新工科背景下食品質(zhì)量與安全專業(yè)虛擬仿真實驗室建設(shè)初探

＊孫海燕 張辰露 耿敬章 裴金金 李虎

（1.陜西理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院 陜西 723000 2.陜西理工大學(xué) 陜西省資源生物重點實驗室 陜西 723000 3.國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心秦巴地區(qū)保鮮工作站 陜西 723000 4.陜南秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心 陜西 723000 5.陜西理工大學(xué)秦巴生物資源與生態(tài)環(huán)境省部共建國家重點實驗室（培育）陜西 723000）

食品質(zhì)量與安全專業(yè)是研究食品的營養(yǎng)、安全與健康的關(guān)系，食品營養(yǎng)的保障和食品安全衛(wèi)生質(zhì)量管理的學(xué)科。食品質(zhì)量與安全專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生具備化學(xué)、生物學(xué)、食品科學(xué)、食品質(zhì)量管理及安全控制、國內(nèi)外食品安全的標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)等方面知識和基本實踐技能，能從事食品安全分析檢測、動物檢驗檢疫、農(nóng)產(chǎn)品和食品質(zhì)量管理等技術(shù)工作，以及食品原料及相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量控制、質(zhì)量檢測、質(zhì)量管理、質(zhì)量認(rèn)證等應(yīng)用技術(shù)和管理技術(shù)工作，屬工科專業(yè)。

2017年以來，我國教育部開始重視新工科建設(shè)，在“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”三部曲的助推下，提出構(gòu)建工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展人工智能等新技術(shù)，輕工、紡織等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、向價值鏈中高端發(fā)展，推動工科與其他學(xué)科交叉融合[1-4]，突出了人工智能技術(shù)與工科教育的融合發(fā)展。新工科建設(shè)指南中提出的創(chuàng)新型工程教育理念、學(xué)科交叉融合、專業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級、產(chǎn)學(xué)研合作育人等意見，已成為目前我國高等教育改革的焦點[5]。2017年教育部提出了以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，各高校積極開展虛擬仿真教學(xué)項目，加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)和應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力[6]。

虛擬仿真又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)或模擬技術(shù)，是將先進(jìn)的仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，就是用一個虛擬的系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，是在20世紀(jì)80年代新崛起的一種綜合集成技術(shù)，涉及到的技術(shù)主要有傳感技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、人工智能和人機(jī)交互技術(shù)等；由計算機(jī)硬軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境，即虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實世界存在或是不存在的事物和環(huán)境，人投入到這種環(huán)境中，會有“親臨其境”的感覺，而且可以親自操作，自然地與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，即仿真技術(shù)就是應(yīng)用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗，借助某些數(shù)值計算和問題求解，反映系統(tǒng)行為或過程的仿真模型技術(shù)。各高校食品專業(yè)實踐性教學(xué)由于受實驗場地、原材料、安全性等因素的限制，導(dǎo)致某些實驗項目無法正常開展進(jìn)行。因此，建立虛擬仿真實驗室，通過仿真技術(shù)，使學(xué)生通過仿真軟件，達(dá)到與真實操作設(shè)備一致效果的目的[7-8]。近年來，隨著虛擬實驗技術(shù)的成熟，人們開始認(rèn)識到虛擬仿真實驗室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價值，因此，國內(nèi)的許多高校都在積極申報虛擬仿真實驗室的建立。仿真模擬實驗教學(xué)除具有利用率高，易維護(hù)等優(yōu)點，還具有生動形象、直觀逼真等特點，可極大地提高和激發(fā)學(xué)生對教學(xué)實驗和科研實驗的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，通過仿真實驗可以讓學(xué)生進(jìn)一步地了解食品感官評價流程和方法，了解所使用的儀器設(shè)備運(yùn)行原理，還可以在系統(tǒng)中模擬實際操作，既達(dá)到了實驗?zāi)康模?jié)約了實驗和教學(xué)成本，又提升了實驗安全性，開拓了學(xué)生的視野，同時增強(qiáng)學(xué)生的安全意識和社會責(zé)任感[9-10]。

在新工科背景下，高校食品專業(yè)相關(guān)課程，也應(yīng)實現(xiàn)現(xiàn)代化技術(shù)與課程的融合，改革與創(chuàng)新教學(xué)新手段、新形式，讓新媒體、智能設(shè)備進(jìn)入專業(yè)課程，讓學(xué)生可以直觀形象的進(jìn)行各種試驗操作，也可以在一定程度上提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)德智教育的有效融合。

1.食品質(zhì)量與安全專業(yè)實驗和實踐教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)融合建設(shè)內(nèi)容

(1)食品專業(yè)實驗教學(xué)虛擬仿真模塊建設(shè)

食品質(zhì)量與安全專業(yè)核心課程如有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、食品化學(xué)、食品毒理學(xué)、現(xiàn)代食品安全科學(xué)、食品感官評價、儀器分析等課程要么知識點分散，知識內(nèi)容抽象，不易理解掌握；要么實驗操作有一定危險性，對實驗場地和實驗專業(yè)設(shè)備要求較高等，在具體實驗進(jìn)行過程中導(dǎo)致實驗效果不佳。因此，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，將虛擬仿真實驗技術(shù)應(yīng)用到專業(yè)實驗教學(xué)中，通過建立虛擬仿真實驗室教學(xué)平臺，使學(xué)生直接在平臺上進(jìn)行實驗項目的操作，既可以人機(jī)交互，也可以直接觀看實驗操作視頻、實驗原理和實驗操作的3D動畫演示。除此之外，還可直接在仿真實驗平臺開展進(jìn)入實驗室前的安全知識培訓(xùn)考核等。如開發(fā)食品物理化學(xué)實驗的虛擬仿真項目，開發(fā)食品感官評價實驗的虛擬仿真項目，智能感官設(shè)備——電子舌、電子鼻、電子眼、氣質(zhì)聯(lián)用色譜、氣相離子遷移色譜等設(shè)備購置費(fèi)用較高，在感官品評實驗中很難讓學(xué)生都接觸使用，利用虛擬仿真技術(shù)，將其與智能感官品評設(shè)備和人機(jī)一體化品評設(shè)備的具體原理和與具體品評實驗項目相融合，多設(shè)計開放創(chuàng)新型實驗內(nèi)容，讓每一個學(xué)生都能從實驗設(shè)計、準(zhǔn)備開始介入，不但會實用的簡單操作，而是整體實驗的學(xué)習(xí)，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新實驗?zāi)芰?，促使每個學(xué)生都要主動思考實驗、參與實驗，強(qiáng)化理論知識的運(yùn)用和具體的實驗效果。

(2)食品專業(yè)實訓(xùn)虛擬仿真模塊建設(shè)

專業(yè)實訓(xùn)虛擬仿真模塊是食品質(zhì)量與安全專業(yè)教學(xué)體系中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實踐應(yīng)用能力最重要的模塊。根據(jù)食品專業(yè)建設(shè)要求，可以構(gòu)建不同的專業(yè)實訓(xùn)，如構(gòu)建食品綜合實訓(xùn)仿真實訓(xùn)，包括食品加工、感官品評、理化測定和微生物檢測虛擬仿真實訓(xùn)，如啤酒、果酒加工品評綜合實訓(xùn)、肉類產(chǎn)品加工品評綜合實訓(xùn)、果蔬產(chǎn)品加工品評綜合實訓(xùn)、酸奶加工品評綜合實訓(xùn)等。也可以依據(jù)食品質(zhì)量安全專業(yè)特點要求，構(gòu)建食品安全快檢實訓(xùn)，這對學(xué)生專業(yè)知識的理解掌握能力要求較高。還可以虛擬工廠形式整體展示和部分重點展示食品生產(chǎn)、檢測企業(yè)的廠區(qū)設(shè)計平面、生產(chǎn)工藝路線、加工設(shè)備及設(shè)備具體工作原理、狀態(tài)等，將食品安全信息管理、食品研發(fā)、風(fēng)險管理和車間管理及GMP良好生產(chǎn)作業(yè)規(guī)范和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)操作程序、ISO質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容與虛擬仿真實訓(xùn)相融合，在向?qū)W生展示、演示的同時，還可以進(jìn)行仿真互動。

利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建實訓(xùn)，不需要受實驗場地、實驗設(shè)備、實驗安全等外因限制，可以根據(jù)專業(yè)特點，多方面構(gòu)建實訓(xùn)內(nèi)容，通過虛擬仿真實訓(xùn)讓學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握食品的生產(chǎn)和檢測的全過程，拓寬學(xué)生的知識面，強(qiáng)化學(xué)生的食品加工、安全檢測、質(zhì)量評價等素質(zhì)，提升學(xué)生的綜合知識運(yùn)用能力，為學(xué)生就業(yè)打下良好基礎(chǔ)。

(3)創(chuàng)新設(shè)計虛擬仿真模塊建設(shè)

在專業(yè)理論知識、實驗和實訓(xùn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的綜合運(yùn)用和創(chuàng)新能力，可以設(shè)置食品專業(yè)的創(chuàng)新設(shè)計虛擬仿真模塊。學(xué)生可以在虛擬仿真系統(tǒng)里模擬大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”項目、挑戰(zhàn)杯比賽、大學(xué)生生命競賽等活動操作，同時可以將老師成功典型的科研項目作為系統(tǒng)資源，讓學(xué)生利用方針系統(tǒng)模擬參與科研項目，一方面可以鍛煉提升學(xué)生的設(shè)計動手能力，另一方面也可以拓寬學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，對提升教師的教學(xué)效果也是非常有效的。

2.虛擬仿真技術(shù)在食品質(zhì)量與安全專業(yè)實踐教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢

(1)提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識

將現(xiàn)代信息技術(shù)融入食品專業(yè)實驗實訓(xùn)教學(xué)各環(huán)節(jié)，使實驗實訓(xùn)不再局限于教室，不在受各種條件限制，每個學(xué)生都可以上手模擬，每個學(xué)生都可以自主設(shè)置模擬條件、模擬參數(shù)，依據(jù)自身設(shè)置得到自己的實驗數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果，隨時隨地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)操作，趣味性增強(qiáng)[9-10]，既提升學(xué)生的實驗實訓(xùn)學(xué)習(xí)興趣和熱情，又可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，開拓視野。

(2)深入直觀地演示實驗實訓(xùn)操作，進(jìn)行人機(jī)互動

虛擬仿真教學(xué)不光是對學(xué)生學(xué)習(xí)提出了更高要求，要求每一個學(xué)生都必須在模擬平臺提前預(yù)習(xí)、主動操作、課后復(fù)習(xí)、完成作業(yè)，理解掌握理論知識，在實驗進(jìn)行時，每一個學(xué)生都需要親自動手操作，進(jìn)行人機(jī)互動，每個學(xué)生得到不同的實驗數(shù)據(jù)，避免個別同學(xué)偷懶抄襲實驗結(jié)果；同時也對任課教師提出了高要求，教師是實現(xiàn)信息化教學(xué)的關(guān)鍵，因此要求教師能夠提前參加虛擬仿真系統(tǒng)平臺學(xué)習(xí)，熟悉系統(tǒng)操作，同時也要求老師要能夠?qū)⒄n程知識系統(tǒng)整體貫穿、系統(tǒng)梳理。

實驗結(jié)束，要求教師能夠依托云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，分析學(xué)生的實驗實訓(xùn)數(shù)據(jù)，可以為教師提供教學(xué)效果評價模型，智能跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中的短板，幫助教師及時調(diào)整解決學(xué)生實驗實訓(xùn)學(xué)習(xí)中的問題[11]。

(3)全面模擬各類實驗實訓(xùn)內(nèi)容

各高校食品專業(yè)由于受實驗場地、實驗實訓(xùn)經(jīng)費(fèi)等的限制，不能配備所有先進(jìn)儀器設(shè)備和實驗場地，或者某些實驗實訓(xùn)受到原材料、實驗項目安全性限制等，導(dǎo)致某些實驗實訓(xùn)教學(xué)無法開展或者由于教學(xué)資源配置不足，導(dǎo)致學(xué)生動手機(jī)會少的問題[9,12]，因此，建立虛擬仿真實驗室，通過仿真軟件，讓學(xué)生達(dá)到與實地實驗操作儀器設(shè)備相似的效果[7-8]。通過虛擬仿真技術(shù)在食品專業(yè)教學(xué)實驗實訓(xùn)中的應(yīng)用，可以全面模擬各類項目，讓學(xué)生提前熟悉工廠實際情況，為后續(xù)實習(xí)就業(yè)打下良好基礎(chǔ)；同時可以在實驗過程中不斷調(diào)整軟件設(shè)計，完善實驗仿真系統(tǒng)，使之與食品專業(yè)學(xué)生就業(yè)所需項目更加貼合；還可以與校內(nèi)其他學(xué)科專業(yè)相結(jié)合，開發(fā)更多更前沿的實驗實訓(xùn)項目，讓學(xué)生得到更多鍛煉機(jī)會。

3.結(jié)束語

現(xiàn)代信息技術(shù)引入各大高校理論和實驗實訓(xùn)教學(xué)中已成為不可阻擋的教育改革趨勢，要求教育工作者轉(zhuǎn)變教育觀念，提高教育質(zhì)量，這對于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有深遠(yuǎn)意義。而如何合理并科學(xué)的利用現(xiàn)代信息技術(shù)對食品專業(yè)理論和實踐性教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新變革，也是我們食品專業(yè)教師應(yīng)該思考和探索的問題。

虛擬仿真技術(shù)具有跨學(xué)科、跨年級等優(yōu)勢，可以將多學(xué)科多專業(yè)領(lǐng)域的知識匯聚在一起，推動學(xué)生知識面的擴(kuò)展。虛擬仿真實驗實訓(xùn)教學(xué)作為先進(jìn)的教學(xué)手段，具有利用率高、易維護(hù)、實驗生動形象、直觀逼真等特點，在讓學(xué)生模擬真實操作的同時，還可以節(jié)約實驗實訓(xùn)成本，提高實驗的安全性和趣味性。虛擬仿真技術(shù)雖然對教學(xué)改進(jìn)有很多好處，但虛擬仿真實驗室的建設(shè)需要大量物力和財力的投入，因此通過加強(qiáng)校企及校際間的共建共享機(jī)制，既可以達(dá)到促進(jìn)教育資源公平、相互學(xué)習(xí)的目的，也能避免教學(xué)資源的浪費(fèi)，增強(qiáng)和促進(jìn)校際和校企的交流，課程的整合等[13]。

未來的高校教育，一定是更加開放、創(chuàng)新、共享、可持續(xù)的教育，對教育工作者提出了更高要求，要不斷更新教學(xué)理念，提高教學(xué)素養(yǎng)，順應(yīng)現(xiàn)代教育發(fā)展潮流，使食品專業(yè)實踐性教學(xué)模式更加多樣化，相信隨著虛擬實驗技術(shù)的成熟和人們對虛擬仿真實驗室應(yīng)用價值的了解，國內(nèi)高校虛擬仿真實驗室的建設(shè)將成為一種發(fā)展趨勢。