“食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真教學(xué)模式的改革與實(shí)踐

邢常瑞　汪靜　郝怡寧等

[摘要]虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)教學(xué)模式，在教育領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)是食品專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課程，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、動(dòng)手能力。本文基于虛擬仿真視角，分析當(dāng)前許多高校的食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，探討了利用虛擬仿真這一新型教育模式對(duì)食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的改革。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真技術(shù)；食品化學(xué)；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TS201.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20180229

虛擬仿真技術(shù)又稱模擬技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，用一個(gè)虛擬系統(tǒng)去模仿一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)，擁有高端人機(jī)接口的一種新型技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)可以逼真的模仿現(xiàn)實(shí)世界的事和物，結(jié)合人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的觸覺(jué)、視覺(jué)、聽覺(jué)，進(jìn)行交互體驗(yàn)，使人們有種身臨其境的感覺(jué)。虛擬仿真技術(shù)的特征是：沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性，四大特征的融合使虛擬仿真技術(shù)飛速發(fā)展，不僅在教育方面，而且在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和醫(yī)療等方面都漸漸出現(xiàn)它的身影。但是目前在國(guó)內(nèi)，虛擬仿真技術(shù)還不夠完善，只有部分高校，如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)的“大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)”、南京大學(xué)建立的分析化學(xué)大型儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室和天津大學(xué)開發(fā)的材料力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室等，雖然這些仿真實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)不夠完善，形式單一，但為虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

食品化學(xué)作為高校食品院系的一門主干課程，是其它專業(yè)課學(xué)習(xí)的樞紐。食品化學(xué)所含內(nèi)容多，范圍廣，從食品的原料到生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏過(guò)程中，物理化學(xué)變化以及食品中成分的反應(yīng)與變化和蛋白質(zhì)、油脂與碳水化合物的功能性質(zhì)的研究都屬于食品化學(xué)的內(nèi)容。食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)在食品化學(xué)課程中舉足輕重，理論知識(shí)往往讓學(xué)生的學(xué)習(xí)停留在表面，開展實(shí)驗(yàn)課，可以幫助學(xué)生內(nèi)化知識(shí)，提高動(dòng)手能力，有助于高校培養(yǎng)社會(huì)需要的食品專業(yè)人才。隨著科技的進(jìn)步和教育理念的改革，從2012年起，全世界范圍內(nèi)掀起了一股在線課程的浪潮。相比于傳統(tǒng)教學(xué)面對(duì)面講授的教學(xué)方式，在線課程突破了地域、時(shí)間和教育成本的限制，讓學(xué)生能隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，大大降低了教育成本。但在線課程只能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)，無(wú)法讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，因此食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展仍然受到限制，虛擬仿真技術(shù)的引入讓食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

1食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，食品安全問(wèn)題備受關(guān)注，培養(yǎng)食品專業(yè)人才刻不容緩。當(dāng)前，很多高校開設(shè)了食品化學(xué)課程，但由于受學(xué)時(shí)、經(jīng)費(fèi)和空間的影響，更關(guān)注于其理論教學(xué)，從而限制了實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展。雖然近年來(lái)很多高校都在嘗試改變這種重理論輕實(shí)踐的教育模式，但效果不夠明顯，食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程仍存在很多問(wèn)題。

（1）食品化學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時(shí)緊，受時(shí)間的限制，在面對(duì)面講授式教學(xué)中，為了完成教學(xué)任務(wù)，教師在課堂上難以進(jìn)一步拓展相應(yīng)的內(nèi)容，甚至對(duì)部分內(nèi)容一筆帶過(guò)，不利于學(xué)生的深入理解，從而使原本繁瑣的內(nèi)容變得更加復(fù)雜，降低了教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生一直被動(dòng)的接受老師教授的知識(shí)，老師也是年復(fù)一年的教著同樣的知識(shí)，這種教學(xué)會(huì)同時(shí)打擊老師和學(xué)生的積極性。由于學(xué)時(shí)緊，學(xué)校會(huì)偏重于理論教學(xué)，從而忽視了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但是食品化學(xué)是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)的輔助才能幫助學(xué)生更好的理解這門學(xué)科。

（2）由于學(xué)校的實(shí)驗(yàn)資源有限，每次實(shí)驗(yàn)課，老師都會(huì)把同學(xué)們分成4～5人一組，分工合作，這樣會(huì)減少實(shí)驗(yàn)試劑和實(shí)驗(yàn)器材的用量，同時(shí)導(dǎo)致學(xué)生沒(méi)有獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的能力。通常實(shí)驗(yàn)課都是老師提前選好實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，定好實(shí)驗(yàn)方案，配好實(shí)驗(yàn)試劑，上課時(shí)首先講解實(shí)驗(yàn)原理，然后將實(shí)驗(yàn)方案分發(fā)給學(xué)生，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)方案上的步驟一步一步的做，最終努力的將自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近理論結(jié)果。從不思考實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所加入的試劑的作用，所用實(shí)驗(yàn)儀器的原理，甚至當(dāng)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值不符，都不會(huì)去分析數(shù)據(jù)異常的原因。比如利用凱氏定氮法測(cè)定蛋白質(zhì)含量，只需將樣品消化后直接放在定氮儀上測(cè)定。根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果，都沒(méi)有弄清實(shí)驗(yàn)原理，也沒(méi)明白氫氧化鈉和硼酸的作用，甚至有的學(xué)生都不知道還有滴定的步驟。久而久之，這種填鴨式教學(xué)成為學(xué)生學(xué)習(xí)的習(xí)慣，遇到問(wèn)題不會(huì)分析、不會(huì)思考。面對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有獨(dú)立查文獻(xiàn)，寫方案的能力，更可怕的是，有些學(xué)生連簡(jiǎn)單的配試劑都存在一定的問(wèn)題，極大的限制了學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力。

（3）食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器種類多，而且有的儀器體積大，需要很大的空間放置。食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)室本來(lái)就有很多的試劑和樣品，空間有限，導(dǎo)致沒(méi)有足夠的空間去容納這些大儀器。有些儀器價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，不會(huì)讓學(xué)生自己操作，甚至有的出于經(jīng)費(fèi)考慮，會(huì)放棄購(gòu)買。有些儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便拆卸，老師無(wú)法深入全面的講解，導(dǎo)致學(xué)生很難理解其原理。有些實(shí)驗(yàn)會(huì)用到強(qiáng)酸強(qiáng)堿，存在一定的安全隱患，學(xué)生出于畏懼，無(wú)法全身心投入。目前很多高校由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和人員問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室的開放程度不高，極大的阻礙了學(xué)生動(dòng)手能力的提高。

2虛擬仿真技術(shù)對(duì)食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的改革

上述描述的食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的現(xiàn)狀是目前國(guó)內(nèi)大部分高校面臨的問(wèn)題，專家學(xué)者都在不斷摸索課程的改革方法，虛擬仿真技術(shù)的興起，打破了傳統(tǒng)的教育模式，為食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的改革提供一條嶄新的道路。其最大的特點(diǎn)就是為學(xué)生提供一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但又具有真實(shí)感。

（1）食品化學(xué)與許多學(xué)科的內(nèi)容交叉，知識(shí)點(diǎn)不清晰，課堂的理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，有利于學(xué)生消化知識(shí)。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生可以利用碎片時(shí)間學(xué)習(xí)，有效的淡化了時(shí)間和空間對(duì)教學(xué)的限制，使學(xué)生能按照自身水平和時(shí)間安排調(diào)整實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，也可以根據(jù)自己的興趣選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。使學(xué)習(xí)變得更加靈活自由，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)參與。使學(xué)生能更好地理解課程、降低學(xué)習(xí)難度、調(diào)動(dòng)了學(xué)生積極性、促進(jìn)了學(xué)生對(duì)課程的深入學(xué)習(xí)，做到真正意義上的因材施教。因此，理論的課堂教學(xué)學(xué)時(shí)充足，教師可以調(diào)整授課速度，進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容的拓展，將原本凌亂缺乏系統(tǒng)性的知識(shí)點(diǎn)條理化，使學(xué)生學(xué)起來(lái)思路更清晰。虛擬仿真技術(shù)的引入，打破傳統(tǒng)教學(xué)的束縛，學(xué)習(xí)時(shí)間自由分配，不受地理因素限制，使學(xué)生能靈活安排學(xué)習(xí)計(jì)劃，老師也不會(huì)因?qū)W時(shí)問(wèn)題重復(fù)教學(xué)，會(huì)大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和老師的教學(xué)興趣。

（2）將虛擬仿真技術(shù)與食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以完善真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)任務(wù)，學(xué)生可以獨(dú)立完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)技能，從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇、方案的制定、試劑的配置、儀器的使用到最后實(shí)驗(yàn)的完成和數(shù)據(jù)分析，每一步驟都是學(xué)生自己完成，可以極大的激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不受時(shí)間的限制，讓每一位學(xué)生都可以獨(dú)立完成自己的實(shí)驗(yàn)。有些實(shí)驗(yàn)在儀器中反應(yīng)，真實(shí)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法看到樣品是如何發(fā)生反應(yīng)的，如用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定大米中的鉛、鉻等重金屬含量，其樣品處理階段，進(jìn)行微波消解時(shí)，只是在儀器上設(shè)定消解模式與時(shí)間，在測(cè)定階段也是直接將樣品放在儀器上，設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，即可得出結(jié)果。看不到這整個(gè)過(guò)程中樣品的變化和儀器如何測(cè)定出重金屬含量。結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，以視覺(jué)和圖像的雙重教學(xué)向?qū)W生展示每個(gè)實(shí)驗(yàn)階段中步驟的原理和儀器的測(cè)定過(guò)程，減少教師的重復(fù)勞動(dòng)，這樣可以充分了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，有助于學(xué)生對(duì)食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)的理解，遇到實(shí)驗(yàn)問(wèn)題也能找到解決方案，將實(shí)驗(yàn)做到真正的精、細(xì)、深。食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)是食品檢測(cè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)，虛擬仿真技術(shù)的引入，有利于食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展，為培養(yǎng)食品專業(yè)人士打下基礎(chǔ)。

（3）虛擬仿真技術(shù)使學(xué)生身處一個(gè)虛擬狀態(tài)，根據(jù)真實(shí)環(huán)境模擬的一個(gè)狀態(tài)，解決因空間和資金不足而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不齊全的問(wèn)題。減輕了高校實(shí)驗(yàn)室管理與運(yùn)轉(zhuǎn)的壓力，從而大大降低了實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，食品化學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)經(jīng)常會(huì)因?yàn)樵噭┍旧淼亩拘?。儀器操作不當(dāng)和基本技能不熟練而引發(fā)人身安全問(wèn)題。比如采用聚丙烯酰胺凝膠電泳法鑒定分子量，其制膠過(guò)程用到的試劑和電泳緩沖液都有毒，有時(shí)實(shí)驗(yàn)用到的高溫高壓的條件，如果學(xué)生對(duì)高溫高壓滅菌鍋操作不熟悉，沒(méi)有等其壓力和溫度都降到安全范圍內(nèi)取出樣品，會(huì)產(chǎn)生一定的人身安全，所以很多老師常常在教學(xué)過(guò)程有意避開危險(xiǎn)操作。這樣不利于對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)，而虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以讓學(xué)生感受到做實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感，但又由于一切都是虛幻的，不會(huì)有危險(xiǎn)現(xiàn)象，可以很好的解決這一問(wèn)題。長(zhǎng)此以往，學(xué)生面對(duì)實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)沉著冷靜，由此，實(shí)驗(yàn)室可以全面開放。另一方面，學(xué)生可以對(duì)大型儀器進(jìn)行拆解同，從結(jié)構(gòu)、部件到組裝，了解其工作原理，以便分析適用于哪些實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

3結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)在近些年得到了極大的發(fā)展，也產(chǎn)生了一定的效果，但技術(shù)的廣泛應(yīng)用是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，如何將虛擬仿真技術(shù)與食品化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，如何將實(shí)驗(yàn)從以教師為導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為導(dǎo)向，如何提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，都需要各高校和教育部門不斷地思考、探索與改進(jìn)。