，更有利于学生进行动手实验操作，从而增强学生的实践能力，并将“食品微生物学”课本内容中的抽象知识转化为具象的实验结果。应用虚拟仿真技术一方面解决了高校“食品微生物学”实验教学课时不足的问题，另一方面也从根本上保证了课堂教学效果，构建了翻转课堂。同时，虚拟仿真技术与网络技术的紧密结合实现了虚拟仿真实验教学平台的最大化共享。

（二）拓展补充食品微生物学的实验教学内容

教师应当首先明确“食品微生物学”实验教学内容的确定标准，以食品安全的国家标准为依据，来合理规划出食品微生物实验所需的实践知识，为学生构建科学合理的实验环境条件，并充分考虑到食品微生物学教学的课时限制，尽可能带领学生进行现实条件无法满足的实验教学内容来，进行虚拟仿真实验设计，以拓展实验教学内容[4]。例如，教师可以利用虚拟仿真技术来带领学生进行食品中真菌与细菌的实验检验。在传统的食品微生物学实验教学模式中，真菌和细菌仍是很重要的组成部分，但所开展的实验活动往往局限于形态和生理生化两部分，无法进行致病菌的实验检验。而通过应用虚拟仿真技术，可以实现食源性致病菌的实验检验，学生在虚拟仿真实验的过程中，能够更好地掌握增菌与细菌真菌分离培养的实验操作方法，学生的食品微生物实践操作技能得到进一步强化。

（三）构建虚拟仿真实验教学系统

在“食品微生物学”教学中，教师应当利用虚拟仿真技术构建虚拟仿真实验教学系统，以此为教师讲解实验操作的相关知识点起到良好的辅助作用，并提供更灵活、可行的实验教学设计。利用该系统，学生能够扎实地掌握“食品微生物学”知识点，同时也能进行一定的自我思考，正确地完成实验操作流程。此外，该系统还能够实时调整实验参数和实验对象，教师可以更加清晰地评估学生对于“食品微生物学”基础知识和实验知识的熟悉程度，并根据教学目标来调整实验难度。由此可以看出，利用虚拟仿真技术构建虚拟仿真实验教学系统，可以保证“食品微生物学”的实验教学质量，同时也可以评估学生的实验成绩，具有良好的双重作用。在虚拟仿真平台上，教师可以带领学生进行多样化的食品微生物学实验，不再局限于课本教材中对实验内容的限制，从而培养出更具创造性与实践能力的高质量食品专业人才，为我国的食品安全行业提供更好地服务。

五、结束语

综上所述，利用虚拟仿真技术构建的“食品微生物学”实验教学课堂相较于传统的教学模式更具趣味性，同时还能极大地拓展和补充食品微生物学的教学内容，尤其是实验教学内容，进而增强了学生对食品微生物学动手实验操作的兴趣和实验技能，推动了高校的实验教学改革深化，创新了教学模式。

作者单位：兰晶 余承焰（通讯作者） 肖帆 武汉软件工程职业学院

参  考  文  献

[1]徐艳阳，李薇茹，王雪松.虚拟仿真技术辅助“食品微生物学”实验教学研究[J].教育教学论坛，2021（46）：125-128.

[2]蒋丽施，陈艳，康晋梅，等.现代信息技术支持下虚拟仿真技术在食品微生物学实验教学中的应用[J].轻工科技，2021，37（01）：159-160，171.

[3]仪淑敏，李秋莹，赵显一，等.基于虚拟仿真技术的食品微生物学实验课教学探索[J].教育现代化，2019，6（86）：179-180.

[4]梁燕秀.虚拟仿真实验技术在“食品微生物检验”教学中的应用探索[J].福建轻纺，2019（09）：48-50.

课题来源：教师教学创新团队建设项目；课题名称：生物与化工虚拟仿真课程群教师教学创新团队建设项目。

兰晶（1989.08-），男，汉族，湖北省孝感，本科，高级工程师，研究方向：计算机科学与技术、虚拟仿真应用。