基于虛實結(jié)合的食品化學(xué)實驗教學(xué)模式探索

丁保淼 高夢祥 江洪波 張 燕 張 欣

（長江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 湖北 荊州 434025）

食品化學(xué)是食品相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，為其他專業(yè)課學(xué)習(xí)提供必需的基礎(chǔ)知識。該課程從化學(xué)角度在分子層面讓學(xué)生了解食品組成、理化特性、營養(yǎng)和安全性質(zhì)及其在生產(chǎn)加工、儲藏運輸、銷售消費過程中的變化，具有綜合性強、涉及學(xué)科多、各部分相對獨立等特點，學(xué)生在學(xué)習(xí)和理解該課內(nèi)容時存在一定難度。食品化學(xué)實驗是其配套教學(xué)部分，該實驗課不僅有利于學(xué)生理解和掌握理論知識，而且有助于學(xué)生體驗理論知識的實際應(yīng)用。由于實驗條件、課時等限制，教師往往難以安排那些具有重要價值的實驗；實驗完成后，學(xué)生通常認(rèn)識到了實驗的初始條件和最終結(jié)果，而實驗過程中的具體變化仍然是“黑箱”狀態(tài)，這降低了實驗的實際價值[1]。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，將該技術(shù)引入食品化學(xué)實驗教學(xué)可能是一種有效解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中存在問題的方法[2]。本文試圖分析食品化學(xué)實驗教學(xué)中存在的一些問題，探討開展該課程虛實結(jié)合教學(xué)模式，為提高該實驗課教學(xué)質(zhì)量提供借鑒。

1 食品化學(xué)實驗教學(xué)中存在的主要問題

1.1 實驗內(nèi)容設(shè)置簡單。食品化學(xué)實驗中的知識有很強的綜合性，它涉及到多個學(xué)科。在安排實驗時，受實驗室條件和課時的限制，通常只能設(shè)計一些簡單易做的驗證性內(nèi)容。如水分活度是食品化學(xué)中一個非常重要的知識點，通常實驗課會安排擴(kuò)散法測定水分活度的實驗，學(xué)生比較容易掌握測定方法，但對于水分活度的實際意義理解不深，而與實際結(jié)合更緊密的“滯后現(xiàn)象”由于所需時間長，在實驗課中不予安排。通常生產(chǎn)實際中的問題都是高度綜合的，實驗課安排的內(nèi)容卻難以體現(xiàn)出來，實驗過后學(xué)生仍難以解決生產(chǎn)中的實際問題，大大降低了實驗課作為理論與生產(chǎn)實踐之間的橋梁作用。

1.2 學(xué)生對實驗過程中的關(guān)鍵變化缺乏直觀感受。食品化學(xué)實驗過程中，很多變化都是非常有趣的，可以通過可視化手段給學(xué)生直觀感受，但實際實驗中，通常是教師講解，學(xué)生憑借掌握的知識進(jìn)行想象，結(jié)果是感受不深，實驗結(jié)果只是一種數(shù)據(jù)的輸出，實驗過程中可視化、可形象化的有趣變化完全沒有體現(xiàn)[3]。如淀粉的糊化實驗，通常實驗時只能測定糊化度、黏度等理化指標(biāo)，而在微觀上對于淀粉顆粒形態(tài)的變化缺乏直觀感受。此外，實驗過程中受實際實驗條件所限，不是每個學(xué)生都能充分參與實驗每一個步驟，學(xué)生難以從整體上深刻理解實驗現(xiàn)象，難以將實驗現(xiàn)象與理論知識相聯(lián)系。

1.3 輕視對學(xué)生探索能力的培養(yǎng)。通常生產(chǎn)中遇到的實際問題具有高度的綜合性，食品化學(xué)實驗中，學(xué)生多是按照教師的講解和教材上的實驗步驟按部就班，學(xué)生只是“看山是山，看水是水”，而對實驗過程中的關(guān)鍵點、實驗結(jié)果缺乏深入思考，不利于對學(xué)生知識綜合運用能力和探索能力的培養(yǎng)。如蛋白質(zhì)變性實驗中制備雞蛋羹，所得樣品品質(zhì)受水分含量、溫度、加熱時間、鹽濃度等條件的影響，開展該實驗時通常是給定一個條件，學(xué)生制備出樣品，測定相關(guān)指標(biāo)，但他們對于實驗條件是如何系統(tǒng)地影響雞蛋羹品質(zhì)卻仍然未知。

2 虛擬仿真實驗的優(yōu)點

2.1 實驗條件易控。食品化學(xué)實驗中，實驗條件復(fù)雜且不易控制，而虛擬實驗中，這些條件參數(shù)可由學(xué)生在虛擬實驗平臺手動輸入，實驗條件完全可控。虛擬仿真實驗可有效解決某些食品化學(xué)實驗耗時長、內(nèi)外影響因素多、設(shè)備不足等問題，避免了只能以點帶面討論化學(xué)組成、環(huán)境條件等對食品組分理化性質(zhì)的影響，且可以從整體上進(jìn)行系統(tǒng)性考察，大大提高了實驗效率。在虛擬實驗中，學(xué)生可以任意設(shè)置合理范圍內(nèi)的實驗參數(shù)，仿真系統(tǒng)即時就能給出反饋，基于此，學(xué)生就可以在短時間內(nèi)了解實驗條件對結(jié)果的系統(tǒng)性影響。

2.2 實驗過程直觀化和指定化。食品化學(xué)實驗中，很多檢測指標(biāo)是逐漸變化的，通常學(xué)生只能得到實驗終了時的測定結(jié)果，而對于在實驗過程中的內(nèi)在變化缺乏直觀感受和形象化認(rèn)知，不利于對最終結(jié)果和內(nèi)在機理的理解。而在虛擬實驗中，實驗的進(jìn)度可由學(xué)生根據(jù)自己需要實現(xiàn)完全控制；對實驗中的重難點部分學(xué)生可反復(fù)訓(xùn)練；對實驗中低知識密度、費時的環(huán)節(jié)則可快進(jìn)和縮減，提高了實驗過程中的知識密度和實驗課時的有效利用。

2.3 突出實驗要點和提高實驗效率。實驗過程中，由于學(xué)生對理論知識的掌握程度不同，實驗操作也不相同，甚至有的學(xué)生由于操作不規(guī)范而導(dǎo)致實驗失敗。虛擬實驗可給學(xué)生提醒、標(biāo)注出實驗要點，對學(xué)生操作不當(dāng)之處作出警告，并提供解決策略，避免學(xué)生實驗中手忙腳亂。同時虛擬實驗有利于學(xué)生高效熟悉實驗過程，掌握實驗過程中的關(guān)鍵點和注意要點，為實際實驗的順利開展打下堅實基礎(chǔ)。

學(xué)生借助虛擬平臺可以在短時間內(nèi)快速了解和掌握食品化學(xué)實驗的要點，具有靈活、省時、易重復(fù)、高效等特點。但實際實驗是需要動手操作的，虛擬實驗并不能完全代替實際實驗。虛擬實驗中往往是通過一些模式化程序來說明問題，一旦給定實驗參數(shù)，反饋的實驗結(jié)果則是唯一的；而實際實驗中的條件更具開放性，學(xué)生也可以通過眼睛、鼻子、手等感覺器官多方面了解實驗細(xì)節(jié)，這些詳細(xì)的信息是虛擬實驗無法提供的。

3 實驗教學(xué)的虛實結(jié)合模式

在食品化學(xué)實驗虛實結(jié)合教學(xué)模式中，虛擬實驗是輔助手段，而實際實驗是內(nèi)核，且兩者有機結(jié)合。該模式中虛擬實驗不受時間、地點限制，具有靈活、高效等特點。但食品化學(xué)實驗終究是一門需要學(xué)生身體力行的課程，必須通過實際實驗才能更全面地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生知行合一。因此，虛實結(jié)合食品化學(xué)實驗教學(xué)模式能夠讓學(xué)生更好地掌握基礎(chǔ)知識和實驗原理，學(xué)生既可以從微觀層面直觀感受，又可以充分習(xí)得實驗操作技能。

3.1 虛擬實驗熟悉基本原理和實驗步驟。由于虛擬實驗易操作、易重復(fù)、高容錯，且過程和結(jié)果形象直觀，學(xué)生通過虛擬仿真實驗?zāi)軌蚋玫乩斫鈱嶒炘?，明確實驗?zāi)康模莆諏嶒灹鞒?。虛擬實驗可以突出和強調(diào)實驗過程中的關(guān)鍵點。利用仿真平臺中的評估模塊考核學(xué)生對實驗整體的掌握情況，若達(dá)到實驗要求則準(zhǔn)予實際實驗，不然則繼續(xù)練習(xí)直到符合要求。

3.2 實際實驗鍛煉操作能力和增加感性體驗。學(xué)生通過虛擬實驗了解了實驗?zāi)康暮蛯嶒炘?，熟悉了實驗步驟，也明確了實驗中需要注意的關(guān)鍵點。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)一步開展實際實驗以鍛煉操作能力和增加感性體驗。實驗設(shè)計時注重結(jié)合食品化學(xué)課程特點，實驗內(nèi)容上體現(xiàn)重要知識點，以及提高知識的綜合應(yīng)用性。開展實際實驗時，根據(jù)實驗內(nèi)容和難度將2～5人分為一個小組，實驗過程中組員分工協(xié)作，但全組組員需要共同參與實驗中的重要環(huán)節(jié)，如重要實驗現(xiàn)象的觀察、實驗結(jié)果的分析等，增強實驗的實際體驗和團(tuán)隊意識。

3.3 虛實結(jié)合從點到面掌握和理解實驗。在開展虛擬實驗和實際實驗的基礎(chǔ)上，學(xué)生回顧和總結(jié)實驗原理、重要知識點、實驗現(xiàn)象、實驗過程中的得失，進(jìn)一步加深對實驗的理解。如蛋白質(zhì)乳化性質(zhì)實驗，學(xué)生不僅應(yīng)理解影響蛋白質(zhì)乳化性質(zhì)的因素有哪些，而且還要知道蛋白質(zhì)乳化性質(zhì)的本質(zhì)，并能進(jìn)一步思考蛋白質(zhì)這一性質(zhì)在食品中的意義。通過虛實實驗結(jié)合和互動，將課程中理論知識點具體化和形象化，并把實驗現(xiàn)象理論化，讓學(xué)生不僅能從知識點的角度去理解實驗，而且能在該課程的知識體系上把握實驗。

4 結(jié)語

食品化學(xué)實驗課是理論知識的具體化，通過實驗課，不僅能夠促進(jìn)學(xué)生對理論知識點的掌握，從而有利于學(xué)生理解實驗操作、實驗過程中的現(xiàn)象；也能幫助學(xué)生在生產(chǎn)實際中應(yīng)用這些知識點。虛擬平臺提供了直觀的實驗過程，學(xué)生可以通過操作實現(xiàn)對實驗的多次重復(fù)，習(xí)得實驗要點。虛實結(jié)合可以實現(xiàn)兩種實驗的優(yōu)勢協(xié)同，構(gòu)建理論知識與實際應(yīng)用之間的關(guān)系，有效提升食品化學(xué)實驗課的教學(xué)質(zhì)量。