喬明武，宋 淼，宋蓮軍，趙秋艷，吳文江，張建威，黃現(xiàn)青

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

“互聯(lián)網(wǎng)+”就是把互聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)與各領(lǐng)域相互融合，引領(lǐng)各行業(yè)的快速發(fā)展。虛擬仿真技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，是一種提高教學(xué)質(zhì)量的有效手段。虛擬仿真教學(xué)項目作為一種新的教學(xué)方式，彌補了在實際教學(xué)中難以實現(xiàn)的如危險性高、成本高等實驗內(nèi)容，是對傳統(tǒng)教學(xué)手段的有效補充。食品分析與檢驗是食品專業(yè)的主干課程，主要內(nèi)容包括食品分析與檢測的基本知識、感官檢驗、物理檢驗、營養(yǎng)成分的檢測及有害成分的檢測等，強化實用性，強調(diào)學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。但一些檢測項目存在著實驗周期長、藥品危害大、實驗室條件有限等一系列現(xiàn)實問題，在教學(xué)中還存在“進不去、看不見、動不了和難再現(xiàn)”的難題[1]。伴隨著食品工業(yè)2.0的發(fā)展和人們對食品安全與營養(yǎng)的密切關(guān)注，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真技術(shù)提升教育裝備力量，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不再受時間和地點的局限，能夠更自由、深入、形象地學(xué)習(xí)食品分析與檢驗專業(yè)知識，掌握更多技能、提升創(chuàng)新能力，這在食品分析與檢驗課程教學(xué)中值得深入探討的問題。

1 食品分析與檢驗課程傳統(tǒng)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題

伴隨著經(jīng)濟社會的不斷進步發(fā)展，食品營養(yǎng)與安全問題頻出，培養(yǎng)食品專業(yè)應(yīng)用型、技術(shù)型人才是高等教育培養(yǎng)目標(biāo)之一。食品分析與檢驗課程是高等院校食品專業(yè)的核心主干課程，特別是實驗教學(xué)在該課程培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力方面發(fā)揮著重要作用。但由于受學(xué)時、經(jīng)費和空間的限制，該課程實驗教學(xué)面臨諸多問題。雖然很多高校都在嘗試改革當(dāng)前的教育模式，也做了很多努力，但實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果不夠明顯，從企業(yè)的用人需求和學(xué)生的實際知識掌握能力還有差距。

1.1 實驗儀器的限制

食品分析與檢驗實驗項目繁多，所需要的化學(xué)試劑、儀器種類也很多，而實驗時間、空間有限，學(xué)生難以充分掌握相關(guān)實驗技術(shù)[2]。隨著高精尖設(shè)備的不斷進步和發(fā)展，一些用人單位已經(jīng)購置并投入使用，而這些儀器往往價格昂貴、體積大、維護成本高。受經(jīng)費和場地的限制，很多高校會少量或者不會購置，影響實驗項目的開展[2-3]。有些儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆卸不便，學(xué)生獨立操作的機會也很小，影響學(xué)生動手能力的提高，老師枯燥無力的講解，學(xué)生也很難掌握實際操作技術(shù)。

1.2 教學(xué)條件的制約

多數(shù)高校的招生規(guī)模不斷擴大，而學(xué)校的資源相對有限。實驗場地?fù)頂D，實驗耗材投入不足，指導(dǎo)老師通常會安排成實驗小組完成實驗，每個小組4～5 人，分工合作，積極主動、動手能力強的學(xué)生完成實驗內(nèi)容較多，有小部分學(xué)生根本沒有參與其中，大部分同學(xué)很難獨立完成全程實驗[2]。對于大型儀器，鑒于臺套數(shù)的限制，只能開展演示實驗，分批進行，每次實驗8～10名同學(xué)，整個實驗過程比較匆忙，指導(dǎo)教師很辛苦一遍一遍的重復(fù)講，精密儀器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，講解抽象，學(xué)生難理解，蜻蜓點水式的教學(xué)，效果極差。利用虛擬仿真實驗技術(shù)對其進行改革創(chuàng)新，通過虛擬仿真模擬整個實驗過程，不但能夠?qū)W生的動手能力，還能增強學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，提高實驗教學(xué)效果[3]。

1.3 實驗項目單一，學(xué)時不足

隨著高等教育向大眾化教育跨越，社會對人才的需求也呈現(xiàn)不同特點，各個專業(yè)人才培養(yǎng)計劃不斷調(diào)整，課程學(xué)時不斷壓縮。隨著總課時數(shù)的減少，實驗課學(xué)時數(shù)也隨之減少，使得開設(shè)的實驗項目數(shù)量不足[3]。目前大多數(shù)高校實驗課都是老師事先選定實驗項目，確定實驗方法。實驗技術(shù)人員配好實驗試劑，調(diào)整好實驗儀器。指導(dǎo)教師上課時先講實驗原理及步驟，學(xué)生按照步驟一步一步的做，完成整個教學(xué)過程。學(xué)生很少主動思考實驗過程中所加入的試劑及其作用，實驗儀器的使用原理及要求，當(dāng)實驗結(jié)果有偏差時，往往都不會去主動分析數(shù)據(jù)異常的原因[2]，只是為了能在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù)，缺乏獨立思考，質(zhì)疑方案的能力，極大的限制了學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真項目在食品分析與檢驗課程體系的構(gòu)建

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下，信息技術(shù)不斷發(fā)展成熟，虛擬仿真技術(shù)也在課程教學(xué)中展現(xiàn)了新的獨特的優(yōu)勢。利用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操作教學(xué)實驗項目，突破了傳統(tǒng)虛擬仿真實驗只能單機操作或只能在接入局域網(wǎng)的計算機上操作的限制，從而實現(xiàn)了不受時間、空間等限制的師生互動，使遠(yuǎn)距離、跨校區(qū)同時教學(xué)成為可能，也提高了教學(xué)資源的使用率[5]。

2.1 食品分析與檢驗理論知識教育虛擬仿真模塊

食品分析與檢驗理論知識教育虛擬仿真模塊主要由基本知識介紹和知識點考核2個部分組成?；局R虛擬仿真模塊采用采用Unity3D渲染等技術(shù)，增強現(xiàn)實中需要對3D虛擬場景渲染、設(shè)計交互功能，并疊加到相應(yīng)的AR跟蹤真實場景中，將課程教學(xué)環(huán)節(jié)中諸如實驗原理、化學(xué)反應(yīng)歷程等抽象的理論立體化，讓學(xué)生可以反復(fù)的練習(xí)，知識點、注意事項等牢記于心，達到熟練掌握目的。知識點考核虛擬仿真模塊首先建立該環(huán)節(jié)知識點題庫，題庫中的答案解析設(shè)計成為游戲趣味模式，使學(xué)生在游戲中完成對知識點的掌握。以食品中脂類物質(zhì)氧化物質(zhì)測定實驗為例，在該模塊中模擬自動氧化、光敏氧化和酶促氧化過程，選擇實驗條件，讓學(xué)生進一步掌握了影響油脂氧化的各種因素。并通過虛擬參數(shù)的設(shè)置，學(xué)生可以對各指標(biāo)測定結(jié)果數(shù)據(jù)進行直觀分析，掌握油脂氧化劣變的動態(tài)規(guī)律。

2.2 樣品采集與前處理虛擬仿真模塊

樣品的采集與前處理是食品分析與檢驗課程重點內(nèi)容，特別是樣品的采集，目前的教學(xué)主要以理論教學(xué)為主，鑒于條件的限制，基本上沒有開展樣品采集相關(guān)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。利用虛擬仿真技術(shù)模擬食品工廠實景，可以讓學(xué)生比較直觀的掌握樣品采集的原則、數(shù)量和方式等，通過仿真實驗使學(xué)生熟悉了操作的具體方法。樣品前處理技術(shù)一直是食品分析與檢驗課程的重要內(nèi)容。虛擬仿真模塊可以讓學(xué)生反復(fù)操作，掌握樣品前處理步驟，例如索氏抽提法對樣品中脂肪的虛擬仿真提取。在虛擬場景下學(xué)生掌握了索氏抽提過程中的注意事項和操作要求，避免了實際操作中大量乙醚、石油醚的消耗，及其對環(huán)境的影響，也避免了實際操作中乙醚燃燒、爆炸等危險性的發(fā)生。

2.3 精密儀器檢測虛擬仿真模塊

快速、方便、智能化的檢測技術(shù)既省時、省力，還可以減少人員操作等帶來的誤差。因此，智能精密儀器的快速發(fā)展與應(yīng)用將是分析檢驗領(lǐng)域的發(fā)展方向。精密儀器虛擬仿真模塊，結(jié)合食品分析與檢驗課程重點講解內(nèi)容，采用虛擬現(xiàn)實和3D交互技術(shù)建立相對應(yīng)的儀器分析虛擬仿真教學(xué)項目。指導(dǎo)教師通過教師機傳授給學(xué)生學(xué)習(xí)該虛擬仿真教學(xué)軟件的操作，借助互聯(lián)網(wǎng)學(xué)生可根據(jù)注冊的賬號，隨時隨地進行相應(yīng)的學(xué)習(xí)，通過反復(fù)練習(xí)熟悉儀器的操作規(guī)范，掌握操作要點，然后再上機進行實際操作，通過虛實結(jié)合，達到培養(yǎng)學(xué)生動手能力目的[4-5]。

以氣相色譜儀測定食品中脂肪酸含量實驗項目為例。樣品在相關(guān)模塊完成一系列前處理之后，要使用氣相色譜進行分析。通過對氣相色譜儀的典型單元操作，包括儀器實驗原理、軟件介紹、操作步驟、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析和儀器維護等的仿真，加深學(xué)生對色譜技術(shù)檢測的理解，培養(yǎng)學(xué)生對氣相色譜獨立操作的能力，掌握溫度、壓力、流動相等多種因素影響檢驗結(jié)果。在虛擬實驗過程中，利用3DsMax等技術(shù)實時模擬真實的實驗現(xiàn)象和過程，通過人機交互式的設(shè)計，使同學(xué)們亦游戲亦學(xué)習(xí)。

2.4 實驗效果評價虛擬仿真模塊

評價考核學(xué)生對食品分析與檢驗課程的學(xué)習(xí)效果，特別是學(xué)生的動手能力情況。傳統(tǒng)考核方式中除了實驗理論以試卷的形式外，操作技能需要借助實驗器材在實驗室進行完成，這就需要耗費實驗材料、占用實驗場地、耗費大量時間，同時也極大的增加了實驗技術(shù)人員和指導(dǎo)教師的工作量。因此，考核學(xué)生的實驗操作技能一直是食品分析與檢驗課程探索和改革的方向。開發(fā)虛擬軟件中實驗考核虛擬模塊，實現(xiàn)考核客觀化、自動化，過程化。將網(wǎng)絡(luò)平臺與考核平臺相融合，虛擬平臺可實現(xiàn)每一步操作的自動記錄、驗證和自動評分，并具有過程回放功能，并將考核融入到平時實驗中，實驗平臺可自動記錄和監(jiān)控學(xué)生的實驗過程和成長軌跡，便于教師進行最終的評判考核[7]。

在虛擬仿真實驗?zāi)K中按照指導(dǎo)教師確定的知識考核點，建立網(wǎng)絡(luò)題庫。學(xué)生在完成該節(jié)實驗操作后點擊完成可以形成實驗報告，若學(xué)生需要練習(xí)，可以點擊按鈕進行練習(xí)，也可以點擊考核進行考試。在實驗考核模塊下，按照實驗操作過程評定和實驗結(jié)果報告評定兩個方面設(shè)計開發(fā)虛擬仿真軟件，根據(jù)實驗類型分別設(shè)計驗證型實驗和綜合型實驗。驗證型實驗一般要求學(xué)生單獨完成。在過程評定中，主要考核學(xué)生的實驗態(tài)度、動手能力和對全程實驗的掌控能力。綜合型實驗依據(jù)實驗內(nèi)容要求，成員分工協(xié)作、共同完成實驗，主要考核同學(xué)討論與協(xié)作。指導(dǎo)教師對于討論和執(zhí)行過程加以引導(dǎo)，組內(nèi)成員可以互相進行定性或定量評定，制定組內(nèi)每名同學(xué)實驗過程中的相應(yīng)成績。實驗完成后，指導(dǎo)教師可以根據(jù)學(xué)生提交的實驗報告、討論結(jié)果等對學(xué)生進行在線評價，并分別對匯報小組與各個成員進行打分[8]。讓學(xué)生認(rèn)真對待每一個實驗項目，牢記各知識點與操作要點。再通過實踐操作，學(xué)生才能熟記要領(lǐng)，規(guī)范操作。

3 結(jié)語

2017年，教育部印發(fā)了《關(guān)于2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》，計劃到2020 年遴選出1000 項示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目。按照教育部的要求，高等教育應(yīng)牢牢把握新時代人才培養(yǎng)的任務(wù)要求，加快推進現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，推進在線開放課程和虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)，形成更高水平的人才培養(yǎng)體系和先進的教學(xué)方法。食品分析與檢驗課程實踐性強，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到課程實驗教學(xué)中，加強了學(xué)生的直觀認(rèn)識，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，利于學(xué)生將專業(yè)理論知識和實踐技能有機結(jié)合，提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力。食品分析與檢驗課程組要逐步完成重點章節(jié)虛擬仿真實驗項目的開發(fā)，進一步構(gòu)建虛擬現(xiàn)實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，不斷優(yōu)化互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制實驗的人機交互能力，形成完善的“互聯(lián)網(wǎng)+” 虛擬仿真實驗教學(xué)體系。