食品與生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐

謝貞建，譚茂玲，郭秀蘭，邱 露，唐仁勇，郭曉強(qiáng)

（1.成都大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，四川成都610106；2.成都大學(xué)科研處，四川成都610106）

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)因其直觀、高效及經(jīng)濟(jì)等特性，填補(bǔ)了目前實(shí)體實(shí)驗(yàn)的不足，給實(shí)踐教學(xué)帶來了新的變革[1-2]。建立“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向之一[3]。目前，虛擬仿真教學(xué)已在生命科學(xué)與技術(shù)、中藥學(xué)類、醫(yī)學(xué)類、車輛工程、土木工程[4-8]等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。成都大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院“食品與生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”于2015年12月被四川省教育廳批準(zhǔn)立項(xiàng)，該中心是學(xué)校首個(gè)省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。以該仿真中心建設(shè)與運(yùn)行為例，重點(diǎn)介紹在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系上進(jìn)行的有益嘗試和探索，以期對(duì)虛擬仿真建設(shè)和高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所促進(jìn)。

1 實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

2007年，在成都大學(xué)建立城市型綜合大學(xué)的定位下學(xué)院確立行業(yè)導(dǎo)向高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)。經(jīng)過多年的探索與實(shí)踐確立了“實(shí)驗(yàn)室-工程實(shí)訓(xùn)中心-企業(yè)（教學(xué)實(shí)習(xí)基地）”3級(jí)實(shí)踐教學(xué)體系，逐漸形成了以“基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)-綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)-創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)”3種實(shí)驗(yàn)層次為指導(dǎo)思想的實(shí)踐教學(xué)模式。2011年，成功組建四川省生物醫(yī)藥基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，逐步建立了教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)、中心網(wǎng)站等，進(jìn)一步完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息化。

在多年的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)院形成了“重實(shí)踐”的優(yōu)良傳統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了較好的成績(jī)，但仍然存在部分問題：①試劑的高毒性；②精密分析儀器價(jià)格昂貴，經(jīng)費(fèi)并不充足的條件下，致使儀器臺(tái)套數(shù)有限，學(xué)生在有限的教學(xué)環(huán)節(jié)動(dòng)手的機(jī)會(huì)減少；③大精儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生對(duì)儀器的認(rèn)識(shí)只停留在圖片和教科書上的認(rèn)識(shí)，缺乏更感性更直觀的認(rèn)識(shí)；④工程實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)面臨實(shí)訓(xùn)室投入大、運(yùn)行成本高、使用率偏低等。

2 食品與生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建思路

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受場(chǎng)地、成本、安全等因素制約的缺陷，解決目前學(xué)生工程實(shí)踐能力缺乏和創(chuàng)新意識(shí)缺失的核心問題。同時(shí)，可突破時(shí)空界限，便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，可以隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng)在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。但同時(shí)需要注意的是，真正的動(dòng)手能力與技能還是需要在現(xiàn)實(shí)中獲得與體驗(yàn)，真實(shí)實(shí)驗(yàn)室更具有直觀互動(dòng)性。因此，既不能否認(rèn)虛擬實(shí)驗(yàn)的價(jià)值和對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的作用，也不能簡(jiǎn)單地將虛擬實(shí)驗(yàn)附屬于實(shí)體實(shí)驗(yàn)，而是應(yīng)遵照“虛實(shí)融合互補(bǔ)，多元協(xié)同工作”的理念來確立二者的地位，建立虛實(shí)兼顧的一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[4]。

基于傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式存在的弊端，結(jié)合實(shí)際情況，學(xué)院積極探索人才培養(yǎng)模式，搭建虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)綜合管理信息化平臺(tái)，在現(xiàn)有實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系下融入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，邊建設(shè)、邊使用、邊發(fā)展，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合”的全過程管理的實(shí)踐教學(xué)體系。

虛實(shí)結(jié)合的一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系見圖1。

圖1 虛實(shí)結(jié)合的一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

3 食品與生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建

3.1 實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬仿真模塊

實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬仿真模塊主要由實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)教育和安全培訓(xùn)考試2個(gè)部分組成。

實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬仿真模塊見圖2。

將實(shí)驗(yàn)室安全教育納入常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，作為學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的前提條件之一。通過題庫、圖片動(dòng)畫、場(chǎng)景模擬等形式，經(jīng)過反復(fù)的練習(xí)、考試，使實(shí)驗(yàn)室安全的理念、注意事項(xiàng)牢記于心，達(dá)到實(shí)驗(yàn)室安全教育的目的。

3.2 專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真模塊

專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真模塊主要包括大型精密儀器虛擬仿真模塊和化工原理虛擬仿真模塊。

圖2 實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬仿真模塊

大型精密儀器虛擬仿真模塊，結(jié)合學(xué)院現(xiàn)有儀器設(shè)備，采用虛擬現(xiàn)實(shí)和三維交互技術(shù)制作多種分析儀器的虛擬仿真教學(xué)課件。重點(diǎn)涉及儀器實(shí)驗(yàn)原理、儀器操作和儀器的維修維護(hù)3個(gè)方面。

虛擬仿真高效液相色譜儀的拆裝與樣品制備見圖3。

圖3 虛擬仿真高效液相色譜儀的拆裝與樣品制備

通過虛擬仿真教學(xué)，形象地展示儀器的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理。同時(shí)，學(xué)生可隨時(shí)隨地進(jìn)行相應(yīng)的學(xué)習(xí)，通過反復(fù)訓(xùn)練，可盡快熟悉儀器操作規(guī)范，掌握操作要點(diǎn)，再進(jìn)行實(shí)際操作，通過虛實(shí)結(jié)合，提升實(shí)踐動(dòng)手能力。

化工原理虛擬仿真模塊，以“化工原理”實(shí)驗(yàn)課程為基礎(chǔ)，通過對(duì)化工原理實(shí)驗(yàn)典型單元操作（流體流動(dòng)、離心泵特性曲線、傳熱系數(shù)等）的仿真，加深學(xué)生對(duì)化工原理理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化工單元操作的能力。溫度、壓力、流動(dòng)狀況等多種因素影響化工反應(yīng)過程，且各因素之間耦合性強(qiáng)。在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，利用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程，通過3D仿真實(shí)驗(yàn)裝置交互式操作，產(chǎn)生和真實(shí)實(shí)驗(yàn)一致的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。每個(gè)學(xué)生都能親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、驗(yàn)證公式和原理定理。通過驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理論的掌握，還可以通過改變邊界條件做并行實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論更深層次的理解。

化工原理虛擬仿真示意圖見圖4。

圖4 化工原理虛擬仿真示意圖

3.3 專業(yè)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真模塊

專業(yè)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真模塊是虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性能力最重要的一個(gè)模塊。根據(jù)學(xué)院專業(yè)設(shè)置，建設(shè)了藥物制劑3D虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、青霉素發(fā)酵提煉虛擬仿真、葡萄酒發(fā)酵工藝虛擬仿真、發(fā)酵乳制品3D車間虛擬仿真等仿真實(shí)驗(yàn)[9]。

專業(yè)實(shí)訓(xùn)仿真操作界面見圖5。

圖5 專業(yè)實(shí)訓(xùn)仿真操作界面

采用三維虛擬工廠的形式展現(xiàn)食品、藥品生產(chǎn)企業(yè)的廠區(qū)、廠房、生產(chǎn)場(chǎng)景和生產(chǎn)設(shè)備，將其生產(chǎn)流程、設(shè)備外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)操作以三維虛擬現(xiàn)實(shí)的形式逼真再現(xiàn)，并進(jìn)行仿真互動(dòng)。同時(shí)將生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范、崗位標(biāo)準(zhǔn)化操作、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制和車間管理等內(nèi)容融合到軟件之中。實(shí)驗(yàn)包括評(píng)判功能，由預(yù)設(shè)的智能化評(píng)分系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的實(shí)際操作進(jìn)行打分，并能將成績(jī)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)并輸出。通過仿真實(shí)訓(xùn)可以幫助學(xué)生快速熟悉產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，為學(xué)生進(jìn)入生產(chǎn)企業(yè)實(shí)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，對(duì)鞏固工藝?yán)碚?、提高?shí)際操作技能、培養(yǎng)職業(yè)素養(yǎng)均起到積極作用。

4 結(jié)語

食品與生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系可適用于學(xué)院生物工程、食品科學(xué)與工程、制藥工程等5個(gè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，內(nèi)容涵蓋實(shí)驗(yàn)室安全教育、大型精密儀器及化工原理等專業(yè)基礎(chǔ)、各專業(yè)實(shí)訓(xùn)三大模塊。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐技能、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果等方面有著很好的促進(jìn)作用，對(duì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行有益的補(bǔ)充和完善?，F(xiàn)行的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍處于起步階段，需要在建設(shè)過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題，積極探索，深入思考，不斷積累，才能不斷推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的可持續(xù)發(fā)展。