虛擬仿真技術(shù)在食品分析檢測實驗教學(xué)中的應(yīng)用

盧春霞 王雙慧 高曉旭

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?食品分析檢測是食品科學(xué)專業(yè)一門重要的必修課，在培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的過程中發(fā)揮了一定作用。虛擬仿真技術(shù)作為一種創(chuàng)新性教學(xué)形式，可有效彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的不足，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。針對目前食品分析檢測實驗教學(xué)存在的問題，探討了虛擬仿真技術(shù)在該課程實驗教學(xué)應(yīng)用中的可行性和必要性。以期解決部分實驗內(nèi)容因時間、空間、資源限制無法開設(shè)等問題，豐富教學(xué)內(nèi)容及方式，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?食品分析檢測;虛擬仿真技術(shù);教學(xué)改革

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）07-0084-02

近年來，隨著社會經(jīng)濟的不斷進步發(fā)展，人們對食品營養(yǎng)與安全問題日益關(guān)注。因此，培養(yǎng)食品科學(xué)專業(yè)應(yīng)用型人才是高等院校培養(yǎng)目標(biāo)之一。食品分析檢驗是一門實踐性、技術(shù)性很強的課程[1]，其教學(xué)目的主要是通過實踐培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、實驗技能、分析和解決問題的能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神。但由于受學(xué)時、經(jīng)費和空間的限制，該課程實驗教學(xué)面臨諸多問題[2-3]，如一些檢測項目存在實驗周期長、藥品危害大、實驗成本高、實驗室條件有限等一系列現(xiàn)實問題，導(dǎo)致該課程實驗內(nèi)容陳舊，與現(xiàn)有一線檢測技術(shù)要求存在較大差距。雖然很多高校也在嘗試教學(xué)方法及模式的改革，但教學(xué)質(zhì)量和效果沒有得到明顯提升。

隨著計算機及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)技術(shù)以其生動逼真、成本低、操作簡單等優(yōu)點在教學(xué)中展現(xiàn)了獨特的優(yōu)勢。它作為一種新的教學(xué)模式，可彌補在實際教學(xué)中難以實現(xiàn)的教學(xué)，是對傳統(tǒng)教學(xué)手段的有效補充。目前，該技術(shù)已逐漸應(yīng)用于高校的實驗教學(xué)，成為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段之一[4-5]。據(jù)統(tǒng)計，截止到2016年，教育部已評審建立了300個虛擬仿真實驗教學(xué)中心，學(xué)科類別涵蓋44個。2017年，教育部辦公廳頒布了教高廳〔2017〕4號文件，計劃截止到2020年，將分4批認(rèn)定約1000個虛擬仿真實驗教學(xué)項目[6]。由此可見，虛擬仿真技術(shù)與實驗教學(xué)相結(jié)合已經(jīng)成為高校教學(xué)改革的一個發(fā)展熱點。因此，本文針對目前食品分析檢測課程存在的一些問題以及如何將虛擬仿真技術(shù)引入實驗教學(xué)，以提高實驗教學(xué)效果提出一些教學(xué)改革建議。

一、傳統(tǒng)食品分析檢測實驗教學(xué)的不足

（一）教學(xué)內(nèi)容陳舊，實驗教學(xué)平臺落后

食品分析檢驗實驗項目繁多，所需大型分析儀器也較多，特別是一些有害成分的檢測，如農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、食品添加劑、違規(guī)添加物、重金屬等實驗內(nèi)容，涉及使用HPLC-MS/MS（高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀）、UPLC（超高效液相色譜）、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）、氣相色譜（GC）、電感耦合等離子體質(zhì)譜（IPC-MS）、原子吸收分光光度計等大型分析儀器。而這些儀器往往價格昂貴、維護成本高，受場地和經(jīng)費的限制，很多高校無法采購先進高端的實驗儀器，勢必影響一些實驗項目的開展，導(dǎo)致一些高校的食品分析檢測課程的實驗教學(xué)內(nèi)容多以常規(guī)項目如水分、蛋白質(zhì)、脂肪、酸度、粗灰分、粗纖維、磷、還原糖等為主，檢測方法多采用滴定、紫外/分光光度計、索氏抽提等最常規(guī)的實驗手段。另外，由于食品分析檢測實驗會用到一些有毒有害化學(xué)試劑和藥品，為了學(xué)生安全考慮，教師往往選擇一些安全性高、容易操作的實驗內(nèi)容。因此，由于種種原因，致使食品分析檢測實驗教學(xué)內(nèi)容落后，學(xué)生無法掌握最新的分析檢測方法，與當(dāng)今飛速發(fā)展的前沿技術(shù)和新檢測手段脫節(jié)，滿足不了時代發(fā)展的需要[7-8]。

（二）教學(xué)條件有限，學(xué)生參與度不高

目前很多高校在實驗教學(xué)中，存在實驗場地?fù)頂D、實驗儀器投入不足、教學(xué)資源有限等問題，設(shè)備數(shù)量不足以達到每人一組，大部分學(xué)生很難獨立完成全程實驗。一般情況下，指導(dǎo)老師將學(xué)生安排成實驗小組開展實驗，每個小組4～5人，這就無法保證每個學(xué)生都能參與到實驗中去。特別是對大型分析儀器，鑒于儀器昂貴，且數(shù)量限制，教師只能開展演示實驗，學(xué)生少有實際操作的機會，再加上精密儀器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，講解抽象，枯燥乏味，學(xué)生不易理解，教學(xué)效果不盡如人意。

（三）教學(xué)方法單一，學(xué)生積極性不高

目前，傳統(tǒng)的食品分析檢測授課方式多以教師為主導(dǎo)，學(xué)生被動接受，教學(xué)方法單一，內(nèi)容枯燥乏味。大多情況下，實驗課都是老師事先選定實驗項目，確定實驗方法，然后由實驗員老師配制試劑、調(diào)試儀器，指導(dǎo)教師照本宣科講解實驗?zāi)康?、基本原理、實驗步驟等。學(xué)生按部就班完成操作，上交實驗報告即可，很多學(xué)生就是“走過場”，不會主動思考儀器使用及實驗原理，當(dāng)實驗結(jié)果有偏差時，不會分析數(shù)據(jù)異常的原因，動手能力得不到真正提升。這種傳統(tǒng)教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生積極性不高，限制了學(xué)生獨立思考及綜合創(chuàng)新能力的發(fā)展，影響教學(xué)質(zhì)量。

二、虛擬仿真技術(shù)在食品分析檢測實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）減少危害性試劑的使用，降低實驗危險性

在食品分析檢測實驗中，避免不了使用一些具有危害性的化學(xué)試劑及有機溶劑，如果操作不當(dāng)，容易發(fā)生實驗安全事故。例如，在農(nóng)獸藥殘留檢測實驗中對樣品進行前處時經(jīng)常使用乙腈、丙酮、氯仿、甲苯、甲醇、異丙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷等有機溶劑理;索氏抽提法對樣品中脂肪的測定時，大量使用乙醚、石油醚;重金屬測定時使用的硫酸、鹽酸、硝酸等;以及黃曲霉毒素檢測時使用的黃曲霉毒素標(biāo)準(zhǔn)品等。有些試劑易燃易爆，有些試劑對人體危害較大。虛擬仿真實驗授課不僅可以避免危險性化學(xué)試劑的接觸和消耗，還可以通過直觀、逼真的虛擬實驗，使學(xué)生掌握實驗過程中的注意事項和操作要求，對危險化學(xué)試劑使用有更為準(zhǔn)確的認(rèn)識。因此，虛擬仿真實驗教學(xué)可以降低實驗的危險性同時提高學(xué)生的實驗理解能力。

（二）縮短實驗周期，節(jié)約教學(xué)成本

傳統(tǒng)的食品分析檢測實驗教學(xué)中，有些檢測項目實驗周期較長。例如，索氏抽提法測定食品中脂肪含量，樣品干燥0.5～1h，回流抽提需6～8h，抽提結(jié)束后，溶劑蒸發(fā)、接收瓶干燥至恒重約需2～3h，整個實驗過程約需10～14h。再者，食品中微生物學(xué)檢驗不僅需要無菌實驗室，而且實驗周期較長，微生物培養(yǎng)過程需要2～3天。這類項目學(xué)生在有限的課時內(nèi)根本無法完成，為按時完成教學(xué)任務(wù)，勢必要縮短一些實驗時間。而實驗虛擬仿真實驗則可以不受時間、空間、場地、設(shè)備的限制，只要有移動終端，學(xué)生就可以隨時隨地進入虛擬仿真實驗平臺開始實驗操作[9]。有效解決了部分實驗周期長、學(xué)時不足等問題。

另外，有些實驗實際操作起來會涉及大型儀和價格昂貴的化學(xué)試劑。例如，農(nóng)藥、獸藥殘留測定時，不僅需要幾種甚至幾十種標(biāo)準(zhǔn)品，而且需要價格上百萬的HPLC-MS/MS及GC-MS/MS等儀器。而虛擬仿真教學(xué)，學(xué)生操作的是虛擬設(shè)備，不需要這些價格昂貴的大型儀器，所有實驗步驟可在電腦上完成，大大降低了試劑及耗材的消耗，節(jié)省設(shè)備維護費用，投資成本遠(yuǎn)低于實際操作。

（三）提高教學(xué)趣味性和參與度

因教學(xué)條件的限制，部分學(xué)校的實驗室存在人多機少的問題，授課時只能通過教師的演示操作和講解來學(xué)習(xí)，學(xué)生不易理解，很難掌握實驗操作要點，學(xué)生參與度不高。仿真教學(xué)可彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)和客觀條件的不足，為學(xué)生提供近似真實的實驗環(huán)境，使儀器結(jié)構(gòu)更直觀，實驗過程更逼真，課堂教學(xué)更豐富。例如，在使用液相色譜的一些實驗教學(xué)中，可采用虛實有機結(jié)合，互動式教學(xué)模式，將虛擬仿真實驗流程完全參照實操進行，包括樣品前處理、實驗儀器和試劑的選擇、儀器參數(shù)設(shè)置、軟件的使用、數(shù)據(jù)分析和儀器維護等，都比照真實儀器操作訓(xùn)練。大幅度降低了實驗教學(xué)成本，提高學(xué)生了實操機會，增強教學(xué)的趣味性。

三、結(jié)束語

食品分析檢測實驗課程是為社會培養(yǎng)應(yīng)用型人才的一門專業(yè)課程，具有很強的實踐性。將虛擬仿真技術(shù)引入該課程的實驗教學(xué)，不但可以豐富教學(xué)內(nèi)容和方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，而且可以降低教學(xué)中的成本投入，提高教學(xué)質(zhì)量。但在建設(shè)虛擬仿真實驗項目時，應(yīng)遵從“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的指導(dǎo)方針，將虛擬的和真實的實驗項目相互補充，不斷完善人才培養(yǎng)體系和先進的教學(xué)方法，提升食品科學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)水平，提高學(xué)生培養(yǎng)效果。

參考文獻：

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[8]李凱凱.食品分析“教學(xué)改革探索與實踐”[J].科技文匯，2018（425）：60-61.

[9]梁燕秀.虛擬仿真實驗技術(shù)在“食品微生物檢驗”教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].福建輕紡，2019（9）：48-50.

◎編輯 張 慧