張智敏　肖作為林麗美　羅堃　李亞梅　彭江麗

（湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，長沙410208）

構(gòu)建虛擬仿真實驗技術(shù)平臺促進食品專業(yè)實驗教學(xué)改革※

張智敏肖作為*林麗美羅堃李亞梅彭江麗

（湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，長沙410208）

實驗教學(xué)是高校食品專業(yè)教學(xué)中的一個重要組成部分。虛擬仿真實驗技術(shù)結(jié)合了先進的教學(xué)思想和現(xiàn)代化的教學(xué)手段，在高校實驗教學(xué)中受到了越來越多的重視及應(yīng)用。將虛擬仿真實驗技術(shù)應(yīng)用到食品專業(yè)實驗課程中，是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)進行改革的發(fā)展趨勢。本文對其進行了一定的研究及探討。

虛擬仿真；食品專業(yè)；實驗教學(xué)；教學(xué)改革

目前的高校食品專業(yè)課程建設(shè)中，實驗比重大是其教學(xué)的一個重要特點，大量課程都開設(shè)有相關(guān)實驗課程，以鞏固學(xué)生對理論課程的理解和培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力。隨著1999年《中共中央國務(wù)院關(guān)于深化教育改革全面推進素質(zhì)教育的決定》的頒布，“高等教育要重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神，普遍提高大學(xué)生的人文素養(yǎng)和科學(xué)素質(zhì)”的文件精神進一步奠定了高校實驗課程環(huán)節(jié)對提升大學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)的重要性。高校如何高效地運用實驗教學(xué)，成為了亟待解決的研究課題。

1　食品專業(yè)實驗教學(xué)實施過程中存在的一些問題

縱觀高等教育的發(fā)展，培養(yǎng)應(yīng)用型、技術(shù)型的優(yōu)秀人才是各類以本科教育為主的大學(xué)的發(fā)展趨勢和必然選擇。對于食品專業(yè)，實驗操作是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力的有力手段。因此，實驗課程的設(shè)置就顯得尤為重要。目前，傳統(tǒng)的食品專業(yè)實驗教學(xué)面臨著諸多問題，對實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果帶來了一定的影響：

①實驗室大都配置的是實際的儀器設(shè)備，普遍具有體積大、投資多、操作不當易引起損壞、設(shè)備維護復(fù)雜且費用高的特點，并存在一定的人員安全隱患。例如，食品分析實驗中關(guān)于氣相、液相操作等實驗項目，由于用到諸多貴重的精密儀器設(shè)備，實驗教師無法拆開儀器，針對內(nèi)部構(gòu)造對該儀器設(shè)備進行深入和全面地介紹。而且，由于儀器貴重，也不便讓學(xué)生自由使用。導(dǎo)致學(xué)生對儀器的認識只能一知半解，這樣的實驗平臺必然不適用于新教學(xué)模式改革。②由于實驗教學(xué)資源有限，學(xué)生做實驗大多分為2～4人一組，這樣并不能保證每個學(xué)生都得到實驗方面完整的鍛煉。③由于實驗課學(xué)時有限，實驗項目的設(shè)置數(shù)目明顯不夠，且擴展新實驗項目也不方便。④實驗室全面開放，是高等教育培養(yǎng)創(chuàng)新人才、實現(xiàn)素質(zhì)教育目標的客觀要求。實驗室開放不僅對訓(xùn)練學(xué)生的技能，而且對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新意識和開拓能力都具有重要作用［1］。但由于涉及實驗室制度和人員配備等方面的限制，目前絕大多數(shù)的高校食品專業(yè)實驗室的開放程度并不夠，學(xué)生一般只能在實驗課規(guī)定的學(xué)時內(nèi)做實驗，不能隨時隨地利用課余時間做實驗，限制了學(xué)生的探究熱情等。⑤由于綜合性、創(chuàng)造性實驗受到種種條件的制約而較難實施，因而食品專業(yè)實驗多以基礎(chǔ)驗證性為主，其操作方法單一、形式固定化，僅僅成為了課本理論驗證的工具和手段，絕大多數(shù)學(xué)生會嚴格遵守實驗指導(dǎo)書的實驗理念和步驟，想法設(shè)法將實驗結(jié)果向理論上靠攏，而不是真實反映實驗中的客觀實驗現(xiàn)象，不主動分析差異產(chǎn)生的原因。甚至有些學(xué)生不認真做實驗，直接根據(jù)理論課上的結(jié)論“模擬”實驗報告最后的數(shù)據(jù)。實驗資源被大大浪費，無法起到提高學(xué)生動手能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的作用，難以適應(yīng)新形勢下科研單位和企業(yè)對科研技術(shù)人員的要求，這與新世紀的教育改革理念是背道而馳的。⑥對于構(gòu)造復(fù)雜的實驗裝置，講解抽象，學(xué)生不易理解，只能由教師在現(xiàn)場做情景化、實時化的演示實驗。諸如食品生物化學(xué)實驗中使用改良式微量凱氏定氮法測定粗蛋白。改良式微量凱氏定氮裝置設(shè)計巧妙，要講解清楚具體如何操作，必須由教師演示，費時費力，而且在實驗過程中有諸多需要注意的方面，在觀摩的過程中不能保證所有的學(xué)生都能看明白。長時間不使用，學(xué)生還容易遺忘。

這些是傳統(tǒng)食品專業(yè)實驗教學(xué)普遍存在的一些弊端，因此實驗教學(xué)體系改革就顯得尤為重要。虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)正是應(yīng)運而生的一種新型的輔助教學(xué)手段。

2　虛擬仿真實驗技術(shù)的概念與特點

虛擬仿真實驗技術(shù)是一門新興的實訓(xùn)技術(shù)，是指運用計算機軟硬件構(gòu)建的一種整體或者局部的可以代替真實實驗的各種可視化操作情景，學(xué)習者進入仿真虛擬情景后，可以進行實驗內(nèi)容和實驗操作的學(xué)習，在理解實驗原理和操作步驟的基礎(chǔ)上繼而提高真實實驗的操作技能，使學(xué)習者獲得更好的學(xué)習環(huán)境［2］。

仿真實驗即用軟件（LabVIEW，MATLAB等）對一些（物理、化學(xué)、生物等）現(xiàn)象和過程進行模擬的實驗［3］。所用到的主要技術(shù)包括虛擬交互技術(shù)和三維建模技術(shù)，諸如3Dmax、Maya、Viewpoint、Cu1t3D和Virtoo1s等［4］。在教育教學(xué)過程中，特別是實踐教學(xué)，仿真是最好的選擇，它具有強大的優(yōu)越性，使學(xué)習者在構(gòu)建的仿真環(huán)境中使用硬件設(shè)施來隨意模擬操控，完全避免其他不宜的因素。因此虛擬仿真實驗技術(shù)具備高仿真性、安全性、專業(yè)性、高可靠性等特點。

教育部要求，有關(guān)高校要高度重視實驗教學(xué)信息化和虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，加強虛擬仿真優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的建設(shè)與開放共享，完善虛擬仿真實驗教學(xué)管理共享平臺建設(shè)，優(yōu)化虛擬仿真實驗教學(xué)中心管理體系，提升虛擬仿真實驗教學(xué)隊伍教學(xué)和管理能力，提高實驗教學(xué)管理信息化和支持服務(wù)信息化水平。

目前，虛擬仿真實驗技術(shù)已在建筑類、電子電工類、電力類、醫(yī)學(xué)類、交通類、環(huán)境類、生物制藥類、物理化學(xué)類、安全類實踐教學(xué)，以及軍事、制造業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用［5-7］。但是，在高校食品專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用還鮮有報道。2015年1月教育部公示批準的100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心中，只有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的食品科學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心是以食品專業(yè)為對象設(shè)立的。

3　虛擬仿真實驗技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬仿真實驗室與虛擬仿真實驗技術(shù)可以說是現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域的一種創(chuàng)新。尤其在科學(xué)研究、虛擬培訓(xùn)等方面得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，其中場景化、智化、高交互的開放式的仿真實訓(xùn)平臺軟件更是以其出色的性價比成為研究的熱點。近年來，國內(nèi)外眾多高等院校和教育研發(fā)機構(gòu)都對虛擬仿真實訓(xùn)平臺的開發(fā)與設(shè)計展開了大量研究。諸如Camegie-Mez1on大學(xué)的卡內(nèi)基梅隆虛擬實驗室（Carnegie Md1on′s Virtua1Lab）、Johns Hopkins大學(xué)的虛擬工程與科學(xué)實驗室（Virtua1Engineering/Seienee Laboratory）和德國漢諾威大學(xué)的虛擬自動化實驗室等［8］。還有諸如Er1angen Nuremberg大學(xué)的虛擬教室（Virtua1C1assroom）就是基于HTTP（HypertextTransfer Protoco1）協(xié)議與HTML（HypertextMark-up Language）語言構(gòu)建的學(xué)習VHDL（Very High Speed Integrated Cireuit Hardware Description Language，超高速集成電路硬件描述語言）的仿真綜合實驗系統(tǒng)［9］。

在國內(nèi)，對虛擬仿真實驗技術(shù)的開發(fā)研究尚處于初級階段。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的物理實驗教學(xué)中心設(shè)計與開發(fā)的國內(nèi)第一套虛擬現(xiàn)實型實驗教學(xué)軟件“大學(xué)物理仿真實驗”，是全國第一個具有真正意義的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，已被全國許多高校采用并開展相關(guān)的實驗教學(xué)。該軟件用計算機制作的虛擬智能儀器代替操作復(fù)雜、價格昂貴、容易損壞、維修困難的真實實驗儀器，具有著重突出物理實驗設(shè)計思想、操作簡便、效果真實等特點［10］。

中南大學(xué)礦冶工程化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心依托中南大學(xué)國家級化學(xué)實驗教學(xué)示范中心和國家工科化學(xué)教學(xué)基地建設(shè)了開放性的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。該平臺針對礦冶工業(yè)典型化學(xué)過程及其“高能耗、高消耗、高污染和高危險性”的特點，構(gòu)建了面向礦業(yè)、冶金、環(huán)境、能源、材料和化學(xué)化工等專業(yè)的公共虛擬仿真教學(xué)資源，服務(wù)于我國礦冶材料類高層次人才培養(yǎng)。天津大學(xué)開發(fā)的材料力學(xué)仿真實驗，可對材料的扭轉(zhuǎn)、壓縮和拉伸進行虛擬操作。

南京大學(xué)建立的分析化學(xué)大型儀器虛擬實驗室，可以在虛擬實驗室中對實驗儀器進行虛擬操作。浙江大學(xué)的“大學(xué)工程化學(xué)實驗系統(tǒng)VLABS”基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗技術(shù)提供了一系列網(wǎng)絡(luò)仿真的工科化學(xué)實驗教學(xué)手段［11］。張良利用F1ash圖形技術(shù)及其Actionscript2.0編程技術(shù)，成功開發(fā)了與小型乳品生產(chǎn)設(shè)備相配套的仿真實訓(xùn)平臺軟件，實現(xiàn)了乳品生產(chǎn)實訓(xùn)全過程的虛擬仿真［12］。趙鋼［13］在研究中對虛擬仿真技術(shù)在啤酒釀造中的應(yīng)用做了舉例說明，指出虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)生真實的感覺到啤酒廠生產(chǎn)情形，對啤酒生產(chǎn)得到直觀的認識，不但達到了工業(yè)級高精度、高重復(fù)性的基礎(chǔ)驗證型實驗要求，而且滿足了多層次、多用途、多功能的創(chuàng)新型、綜合型、設(shè)計型實驗要求。

但是，國內(nèi)外開發(fā)的虛擬仿真實驗技術(shù)平臺大多數(shù)存在功能較單一、界面呆板、無法讓學(xué)習者如同身臨其境般在場景中進行模擬實驗、不具備完成教學(xué)目標和教學(xué)任務(wù)的平臺條件的問題。例如，目前國內(nèi)初步開發(fā)的藥物分析虛擬仿真實驗室，其設(shè)計思路狹窄、圖形畫面較為粗糙單一、模塊之間銜接不順利、專家系統(tǒng)內(nèi)容欠缺、實驗自由度受限制、人機交互不完美，大大影響了該平臺的廣泛應(yīng)用［14］。

以教學(xué)為目的虛擬實訓(xùn)平臺應(yīng)該側(cè)重于相關(guān)專業(yè)實踐技能的虛擬情境的綜合演示，并且在該情境中進行虛擬操作，將教學(xué)中的抽象概念、原理和真實的實驗過程等形象生動地表現(xiàn)出來，能隨時對教學(xué)內(nèi)容進行實時互動和反饋，對學(xué)習者的操作也可以實時提示和指導(dǎo)。

4　虛擬仿真實驗技術(shù)在食品專業(yè)實驗教學(xué)中應(yīng)用的意義

采用現(xiàn)代數(shù)字信息構(gòu)建仿真實驗教學(xué)平臺，能夠為學(xué)生提供一個模擬、設(shè)計、分析實驗的平臺，讓教與學(xué)均能在實時模擬的場景中進行，不僅為教師提供授課的良好工具，而且可以利用計算機讓學(xué)生開展自主學(xué)習，將原來繁雜的現(xiàn)場講解，利用電腦仿真具有的可重復(fù)性與自動引導(dǎo)性的特點，可以加深學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的理解，增強學(xué)生對實驗操作的興趣，加強學(xué)生的學(xué)習效率，擴展學(xué)生的視野，以達到理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)目的。

例如，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到食品分析實驗和食品工程原理實驗課程中，教師可以很方便地查看儀器介紹、工作原理演示、操作動畫及錄像，從而將一些難以講解明白的結(jié)構(gòu)、工作原理和操作形象逼真地表現(xiàn)出來，完善教學(xué)效果。同時，學(xué)生也可以直接通過仿真軟件自主學(xué)習，進行實驗?zāi)M操作，從而掌握不同儀器的使用方法。不但提高了教學(xué)效率，還可以節(jié)省儀器設(shè)備的購買和維護資金［15］。

虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)能夠隨機調(diào)整實驗內(nèi)容（如實驗條件和待測樣品參數(shù)等），同時對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計誤差進行模擬。通過解剖教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生在理解知識點的基礎(chǔ)上通過思考進行操作，克服了實際實驗中出現(xiàn)的盲目操作和實驗“走過場”的現(xiàn)象［16］。

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到食品生物化學(xué)實驗中，通過仿真設(shè)計的改良式微量凱氏定氮裝置動態(tài)模擬實驗過程，清晰明了地顯示反應(yīng)液如何加入；反應(yīng)液、接收液的流向及顏色狀態(tài)的變化；如何控制閥門對裝置進行清洗，包括自來水是怎么流入各個部位的，廢水又是如何排出的；實驗中會遇到哪些問題，如何解決等等。讓學(xué)生完全掌握裝置的原理、使用方法及注意事項。再配合現(xiàn)實中真實的實驗操作加以鞏固，確保學(xué)生將知識融會貫通，不易遺忘。

此外，虛擬實驗完全打破了傳統(tǒng)實驗的時間的限制，學(xué)生可以利用課余時間隨時登錄仿真實驗教學(xué)網(wǎng)站，進入食品專業(yè)虛擬實驗室，選擇對應(yīng)的實驗項目，進行虛擬實驗操作學(xué)習。虛擬實驗室依托校園網(wǎng)，可以最大限度地實現(xiàn)教學(xué)資源共享，對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、遠程教育有著更加重要的幫助［17］。

5　食品專業(yè)虛擬仿真實驗技術(shù)的構(gòu)建建議

虛擬仿真實驗技術(shù)是一種模擬真實實驗過程且高效、快捷獲得間接經(jīng)驗的手段，其源于真實實驗，但不能完全展現(xiàn)真實實驗中出現(xiàn)的各種情況，也不能給學(xué)生帶來深刻的錯誤教訓(xùn)。所以，虛擬仿真實驗技術(shù)并不能完全取代真實實驗中的儀器設(shè)備和實驗手段。

在用虛擬仿真實驗輔助教學(xué)時，一定要以客觀規(guī)律為依據(jù)來設(shè)定各種實驗器材、實驗情景、實驗過程和實驗結(jié)果，否則會讓學(xué)生誤以為虛擬仿真實驗可以替代真實實驗，而忽視了真實實驗的重要性。

在構(gòu)建食品專業(yè)仿真實驗系統(tǒng)時，不僅要設(shè)計形式多樣、內(nèi)容豐富的虛擬試驗，還應(yīng)該涵蓋相應(yīng)的介紹和幫助。例如實驗指導(dǎo)、注意事項、思考問題、疑難解答、參考文獻、相關(guān)鏈接、師生線上交流，以及系統(tǒng)更新和安全維護等模塊［18］。

以真實實驗為教學(xué)科研的基礎(chǔ)，以虛擬仿真實驗為輔助和擴展，可以突破部分傳統(tǒng)實驗教學(xué)自身的缺陷，實現(xiàn)實驗教學(xué)理念的更新和實驗教學(xué)體系的改革。隨著研究工作的深入以及各種先進理論的發(fā)展，虛擬仿真實驗技術(shù)會日益完善，在高校實驗教學(xué)中充分發(fā)揮其重要作用。而隨著一批綜合性和實踐性強的新型實驗的開發(fā)并應(yīng)用于教學(xué)中，將會培養(yǎng)出一批具有很強實踐能力的、具有很扎實專業(yè)知識能力的、具有創(chuàng)新意識和鮮明特色的食品專業(yè)學(xué)生。

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ZHANG Zhimin， XIAO Zuowei， LIN Limei， LUO Kun， LI Yamei， PENG Jiang1i
（Schoo1of Pharmaceutica1Science， Hunan University of Chinese Medicine， Changsha 410208， China）

Experimenta1teaching is an important part of food professiona1teaching.Virtua1simu1ation techno1ogy combined with advanced teaching ideas and modern teaching means have been taken more and more serious1y and app1ied in the experimenta1teaching of co11eges and universities.The app1ication of the virtua1simu1ation techno1ogy on food professiona1experiment course is the deve1oping tendency of reforming the traditiona1experimenta1teaching.This artic1e carried on the research and discussion.

virtua1simu1ation；food specia1ty；experimenta1teaching；teaching reform

10.3969/j.issn.1672-2779.2016.12.003

1672-2779（2016）-12-0006-04

（本文編輯：楊杰本文校對：肖作為2016-01-19）

湖南中醫(yī)藥大學(xué)青年教師科研基金課題（No：99820001-194）

xiaozw2009@163.com