于 潔

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品生物技術(shù)與工程教育部重點實驗室農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶制品加工重點實驗室內(nèi)蒙古自治區(qū)乳品生物技術(shù)與工程重點實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018）

1 虛擬仿真技術(shù)概述

1.1 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展迅速，已經(jīng)逐漸深入到社會發(fā)展的各個方面，為了進(jìn)一步促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的深度融合，我國教育進(jìn)入了“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代[1]，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”是一種借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新教學(xué)方式，能夠?qū)鹘y(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行有益的改善，不僅拓寬了學(xué)生獲取知識的渠道，建立起更加數(shù)據(jù)化、個性化、社會化和移動化的學(xué)習(xí)模式，而且突破了時間和空間的限制，使得教學(xué)資源、學(xué)習(xí)門檻、課程設(shè)置都走向開放。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的進(jìn)步，信息技術(shù)的發(fā)展逐步成熟，虛擬仿真技術(shù)在高校課程教學(xué)中展現(xiàn)出了獨特優(yōu)勢。最初，虛擬仿真技術(shù)多數(shù)被應(yīng)用于軍事、企業(yè)、學(xué)術(shù)實驗室中，因其成本不斷降低，逐步被應(yīng)用在教育領(lǐng)域。教育部于2013 年8 月決定開展建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的工作，充分體現(xiàn)了高校實踐教學(xué)體系迫切需要虛擬仿真教學(xué)的輔助。目前，虛擬仿真技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在許多高校的實驗課程中，利用計算機及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起虛擬的實驗操作環(huán)境，課程內(nèi)容在虛擬仿真實驗平臺的教學(xué)方式下變得更加具體、直觀，教學(xué)方式更加生動通俗，大大提升了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，且有益于促進(jìn)教學(xué)中實驗與理論知識的平衡。

1.2 國內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展

科學(xué)技術(shù)日新月異，為了使教育教學(xué)緊跟信息化時代的步伐，使信息化技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，建立知識獲取、傳授的新方式，2018 年，國家教育部發(fā)布了關(guān)于開展虛擬仿真實驗教學(xué)項目工作的通知，社會各界都積極地響應(yīng)與支持，迎來了國內(nèi)高校創(chuàng)新、利用虛擬仿真教學(xué)方式的新風(fēng)潮[2]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科技大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)等高校建立開發(fā)了較為完善的虛擬仿真體系及平臺。2019 年，臨床醫(yī)學(xué)、機械、化工等23 個學(xué)科領(lǐng)域所采用的國家虛擬仿真實驗項目都得到了認(rèn)可，在高校教育中產(chǎn)生了不錯的反響，發(fā)展并且拓展了實驗教學(xué)的深度及廣度。

國外對于虛擬仿真教學(xué)的研究要早于我國，并且應(yīng)用更為廣泛。近年來，國外許多高校積極構(gòu)建更加有效的線上學(xué)習(xí)平臺、工具及環(huán)境。同時，為解決網(wǎng)絡(luò)課程和線上教學(xué)缺少實驗項目、高校學(xué)生實踐能力普遍偏差的問題，美國斯坦福大學(xué)、美國科羅拉多大學(xué)、麻省理工學(xué)院、英國開放大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)等國外著名高校，在一些網(wǎng)絡(luò)課程中添加了以虛擬實驗室為教學(xué)手段的實踐教學(xué)內(nèi)容[3]。盡管國內(nèi)的虛擬仿真教學(xué)起步較晚，但其發(fā)展非常快速。目前，國內(nèi)與國外虛擬仿真教學(xué)雖在技術(shù)方面已相差不大，但在普及應(yīng)用上與國外相比有著有較大的差距。

2 “乳品分析與檢驗”課程傳統(tǒng)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題

近年來，食品安全受到廣泛關(guān)注，該問題在乳品行業(yè)中經(jīng)常發(fā)生，國內(nèi)三聚氰胺事件、安徽阜陽的大頭娃娃事件、嬰幼兒奶粉汞超標(biāo)等事件接連發(fā)生，國外進(jìn)口奶粉的質(zhì)量安全也總是問題不斷。國家在不斷加強食品安全監(jiān)管制度，企業(yè)在此方面也投入大量資金，引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，加大精準(zhǔn)的檢驗儀器的投入，給乳品工程專業(yè)的學(xué)生提供了很多實踐機會，就業(yè)前景可觀。為適應(yīng)社會對乳品類專業(yè)人才的需求，學(xué)校針對乳品工程專業(yè)的本科生開設(shè)了“乳品分析與檢測”課程，該課程是一門集研究和評定乳制品品質(zhì)、保障乳制品安全等相關(guān)知識的技術(shù)型應(yīng)用學(xué)科[4]。

“乳品分析與檢測”課程是高等院校乳品專業(yè)的核心課程，主要介紹乳品質(zhì)量檢驗與品質(zhì)控制的最新方法、技術(shù)和相關(guān)理論，重點是運用乳品質(zhì)量檢驗技術(shù)的基本理論及大型分析儀器對乳品工業(yè)生產(chǎn)中的營養(yǎng)元素和有害物質(zhì)進(jìn)行定量檢測，課程涉及許多實驗項目，內(nèi)容豐富、研究范圍廣，要求學(xué)生具有較高的實踐能力、應(yīng)用能力。課程的教學(xué)效果對學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、專業(yè)知識和技能掌握等方面有著深遠(yuǎn)影響。傳統(tǒng)開設(shè)的“乳品分析與檢測”實驗內(nèi)容主要以驗證性實驗為主，內(nèi)容局限在既定的教材框架中，實驗方法和操作步驟均遵循“實驗指導(dǎo)書”，導(dǎo)致學(xué)生在實驗訓(xùn)練中缺少主觀能動性，阻礙學(xué)生在實驗中構(gòu)建科學(xué)思維，不利于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，學(xué)生在規(guī)定的地點、有限的時間內(nèi)進(jìn)行實驗，按照實驗指導(dǎo)書所指定的操作流程進(jìn)行實驗，大大限制了學(xué)生的創(chuàng)新能力[5]。提高乳品專業(yè)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、實踐能力已迫在眉睫，對現(xiàn)有的“乳品分析與檢測”實驗教學(xué)模式進(jìn)行改革已勢在必行。

將“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真技術(shù)與“乳品分析與檢測”實驗課程相結(jié)合，開發(fā)液相色譜仿真實驗平臺，再現(xiàn)液相色譜儀實驗室環(huán)境和實驗操作過程，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，得出仿真結(jié)果。虛擬仿真平臺高的構(gòu)建有效地加大教育裝備力量，彌補液相色譜儀和質(zhì)譜儀等大型儀器設(shè)備的嚴(yán)重不足，同時可保證每個學(xué)生都作為實驗人員參與其中，提高了實驗的挑戰(zhàn)性和難度，使每個學(xué)生都主動思考、積極實踐，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性，造就符合時代背景的創(chuàng)新型專業(yè)人才。

2.1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題

學(xué)習(xí)課程理論知識體系需要通過實驗教學(xué)的方式加以實踐、驗證和補充。實驗教學(xué)增強學(xué)生動手能力的同時可以給學(xué)生提供自主思考的機會，還可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力、喚起學(xué)生對課程的興趣，做到理論與實踐的緊密結(jié)合。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，普通的理論教學(xué)方式已不足以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時在實際教學(xué)過程中，基礎(chǔ)理論抽象難懂、實驗所需的儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、教學(xué)條件不夠完善等問題難以解決，導(dǎo)致學(xué)生理解不夠到位，實驗經(jīng)驗欠缺，動手能力不足，獨立思考的能力受到限制。與將學(xué)生培養(yǎng)成為高素質(zhì)應(yīng)用型人才的目標(biāo)還有一定距離。

2.2 缺少實驗儀器

“乳品分析與檢驗”是一門與實驗密切結(jié)合的學(xué)科，實驗項目繁多。完成實驗不僅需要多種儀器、設(shè)備的支持，還需要大量的時間、空間及精力。多種因素限制下，學(xué)生難以掌握實驗技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些用人單位相繼購置了一些高精尖設(shè)備和精密儀器并投入使用。對于大多數(shù)高校而言，場地、經(jīng)費不足，而這些設(shè)備的價格昂貴、占用空間大、需要定期支付高昂的維護費，因此缺乏購置這些儀器的條件，導(dǎo)致實驗項目無法順利進(jìn)行。除此之外，一些儀器雖已在高校中投入使用，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以拆卸，大大浪費了學(xué)生為數(shù)不多的實驗時間，教師枯燥無力的講解也無法使學(xué)生充分掌握實驗技能[6]。

2.3 教學(xué)條件的制約

隨著各高校招生規(guī)模的不斷擴大，教學(xué)資源對于每一位學(xué)生來說變得更加有限。實驗材料投入不充分，實驗場地?fù)頂D，因此指導(dǎo)實驗的教師通常會將學(xué)生分組進(jìn)行實驗。一般每個小組中有5～6 名學(xué)生，分工合作，相互協(xié)助完成實驗項目。在實驗過程中，動手能力強、積極主動的學(xué)生完成工作較多，但另一部分學(xué)生缺少主動性和動手能力，參與完成的實驗內(nèi)容較少，甚至有的學(xué)生沒有動手參與實驗的機會。對于大型儀器，高校購置并投入的數(shù)量少，讓每個學(xué)生都能夠參與到大型儀器的實驗中難上加難，通常只能通過演示實驗的方式對學(xué)生進(jìn)行分組講解。在演示實驗的過程中，大型儀器的結(jié)構(gòu)組成及功能更為復(fù)雜精密、演示時間有限，教師只能抓緊時間為每一組的學(xué)生一遍又一遍籠統(tǒng)地講解，學(xué)生很難理解抽象的講解。演示實驗進(jìn)行的場所一般都存放大型儀器，空間狹小，有些學(xué)生不能看到完整的講解過程，各類因素共同阻礙學(xué)生充分理解實驗過程。

2.4 實驗單一，學(xué)時不足

大多數(shù)高校的實驗課都是指導(dǎo)教師事先選好實驗項目，確定實驗方法，制定實驗方案，然后確定實驗步驟。由于學(xué)生實驗學(xué)時不足、缺少實踐經(jīng)驗、學(xué)校實驗材料有限，為節(jié)省時間和實驗藥品，實驗過程中所用的試劑需要實驗技術(shù)人員提前配制，實驗儀器也需要提前調(diào)試，大大減少了學(xué)生動手的機會[7]。在上實驗課的過程中，指導(dǎo)教師先給學(xué)生講述實驗原理，再解說實驗步驟，學(xué)生利用剩余的時間，按照教師給出的實驗步驟按部就班地完成實驗。在整個教學(xué)過程中，學(xué)生很少積極地獨立分析和思考每一個實驗步驟的作用，很少考慮藥品的添加順序及劑量，在實驗結(jié)果與理論結(jié)果不一致時，也很少主動思考導(dǎo)致實驗出現(xiàn)誤差的原因。學(xué)生在實驗教學(xué)過程中，獨立思考的能力沒有得到鍛煉，自主創(chuàng)新的能力也沒有被激發(fā)。

2.5 設(shè)備精密復(fù)雜、抽象難懂

“乳品分析與檢測”中有許多實驗項目，某些需要的實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，分析不同樣品時可調(diào)參數(shù)眾多，即使指導(dǎo)教師當(dāng)場進(jìn)行實驗演示，對設(shè)備運行原理進(jìn)行解釋說明，學(xué)生也很難理解設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運轉(zhuǎn)機理。在教師講解的過程中，需要學(xué)生充分發(fā)揮抽象思維、構(gòu)想設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、緊跟教師講解思路才能加深對儀器工作原理的理解[8]。

3 虛擬仿真技術(shù)在乳品分析與檢測實驗教學(xué)的應(yīng)用

“乳品分析與檢測”實驗課程中乳品添加劑、獸藥殘留、農(nóng)藥殘留和生物毒素等物質(zhì)的檢測，均可采用高效液相色譜技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的測定，通常色譜類儀器價格昂貴，多數(shù)高校存在臺套數(shù)不足的情況，且實驗過程繁瑣復(fù)雜，涉及樣品前處理、儀器參數(shù)設(shè)置、儀器操作等方面，因此不能保證學(xué)生能夠親自動手操作，導(dǎo)致學(xué)生不能更好地掌握這類知識，就更需要采用虛擬仿真技術(shù)來提升學(xué)習(xí)效果。因此，將虛擬仿真技術(shù)與“乳品分析與檢測”實踐教學(xué)相結(jié)合，開發(fā)虛擬仿真實驗平臺，真實再現(xiàn)液相色譜儀等實驗室環(huán)境和實驗操作過程，讓學(xué)生通過對模擬設(shè)備進(jìn)行操作，實現(xiàn)知識與實踐的高效結(jié)合，增強學(xué)生的實驗技能[9]。

3.1 基礎(chǔ)知識教育虛擬仿真

首先，對于基本的理論知識教育，通過三維動畫的形式清晰地展現(xiàn)液相色譜儀的工作原理、實驗內(nèi)容、操作流程、理論知識、注意事項等進(jìn)行具體的講解。例如，高效液相色譜的主要構(gòu)造由進(jìn)樣系統(tǒng)、高壓輸液系統(tǒng)、檢測器系統(tǒng)及色譜柱系統(tǒng)等組成[10]，都會以三維動畫的形式呈現(xiàn)出來，學(xué)生可以更直觀地理解儀器的構(gòu)造及其作用。包括抽象難懂的實驗原理，也可以通過極具趣味性的講解和動畫更加生動清晰地傳達(dá)給學(xué)生?；A(chǔ)知識教育部分主要以演示為主，為加強學(xué)生對知識點的掌握，要建立關(guān)于高效液相色譜的知識點題庫，學(xué)生可通過反復(fù)的練習(xí)不斷鞏固，將知識點注意事項等熟練掌握，以達(dá)到牢記于心的目的。

3.2 虛擬仿真實驗學(xué)習(xí)系統(tǒng)

實驗學(xué)習(xí)系統(tǒng)是在學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)知識教育的基礎(chǔ)上，學(xué)生掌握了實驗的原理、目的、操作流程、數(shù)據(jù)處理等，然后進(jìn)行實驗的虛擬操作訓(xùn)練。首先，在訓(xùn)練初期針對一些重點操作有一定的操作提示，在操作過程中從有提示到無提示逐漸過渡，加深對于實驗操作的認(rèn)知，更加熟練地完成實驗項目。學(xué)生可以利用虛擬仿真系統(tǒng)按實驗需求配置任意濃度的標(biāo)樣，根據(jù)實際情況完成單標(biāo)、混標(biāo)配樣，也可以對流速、波長、色譜柱溫度等眾多參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到實驗所需標(biāo)樣的條件[11]。通過一系列色譜儀操作后得出數(shù)據(jù)、繪制色譜曲線，學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析完成實驗報告。虛擬實驗訓(xùn)練結(jié)束后，學(xué)生可以選擇繼續(xù)練習(xí)也可以通過測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，學(xué)生可根據(jù)答題情況了解自己的薄弱環(huán)節(jié)，教師也可以通過后臺掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)進(jìn)度，了解學(xué)習(xí)過程中的難點。

3.3 虛擬仿真教學(xué)效果評價

教學(xué)效果是評價虛擬仿真教學(xué)模式的重要依據(jù)，在實驗教學(xué)過程中，不僅要重視其過程性評價而且要注重其終結(jié)性評價，建立以人為本的多元化教學(xué)評價機制[12]。傳統(tǒng)的考核中，實驗理論部分可通過試卷的形式進(jìn)行考核，對于實驗操作技能需要使用實驗儀器完成考核，不僅花費大量的時間、耗費實驗材料、占用實驗場地，而且增加了教師的工作量。首先對于基礎(chǔ)知識部分，學(xué)生需要在課前提前預(yù)習(xí)完成，通過學(xué)生觀看視頻的時長，是否完成相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行評分。實驗測試模塊考核貫穿全程，在操作過程中對錯誤操作進(jìn)行警告，根據(jù)操作的錯誤嚴(yán)重程度扣分。實驗操作結(jié)束后，在實驗報告中對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析[13]。教師通過實驗報告對學(xué)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行打分。以上3 個部分形成學(xué)生該課程的過程性考核成績，最后再與期末考試成績相結(jié)合，得到最終成績。

4 結(jié)語

虛擬仿真教學(xué)輔助傳統(tǒng)實驗教學(xué)是當(dāng)今實驗教學(xué)的趨勢。高相液相色譜儀是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分析儀器，是乳制品中三聚氰胺等有害物質(zhì)測定的關(guān)鍵技術(shù)。利用虛擬仿真技術(shù)建立液相色譜儀的虛擬實驗室，在課堂上，虛擬實驗室可以更加生動詳細(xì)地展示液相色譜儀各部分構(gòu)造，以及操作要點，學(xué)生更容易理解課堂內(nèi)容，對儀器更加了解。課后，學(xué)生可以借助虛擬實驗室反復(fù)練習(xí)達(dá)到熟練掌握液相色譜儀的各項規(guī)范操作，鞏固知識點。虛擬仿真實驗室可以彌補實驗儀器的不足并提升實驗效率，學(xué)生和教師都應(yīng)轉(zhuǎn)變思想，適應(yīng)虛擬仿真教學(xué)的新模式。