虛擬實(shí)驗(yàn)室在食品類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革探索

熊治渝，趙延勝，陳力宏，董 英（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

虛擬實(shí)驗(yàn)室在食品類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革探索

熊治渝，趙延勝，陳力宏，*董 英
（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

通過提出食品類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)改革思路，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作虛擬動(dòng)態(tài)可視化，直觀易懂，能有效拓寬學(xué)生視野，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有建設(shè)成本低、使用期限長、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可有效緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地有限、資金缺乏等不足的問題。作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種輔助手段，該虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)可有效提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)材料，以及實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果的認(rèn)知能力，對(duì)深化教學(xué)改革、提高學(xué)生動(dòng)手能力具有重要的意義。

虛擬實(shí)驗(yàn)室；食品專業(yè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

食品類專業(yè)具有多學(xué)科交叉滲透的特點(diǎn)，涉及生物、化學(xué)、物理、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、環(huán)境、管理等多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)教育部《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》 （2012年）學(xué)科分類，食品類專業(yè)一級(jí)學(xué)科為食品科學(xué)與工程，下設(shè)食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全、糧食工程、乳品工程、釀酒工程等5個(gè)基本專業(yè)及葡萄與葡萄酒工程、食品營養(yǎng)與檢驗(yàn)教育和烹飪與營養(yǎng)教育等3個(gè)特色專業(yè)。不同專業(yè)根據(jù)其培養(yǎng)目標(biāo)與特色的不同開設(shè)不同數(shù)量的理論課程，其中涉及實(shí)驗(yàn)教學(xué)科目的幾乎占了50%以上。以江蘇大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)和食品質(zhì)量與安全專業(yè)為例，涉及的實(shí)驗(yàn)教學(xué)科目總數(shù)分別高達(dá)21門和25門。

1 食品類專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

高校的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的重要場(chǎng)地。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠幫助學(xué)生更好地理解理論知識(shí)，可以培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)研究的探索精神，提高學(xué)生的創(chuàng)作力與想象力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該成為培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)、創(chuàng)新能力的主要課堂［1-2］。然而在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于學(xué)生人員和實(shí)驗(yàn)科目眾多，教學(xué)時(shí)間、儀器材料及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限等原因，每門課程只有部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往需要分多批次進(jìn)行，每批再分成若干小組，各小組成員一般為2～5人不等。小組人員較多時(shí)很難保證每位同學(xué)都有足夠多的機(jī)會(huì)動(dòng)手鍛煉實(shí)驗(yàn)操作，開設(shè)“一人一組”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課程與完成一門課程的所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。面對(duì)紙質(zhì)版、電子版全篇文字?jǐn)⑹鍪降膶?shí)驗(yàn)內(nèi)容，較多學(xué)生失去主動(dòng)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)課程的積極性，這樣的實(shí)驗(yàn)效果參差不齊，培養(yǎng)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力普遍較差，學(xué)生獲取的實(shí)驗(yàn)操作知識(shí)有限，實(shí)踐能力難以提高，更難滿足實(shí)際工作崗位的需求。

2 食品類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的意義

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是指采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)等實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果［3-4］。關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的報(bào)道，多數(shù)研究主要針對(duì)單門課程的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行闡述［5-6］，應(yīng)用范圍較為狹窄，而且很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要將具有網(wǎng)絡(luò)功能的各種儀器搭建在計(jì)算機(jī)上，通過互聯(lián)網(wǎng)與學(xué)生客戶端連接，學(xué)生將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送到遠(yuǎn)程的實(shí)驗(yàn)室，由物理儀器接收處理，成本較高，操作繁瑣［7］。盡管已有對(duì)整個(gè)食品類專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理進(jìn)行全方位討論的總結(jié)報(bào)道［8］，但具體涉及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的展現(xiàn)模式卻仍沒被闡述。針對(duì)食品類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以生物、化學(xué)課程為基礎(chǔ)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)利用網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)的食品類專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。該平臺(tái)設(shè)計(jì)集教學(xué)資料、虛擬實(shí)驗(yàn)、題庫練習(xí)于一體，能夠有效地補(bǔ)充和完善硬件實(shí)驗(yàn)，緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地的不足和資金缺乏等問題，具有易于維護(hù)、可實(shí)現(xiàn)“一人一組”、課程所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均可涉及且具有操作不受限制等特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)拓寬學(xué)生視野、有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)構(gòu)建的食品類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，作為一種教學(xué)輔助手段，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作虛擬動(dòng)態(tài)可視化，直觀易懂，拓寬學(xué)生視野的同時(shí)提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，方便學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，為進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)地操作打下良好的基礎(chǔ)。

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室主要構(gòu)架的搭建

食品類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要分為課程目錄和實(shí)驗(yàn)資料2個(gè)功能模塊。

課程目錄模塊囊括了食品類專業(yè)開設(shè)的所有實(shí)驗(yàn)教學(xué)科目，各教學(xué)科目下再劃分課程資料和虛擬實(shí)驗(yàn)2個(gè)板塊，其中課程資料包括該門課程的課件、試卷、學(xué)習(xí)工具、知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)動(dòng)畫庫等；虛擬實(shí)驗(yàn)則羅列了該門課程的所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

實(shí)驗(yàn)資料包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器材、常用試劑、編輯工具等板塊。

食品類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能模塊結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 食品類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能模塊結(jié)構(gòu)

3.2 食品類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供各門實(shí)驗(yàn)課程的所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)驗(yàn)之前，每位學(xué)生被要求在規(guī)定期限內(nèi)登錄虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)入“虛擬實(shí)驗(yàn)”板塊選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括目的要求、實(shí)驗(yàn)原理、儀器材料、方法步驟、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)演示、課后習(xí)題、提交報(bào)告等環(huán)節(jié)，除動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)演示環(huán)節(jié)順序不一外，其他環(huán)節(jié)必須按照先后順序完成，否則系統(tǒng)提示不予操作。其中，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)演示環(huán)節(jié)為動(dòng)畫并配有部分文字說明的形式展現(xiàn)，而其他環(huán)節(jié)均以圖文并茂說明的形式展現(xiàn)。動(dòng)手實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通過后可跳過實(shí)驗(yàn)演示環(huán)節(jié)，直接進(jìn)入課后習(xí)題環(huán)節(jié)。在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)操作中，如有操作錯(cuò)誤或不規(guī)范的地方，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)扣分，若總分?jǐn)?shù)達(dá)不到設(shè)定要求，則不能進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，直到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的所有環(huán)節(jié)通過并經(jīng)任課教師審核通過后方能實(shí)地操作實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)演示環(huán)節(jié)是為了達(dá)到加深印象和進(jìn)一步明確操作規(guī)范的目的，在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有操作不當(dāng)?shù)牡胤娇赏ㄟ^此環(huán)節(jié)觀摩學(xué)習(xí)。課后習(xí)題環(huán)節(jié)進(jìn)一步明確實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)操作過程中各儀器材料的用法意義等，真正做到實(shí)驗(yàn)操作的知其然而知其所以然。

3.3 食品類專業(yè)實(shí)驗(yàn)資料項(xiàng)目建設(shè)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除了提供虛擬實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)外，提供的各門課程教學(xué)資料有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解學(xué)習(xí)。而“實(shí)驗(yàn)資料”模塊下的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器材能讓學(xué)生很方便地了解并掌握實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)設(shè)備和器材的使用方法及運(yùn)作原理，如色譜儀、電子顯微鏡、移液器等的使用方法以圖文并茂的形式說明，運(yùn)作原理則以動(dòng)畫的形式將設(shè)備結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可視化模擬，有效提高對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材原理學(xué)習(xí)的印象。實(shí)驗(yàn)過程中常用的大量實(shí)驗(yàn)試劑也會(huì)在“實(shí)驗(yàn)資料”模塊下提供，學(xué)生可以查閱常規(guī)試劑的詳細(xì)信息包括理化性質(zhì)、使用注意事項(xiàng)等。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)同時(shí)可為本專業(yè)的研究生及科研工作者提供很好的實(shí)驗(yàn)方法查閱平臺(tái)，在科學(xué)研究過程中所需要運(yùn)用到的食品類專業(yè)常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法均可通過此虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)查閱獲取，操作簡(jiǎn)單、直觀易懂，相對(duì)于普通的紙質(zhì)版或電子版文獻(xiàn)查閱，此法大大節(jié)省科研工作者的時(shí)間，提高科研效率。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立需要依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)版面。具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可由實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員以管理員身份通過后臺(tái)登錄編輯，而涉及的動(dòng)畫等實(shí)驗(yàn)畫面則需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員在實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員的協(xié)助下完成。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以是網(wǎng)頁版、軟件版等，可同時(shí)支持電腦、手機(jī)等客戶端，具有隨時(shí)隨地均可使用的特點(diǎn)，且系統(tǒng)帶搜索功能，可以滿足用戶方便快速的搜索需要的詞匯。該系統(tǒng)訪問權(quán)限包括院內(nèi)學(xué)生權(quán)限、教師權(quán)限和院外訪客權(quán)限。學(xué)生權(quán)限包括在線資料下載、實(shí)驗(yàn)資料查閱、在線虛擬實(shí)驗(yàn)操作等；教師權(quán)限包括上傳和編輯資料、虛擬實(shí)驗(yàn)室維護(hù)和管理等；訪客則具有學(xué)習(xí)資料下載和實(shí)驗(yàn)資料查閱等權(quán)限?？蒲泄ぷ髡叩热藛T經(jīng)注冊(cè)審核后可進(jìn)入“虛擬實(shí)驗(yàn)室”平臺(tái)任一環(huán)節(jié)，方便實(shí)驗(yàn)方法、知識(shí)的查閱、獲取。

5 結(jié)語

食品類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種補(bǔ)充，并不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其可實(shí)現(xiàn)一人一組在線實(shí)驗(yàn)的快速學(xué)習(xí)，資源充分；各課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的多范圍選擇可有效拓寬學(xué)生視野；實(shí)驗(yàn)操作步驟以動(dòng)畫的形式模擬和演示加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理解學(xué)習(xí)。作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種輔助手段，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立還方便科研工作者實(shí)驗(yàn)資料的查閱。

食品類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本低、使用周期長、易維護(hù)，能有效緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足和資金的缺乏，能有效、快速地加深學(xué)生對(duì)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理解，為提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，還可以延伸到化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。

［1］ 關(guān)雪梅.淺談高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性 ［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2005，8（4）：103-107.

［2］ 王正榮，武忠偉，郭延成，等.食品類專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)課程改革的探索 ［J］.河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（2）：89-91.

［3］ 管雪梅，戴天虹，王鐵濱.高校虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及教學(xué)應(yīng)用研究 ［J］.哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，31（1）：88-90.

［4］ 王珊珊，黃璐.虛擬食品添加劑安全實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.浙江樹人大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，14（1）：9-14.

［5］ 黃迎，徐雯麗，胡靜，等.虛擬技術(shù)在食品添加劑安全性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 ［J］.公共安全中的化學(xué)問題研究進(jìn)展，2013（3）：89-92.

［6］ 劉慧中，周金娥，李月琴，等.虛擬實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 ［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，16（1）：98-100.

［7］ 代小林，梁瑩林.仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)合的機(jī)器人學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué) ［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2014，12（6）：60-61.

［8］ 趙鋼.高校食品虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目管理 ［J］.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，27（5）：103-107.◇

The Exploration on the Experiment Teaching Reform of Virtual Laboratory in Food Science

XIONG Zhiyu，ZHAO Yansheng，CHEN Lihong，*DONG Ying
（School of Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

Reform ideas of the construction of virtual laboratory in food science have been put forward.The operating steps of the traditional experiment items will be displayed in the form of animation，which is easy to understand，effectively broaden students'vision and improve the quality of experimental teaching.Features of low construction cost，long service life and easy to maintain，the experimental platform can effectively alleviate the shortage of experimental equipment，the limit experimental site and the lack of fund.As an effective means，the construction of virtual laboratory helps expand student's awareness of the experimental instruments and materials，the experimental process and results，which can be of great significance to deepen the teaching reforms and enhances the students'practical ability.

virtual laboratory；food science；experiment teaching

TS201

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.10.023

1671-9646（2016）10a-0070-03

2016-05-31

熊治渝（1987— ），男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槭称钒踩珯z測(cè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理。*