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(gè)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(xiàng)目作為一種新的教學(xué)方式,彌補(bǔ)了在實(shí)際教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)的如危險(xiǎn)性高、成本高等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)手段的有效補(bǔ)充。食品分析與檢驗(yàn)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(cè)的基本知識(shí)、感官檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)、營(yíng)養(yǎng)成分的檢測(cè)及有害成分的檢測(cè)等,強(qiáng)化實(shí)用性,強(qiáng)調(diào)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。但一些檢測(cè)項(xiàng)目存在著實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、藥品危害大、實(shí)驗(yàn)室條件有限等一系列現(xiàn)實(shí)問題,在教學(xué)中還存在“進(jìn)不去、看不見、動(dòng)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(duì)食品安全與營(yíng)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(shí)間和地點(diǎn)的局限,能夠更自由、深入、形象地學(xué)習(xí)食品分析與檢驗(yàn)專業(yè)知識(shí),掌握更多技能、提升創(chuàng)新能力,這在食品分析與檢驗(yàn)課程教學(xué)中值得深入探討的問題。
伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步發(fā)展,食品營(yíng)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(yàn)課程是高等院校食品專業(yè)的核心主干課程,特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)在該課程培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力方面發(fā)揮著重要作用。但由于受學(xué)時(shí)、經(jīng)費(fèi)和空間的限制,該課程實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)際知識(shí)掌握能力還有差距。
食品分析與檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目繁多,所需要的化學(xué)試劑、儀器種類也很多,而實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間有限,學(xué)生難以充分掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)[2]。隨著高精尖設(shè)備的不斷進(jìn)步和發(fā)展,一些用人單位已經(jīng)購(gòu)置并投入使用,而這些儀器往往價(jià)格昂貴、體積大、維護(hù)成本高。受經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地的限制,很多高校會(huì)少量或者不會(huì)購(gòu)置,影響實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(dú)立操作的機(jī)會(huì)也很小,影響學(xué)生動(dòng)手能力的提高,老師枯燥無力的講解,學(xué)生也很難掌握實(shí)際操作技術(shù)。
多數(shù)高校的招生規(guī)模不斷擴(kuò)大,而學(xué)校的資源相對(duì)有限。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地?fù)頂D,實(shí)驗(yàn)耗材投入不足,指導(dǎo)老師通常會(huì)安排成實(shí)驗(yàn)小組完成實(shí)驗(yàn),每個(gè)小組4~5 人,分工合作,積極主動(dòng)、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)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(dú)立完成全程實(shí)驗(yàn)[2]。對(duì)于大型儀器,鑒于臺(tái)套數(shù)的限制,只能開展演示實(shí)驗(yàn),分批進(jìn)行,每次實(shí)驗(yàn)8~10名同學(xué),整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)水式的教學(xué),效果極差。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改革創(chuàng)新,通過虛擬仿真模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程,不但能夠?qū)W生的動(dòng)手能力,還能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[3]。
隨著高等教育向大眾化教育跨越,社會(huì)對(duì)人才的需求也呈現(xiàn)不同特點(diǎn),各個(gè)專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃不斷調(diào)整,課程學(xué)時(shí)不斷壓縮。隨著總課時(shí)數(shù)的減少,實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)數(shù)也隨之減少,使得開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量不足[3]。目前大多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)課都是老師事先選定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,確定實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員配好實(shí)驗(yàn)試劑,調(diào)整好實(shí)驗(yàn)儀器。指導(dǎo)教師上課時(shí)先講實(shí)驗(yàn)原理及步驟,學(xué)生按照步驟一步一步的做,完成整個(gè)教學(xué)過程。學(xué)生很少主動(dòng)思考實(shí)驗(yàn)過程中所加入的試劑及其作用,實(shí)驗(yàn)儀器的使用原理及要求,當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有偏差時(shí),往往都不會(huì)去主動(dòng)分析數(shù)據(jù)異常的原因[2],只是為了能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù),缺乏獨(dú)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。
“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。利用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操作教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,突破了傳統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只能單機(jī)操作或只能在接入局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上操作的限制,從而實(shí)現(xiàn)了不受時(shí)間、空間等限制的師生互動(dòng),使遠(yuǎn)距離、跨校區(qū)同時(shí)教學(xué)成為可能,也提高了教學(xué)資源的使用率[5]。
食品分析與檢驗(yàn)理論知識(shí)教育虛擬仿真模塊主要由基本知識(shí)介紹和知識(shí)點(diǎn)考核2個(gè)部分組成?;局R(shí)虛擬仿真模塊采用采用Unity3D渲染等技術(shù),增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中需要對(duì)3D虛擬場(chǎng)景渲染、設(shè)計(jì)交互功能,并疊加到相應(yīng)的AR跟蹤真實(shí)場(chǎng)景中,將課程教學(xué)環(huán)節(jié)中諸如實(shí)驗(yàn)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(shí)點(diǎn)、注意事項(xiàng)等牢記于心,達(dá)到熟練掌握目的。知識(shí)點(diǎn)考核虛擬仿真模塊首先建立該環(huán)節(jié)知識(shí)點(diǎn)題庫(kù),題庫(kù)中的答案解析設(shè)計(jì)成為游戲趣味模式,使學(xué)生在游戲中完成對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。以食品中脂類物質(zhì)氧化物質(zhì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例,在該模塊中模擬自動(dòng)氧化、光敏氧化和酶促氧化過程,選擇實(shí)驗(yàn)條件,讓學(xué)生進(jìn)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(duì)各指標(biāo)測(cè)定結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析,掌握油脂氧化劣變的動(dòng)態(tài)規(guī)律。
樣品的采集與前處理是食品分析與檢驗(yàn)課程重點(diǎn)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(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。利用虛擬仿真技術(shù)模擬食品工廠實(shí)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(duì)樣品中脂肪的虛擬仿真提取。在虛擬場(chǎng)景下學(xué)生掌握了索氏抽提過程中的注意事項(xiàng)和操作要求,避免了實(shí)際操作中大量乙醚、石油醚的消耗,及其對(duì)環(huán)境的影響,也避免了實(shí)際操作中乙醚燃燒、爆炸等危險(xiǎn)性的發(fā)生。
快速、方便、智能化的檢測(cè)技術(shù)既省時(shí)、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(yàn)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(yàn)課程重點(diǎn)講解內(nèi)容,采用虛擬現(xiàn)實(shí)和3D交互技術(shù)建立相對(duì)應(yīng)的儀器分析虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目。指導(dǎo)教師通過教師機(jī)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(cè)的賬號(hào),隨時(shí)隨地進(jìn)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(diǎn),然后再上機(jī)進(jìn)行實(shí)際操作,通過虛實(shí)結(jié)合,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力目的[4-5]。
以氣相色譜儀測(cè)定食品中脂肪酸含量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(jìn)行分析。通過對(duì)氣相色譜儀的典型單元操作,包括儀器實(shí)驗(yàn)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(hù)等的仿真,加深學(xué)生對(duì)色譜技術(shù)檢測(cè)的理解,培養(yǎng)學(xué)生對(duì)氣相色譜獨(dú)立操作的能力,掌握溫度、壓力、流動(dòng)相等多種因素影響檢驗(yàn)結(jié)果。在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中,利用3DsMax等技術(shù)實(shí)時(shí)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程,通過人機(jī)交互式的設(shè)計(jì),使同學(xué)們亦游戲亦學(xué)習(xí)。
評(píng)價(jià)考核學(xué)生對(duì)食品分析與檢驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)效果,特別是學(xué)生的動(dòng)手能力情況。傳統(tǒng)考核方式中除了實(shí)驗(yàn)理論以試卷的形式外,操作技能需要借助實(shí)驗(yàn)器材在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行完成,這就需要耗費(fèi)實(shí)驗(yàn)材料、占用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、耗費(fèi)大量時(shí)間,同時(shí)也極大的增加了實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員和指導(dǎo)教師的工作量。因此,考核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能一直是食品分析與檢驗(yàn)課程探索和改革的方向。開發(fā)虛擬軟件中實(shí)驗(yàn)考核虛擬模塊,實(shí)現(xiàn)考核客觀化、自動(dòng)化,過程化。將網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與考核平臺(tái)相融合,虛擬平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)每一步操作的自動(dòng)記錄、驗(yàn)證和自動(dòng)評(píng)分,并具有過程回放功能,并將考核融入到平時(shí)實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可自動(dòng)記錄和監(jiān)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程和成長(zhǎng)軌跡,便于教師進(jìn)行最終的評(píng)判考核[7]。
在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K中按照指導(dǎo)教師確定的知識(shí)考核點(diǎn),建立網(wǎng)絡(luò)題庫(kù)。學(xué)生在完成該節(jié)實(shí)驗(yàn)操作后點(diǎn)擊完成可以形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,若學(xué)生需要練習(xí),可以點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行練習(xí),也可以點(diǎn)擊考核進(jìn)行考試。在實(shí)驗(yàn)考核模塊下,按照實(shí)驗(yàn)操作過程評(píng)定和實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告評(píng)定兩個(gè)方面設(shè)計(jì)開發(fā)虛擬仿真軟件,根據(jù)實(shí)驗(yàn)類型分別設(shè)計(jì)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)一般要求學(xué)生單獨(dú)完成。在過程評(píng)定中,主要考核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)態(tài)度、動(dòng)手能力和對(duì)全程實(shí)驗(yàn)的掌控能力。綜合型實(shí)驗(yàn)依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求,成員分工協(xié)作、共同完成實(shí)驗(yàn),主要考核同學(xué)討論與協(xié)作。指導(dǎo)教師對(duì)于討論和執(zhí)行過程加以引導(dǎo),組內(nèi)成員可以互相進(jìn)行定性或定量評(píng)定,制定組內(nèi)每名同學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中的相應(yīng)成績(jī)。實(shí)驗(yàn)完成后,指導(dǎo)教師可以根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、討論結(jié)果等對(duì)學(xué)生進(jìn)行在線評(píng)價(jià),并分別對(duì)匯報(bào)小組與各個(gè)成員進(jìn)行打分[8]。讓學(xué)生認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,牢記各知識(shí)點(diǎn)與操作要點(diǎn)。再通過實(shí)踐操作,學(xué)生才能熟記要領(lǐng),規(guī)范操作。
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(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》,計(jì)劃到2020 年遴選出1000 項(xiàng)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。按照教育部的要求,高等教育應(yīng)牢牢把握新時(shí)代人才培養(yǎng)的任務(wù)要求,加快推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合,推進(jìn)在線開放課程和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè),形成更高水平的人才培養(yǎng)體系和先進(jìn)的教學(xué)方法。食品分析與檢驗(yàn)課程實(shí)踐性強(qiáng),將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,加強(qiáng)了學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí),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(shí)和實(shí)踐技能有機(jī)結(jié)合,提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。食品分析與檢驗(yàn)課程組要逐步完成重點(diǎn)章節(jié)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā),進(jìn)一步構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,不斷優(yōu)化互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互能力,形成完善的“互聯(lián)網(wǎng)+” 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。