张智敏 肖作为林丽美 罗堃 李亚梅 彭江丽
（湖南中医药大学药学院，长沙410208）
构建虚拟仿真实验技术平台促进食品专业实验教学改革※
张智敏肖作为*林丽美罗堃李亚梅彭江丽
（湖南中医药大学药学院，长沙410208）
实验教学是高校食品专业教学中的一个重要组成部分。虚拟仿真实验技术结合了先进的教学思想和现代化的教学手段，在高校实验教学中受到了越来越多的重视及应用。将虚拟仿真实验技术应用到食品专业实验课程中，是对传统实验教学进行改革的发展趋势。本文对其进行了一定的研究及探讨。
虚拟仿真；食品专业；实验教学；教学改革
目前的高校食品专业课程建设中，实验比重大是其教学的一个重要特点，大量课程都开设有相关实验课程，以巩固学生对理论课程的理解和培养学生的动手操作能力。随着1999年《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》的颁布，“高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神，普遍提高大学生的人文素养和科学素质”的文件精神进一步奠定了高校实验课程环节对提升大学生创新能力和科学素质的重要性。高校如何高效地运用实验教学，成为了亟待解决的研究课题。
1 食品专业实验教学实施过程中存在的一些问题
纵观高等教育的发展，培养应用型、技术型的优秀人才是各类以本科教育为主的大学的发展趋势和必然选择。对于食品专业，实验操作是培养学生应用能力的有力手段。因此，实验课程的设置就显得尤为重要。目前，传统的食品专业实验教学面临着诸多问题，对实验教学的质量和效果带来了一定的影响：
①实验室大都配置的是实际的仪器设备，普遍具有体积大、投资多、操作不当易引起损坏、设备维护复杂且费用高的特点，并存在一定的人员安全隐患。例如，食品分析实验中关于气相、液相操作等实验项目，由于用到诸多贵重的精密仪器设备，实验教师无法拆开仪器，针对内部构造对该仪器设备进行深入和全面地介绍。而且，由于仪器贵重，也不便让学生自由使用。导致学生对仪器的认识只能一知半解，这样的实验平台必然不适用于新教学模式改革。②由于实验教学资源有限，学生做实验大多分为2～4人一组，这样并不能保证每个学生都得到实验方面完整的锻炼。③由于实验课学时有限，实验项目的设置数目明显不够，且扩展新实验项目也不方便。④实验室全面开放，是高等教育培养创新人才、实现素质教育目标的客观要求。实验室开放不仅对训练学生的技能，而且对培养学生的创新精神、创新意识和开拓能力都具有重要作用［1］。但由于涉及实验室制度和人员配备等方面的限制，目前绝大多数的高校食品专业实验室的开放程度并不够，学生一般只能在实验课规定的学时内做实验，不能随时随地利用课余时间做实验，限制了学生的探究热情等。⑤由于综合性、创造性实验受到种种条件的制约而较难实施，因而食品专业实验多以基础验证性为主，其操作方法单一、形式固定化，仅仅成为了课本理论验证的工具和手段，绝大多数学生会严格遵守实验指导书的实验理念和步骤，想法设法将实验结果向理论上靠拢，而不是真实反映实验中的客观实验现象，不主动分析差异产生的原因。甚至有些学生不认真做实验，直接根据理论课上的结论“模拟”实验报告最后的数据。实验资源被大大浪费，无法起到提高学生动手能力和培养学生创新能力的作用，难以适应新形势下科研单位和企业对科研技术人员的要求，这与新世纪的教育改革理念是背道而驰的。⑥对于构造复杂的实验装置，讲解抽象，学生不易理解，只能由教师在现场做情景化、实时化的演示实验。诸如食品生物化学实验中使用改良式微量凯氏定氮法测定粗蛋白。改良式微量凯氏定氮装置设计巧妙，要讲解清楚具体如何操作，必须由教师演示，费时费力，而且在实验过程中有诸多需要注意的方面，在观摩的过程中不能保证所有的学生都能看明白。长时间不使用，学生还容易遗忘。
这些是传统食品专业实验教学普遍存在的一些弊端，因此实验教学体系改革就显得尤为重要。虚拟仿真实验教学技术正是应运而生的一种新型的辅助教学手段。
2 虚拟仿真实验技术的概念与特点
虚拟仿真实验技术是一门新兴的实训技术，是指运用计算机软硬件构建的一种整体或者局部的可以代替真实实验的各种可视化操作情景，学习者进入仿真虚拟情景后，可以进行实验内容和实验操作的学习，在理解实验原理和操作步骤的基础上继而提高真实实验的操作技能，使学习者获得更好的学习环境［2］。
仿真实验即用软件（LabVIEW，MATLAB等）对一些（物理、化学、生物等）现象和过程进行模拟的实验［3］。所用到的主要技术包括虚拟交互技术和三维建模技术，诸如3Dmax、Maya、Viewpoint、Cu1t3D和Virtoo1s等［4］。在教育教学过程中，特别是实践教学，仿真是最好的选择，它具有强大的优越性，使学习者在构建的仿真环境中使用硬件设施来随意模拟操控，完全避免其他不宜的因素。因此虚拟仿真实验技术具备高仿真性、安全性、专业性、高可靠性等特点。
教育部要求，有关高校要高度重视实验教学信息化和虚拟仿真实验教学中心建设工作，加强虚拟仿真优质实验教学资源的建设与开放共享，完善虚拟仿真实验教学管理共享平台建设，优化虚拟仿真实验教学中心管理体系，提升虚拟仿真实验教学队伍教学和管理能力，提高实验教学管理信息化和支持服务信息化水平。
目前，虚拟仿真实验技术已在建筑类、电子电工类、电力类、医学类、交通类、环境类、生物制药类、物理化学类、安全类实践教学，以及军事、制造业中发挥着越来越重要的作用［5-7］。但是，在高校食品专业教学中的应用还鲜有报道。2015年1月教育部公示批准的100个国家级虚拟仿真实验教学中心中，只有中国农业大学的食品科学与工程虚拟仿真实验教学中心是以食品专业为对象设立的。
3 虚拟仿真实验技术的国内外研究现状
虚拟仿真实验室与虚拟仿真实验技术可以说是现代信息技术应用到教育领域的一种创新。尤其在科学研究、虚拟培训等方面得到广泛关注和应用，其中场景化、智化、高交互的开放式的仿真实训平台软件更是以其出色的性价比成为研究的热点。近年来，国内外众多高等院校和教育研发机构都对虚拟仿真实训平台的开发与设计展开了大量研究。诸如Camegie-Mez1on大学的卡内基梅隆虚拟实验室（Carnegie Md1on′s Virtua1Lab）、Johns Hopkins大学的虚拟工程与科学实验室（Virtua1Engineering/Seienee Laboratory）和德国汉诺威大学的虚拟自动化实验室等［8］。还有诸如Er1angen Nuremberg大学的虚拟教室（Virtua1C1assroom）就是基于HTTP（HypertextTransfer Protoco1）协议与HTML（HypertextMark-up Language）语言构建的学习VHDL（Very High Speed Integrated Cireuit Hardware Description Language，超高速集成电路硬件描述语言）的仿真综合实验系统［9］。
在国内，对虚拟仿真实验技术的开发研究尚处于初级阶段。中国科学技术大学的物理实验教学中心设计与开发的国内第一套虚拟现实型实验教学软件“大学物理仿真实验”，是全国第一个具有真正意义的虚拟仿真实验教学平台，已被全国许多高校采用并开展相关的实验教学。该软件用计算机制作的虚拟智能仪器代替操作复杂、价格昂贵、容易损坏、维修困难的真实实验仪器，具有着重突出物理实验设计思想、操作简便、效果真实等特点［10］。
中南大学矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心依托中南大学国家级化学实验教学示范中心和国家工科化学教学基地建设了开放性的虚拟仿真实验教学平台。该平台针对矿冶工业典型化学过程及其“高能耗、高消耗、高污染和高危险性”的特点，构建了面向矿业、冶金、环境、能源、材料和化学化工等专业的公共虚拟仿真教学资源，服务于我国矿冶材料类高层次人才培养。天津大学开发的材料力学仿真实验，可对材料的扭转、压缩和拉伸进行虚拟操作。
南京大学建立的分析化学大型仪器虚拟实验室，可以在虚拟实验室中对实验仪器进行虚拟操作。浙江大学的“大学工程化学实验系统VLABS”基于网络虚拟实验技术提供了一系列网络仿真的工科化学实验教学手段［11］。张良利用F1ash图形技术及其Actionscript2.0编程技术，成功开发了与小型乳品生产设备相配套的仿真实训平台软件，实现了乳品生产实训全过程的虚拟仿真［12］。赵钢［13］在研究中对虚拟仿真技术在啤酒酿造中的应用做了举例说明，指出虚拟仿真技术可以让学生真实的感觉到啤酒厂生产情形，对啤酒生产得到直观的认识，不但达到了工业级高精度、高重复性的基础验证型实验要求，而且满足了多层次、多用途、多功能的创新型、综合型、设计型实验要求。
但是，国内外开发的虚拟仿真实验技术平台大多数存在功能较单一、界面呆板、无法让学习者如同身临其境般在场景中进行模拟实验、不具备完成教学目标和教学任务的平台条件的问题。例如，目前国内初步开发的药物分析虚拟仿真实验室，其设计思路狭窄、图形画面较为粗糙单一、模块之间衔接不顺利、专家系统内容欠缺、实验自由度受限制、人机交互不完美，大大影响了该平台的广泛应用［14］。
以教学为目的虚拟实训平台应该侧重于相关专业实践技能的虚拟情境的综合演示，并且在该情境中进行虚拟操作，将教学中的抽象概念、原理和真实的实验过程等形象生动地表现出来，能随时对教学内容进行实时互动和反馈，对学习者的操作也可以实时提示和指导。
4 虚拟仿真实验技术在食品专业实验教学中应用的意义
采用现代数字信息构建仿真实验教学平台，能够为学生提供一个模拟、设计、分析实验的平台，让教与学均能在实时模拟的场景中进行，不仅为教师提供授课的良好工具，而且可以利用计算机让学生开展自主学习，将原来繁杂的现场讲解，利用电脑仿真具有的可重复性与自动引导性的特点，可以加深学生对所学专业知识的理解，增强学生对实验操作的兴趣，加强学生的学习效率，扩展学生的视野，以达到理论与实践相结合的教学目的。
例如，将虚拟仿真技术应用到食品分析实验和食品工程原理实验课程中，教师可以很方便地查看仪器介绍、工作原理演示、操作动画及录像，从而将一些难以讲解明白的结构、工作原理和操作形象逼真地表现出来，完善教学效果。同时，学生也可以直接通过仿真软件自主学习，进行实验模拟操作，从而掌握不同仪器的使用方法。不但提高了教学效率，还可以节省仪器设备的购买和维护资金［15］。
虚拟仿真实验教学系统能够随机调整实验内容（如实验条件和待测样品参数等），同时对实验数据的统计误差进行模拟。通过解剖教学过程，引导学生在理解知识点的基础上通过思考进行操作，克服了实际实验中出现的盲目操作和实验“走过场”的现象［16］。
将虚拟仿真技术应用到食品生物化学实验中，通过仿真设计的改良式微量凯氏定氮装置动态模拟实验过程，清晰明了地显示反应液如何加入；反应液、接收液的流向及颜色状态的变化；如何控制阀门对装置进行清洗，包括自来水是怎幺流入各个部位的，废水又是如何排出的；实验中会遇到哪些问题，如何解决等等。让学生完全掌握装置的原理、使用方法及注意事项。再配合现实中真实的实验操作加以巩固，确保学生将知识融会贯通，不易遗忘。
此外，虚拟实验完全打破了传统实验的时间的限制，学生可以利用课余时间随时登录仿真实验教学网站，进入食品专业虚拟实验室，选择对应的实验项目，进行虚拟实验操作学习。虚拟实验室依托校园网，可以最大限度地实现教学资源共享，对网络教学、远程教育有着更加重要的帮助［17］。
5 食品专业虚拟仿真实验技术的构建建议
虚拟仿真实验技术是一种模拟真实实验过程且高效、快捷获得间接经验的手段，其源于真实实验，但不能完全展现真实实验中出现的各种情况，也不能给学生带来深刻的错误教训。所以，虚拟仿真实验技术并不能完全取代真实实验中的仪器设备和实验手段。
在用虚拟仿真实验辅助教学时，一定要以客观规律为依据来设定各种实验器材、实验情景、实验过程和实验结果，否则会让学生误以为虚拟仿真实验可以替代真实实验，而忽视了真实实验的重要性。
在构建食品专业仿真实验系统时，不仅要设计形式多样、内容丰富的虚拟试验，还应该涵盖相应的介绍和帮助。例如实验指导、注意事项、思考问题、疑难解答、参考文献、相关链接、师生线上交流，以及系统更新和安全维护等模块［18］。
以真实实验为教学科研的基础，以虚拟仿真实验为辅助和扩展，可以突破部分传统实验教学自身的缺陷，实现实验教学理念的更新和实验教学体系的改革。随着研究工作的深入以及各种先进理论的发展，虚拟仿真实验技术会日益完善，在高校实验教学中充分发挥其重要作用。而随着一批综合性和实践性强的新型实验的开发并应用于教学中，将会培养出一批具有很强实践能力的、具有很扎实专业知识能力的、具有创新意识和鲜明特色的食品专业学生。
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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
（本文编辑：杨杰本文校对：肖作为2016-01-19）
湖南中医药大学青年教师科研基金课题（No：99820001-194）
xiaozw2009@163.com
