后疫情時代下基于虛擬仿真技術(shù)提升食品科學與工程專業(yè)教學質(zhì)量的探討

陳海，朱瀚昆，戴宏杰，郭婷，張宇昊

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

2020年2月，疫情的爆發(fā)給全國各地高校教育工作的正常開展帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。為保證學校教學工作的正常開展，教育部根據(jù)疫情防控實際情況提出了“停課不停教，停課不停學”的要求，并確保各高校嚴格落實教學質(zhì)量；各高等院校積極響應(yīng)，建立了良好的線上教學平臺，并全面普及網(wǎng)絡(luò)教學模式。目前，我國疫情防控態(tài)勢積極向好，全國各地的正常生活得以有序開展。但是，疫情并沒有完全消失，疫情在全國各地仍然呈現(xiàn)零星點爆發(fā)的態(tài)勢。在這種常態(tài)化疫情防控背景下，利用“線上+線下”混合教學模式實現(xiàn)食品科學與工程專業(yè)基礎(chǔ)理論的教學已經(jīng)逐步被高等院校接受，而且響應(yīng)性的“線上+線下”可切換教學模式能夠有效地應(yīng)對疫情防控的升級。但是，食品科學與工程專業(yè)的實驗和實踐類課程的開展需要學生通過現(xiàn)場操作，利用實驗設(shè)備、外出調(diào)研等方式獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)。因此，這類課程的正常有序開展仍然面臨著疫情突發(fā)帶來的巨大挑戰(zhàn)[1-4]。

虛擬仿真技術(shù)依托現(xiàn)代化的計算機硬件和軟件技術(shù)，對系統(tǒng)內(nèi)部的組成、結(jié)構(gòu)、行為以及參與系統(tǒng)控制者的思維和行為進行系統(tǒng)性、動態(tài)性的模仿[5]。隨著信息化時代的到來，計算機技術(shù)得到快速的發(fā)展和普及，互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的交互式動態(tài)圖像等特點使得虛擬仿真技術(shù)越來越商業(yè)化和普遍化。由于虛擬仿真技術(shù)具有較高的逼真性、交互性、沉浸性和虛幻性等特點，該技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為人類認識客觀規(guī)律甚至改造客觀世界的一項通用性和戰(zhàn)略性技術(shù)。目前，得益于虛擬仿真技術(shù)獨特的優(yōu)勢，虛擬仿真實驗平臺項目的建設(shè)受到了各個學校、國家等不同層面的大力支持，基于虛擬仿真技術(shù)的教學模式也被廣泛運用在生物、化學、食品等各類學科中[6-7]。2018年，教育部印發(fā)了關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)工作的通知，進一步深化和拓展了虛擬仿真教學項目的建設(shè)工作，推動了虛擬仿真技術(shù)在高校教學中的改革探索?？傮w而言，當前虛擬仿真融入教學過程的模式主要在于輔助教學過程中難以完成的相關(guān)實驗實踐教學部分，比如抽象化教學實驗、涉及大型儀器使用的實驗、高危實驗、耗時長的實驗等[3,5-7]。因此，基于虛擬仿真實驗室的逼真性、交互性和虛幻性等特點，教師可以充分利用虛擬仿真軟件進行相關(guān)的實驗教學，幫助學生了解實驗的基本原理、操作流程、操作要點以及復雜工藝流程，從而高效地完成教學。學生可以通過反復操作虛擬仿真軟件進行多次重復實驗，進而對實驗過程中的疑點、難點等進行全方位的理解和掌握，使學習過程富有成效。實際上，虛擬仿真技術(shù)可以很好的應(yīng)對后疫情時代疫情防控升級對食品科學與工程專業(yè)實驗和實踐類課程正常開展帶來的沖擊，保障特殊防疫時期實驗實踐教學的正常進度。

1 疫情時代下虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于食品專業(yè)教學的必要性和可能性

嚴格的疫情防控措施下，高校不得不采用網(wǎng)絡(luò)教學模式完成各類理論課程的教學任務(wù)，高等學校教師也迅速掌握了網(wǎng)絡(luò)教學手段和方法[8]。然而對于實驗實踐類課程，如何有效地利用并發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在教學中的作用，以此提升學生的培養(yǎng)質(zhì)量，也是高校教師高度關(guān)注的事情。當前，將虛擬仿真技術(shù)常態(tài)化融入實驗實踐課程需要解決2個問題，即虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于食品專業(yè)實驗實踐教學的必要性和可能性。

1.1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于食品專業(yè)教學的必要性

食品專業(yè)是培養(yǎng)高級工程技術(shù)人才的主陣地，由于食品專業(yè)具有理工科結(jié)合的特點，在教學過程中不僅要向?qū)W生傳授化學、生物學、機械、工程等食品科學的基本理論，同時還要培養(yǎng)學生在食品生產(chǎn)、食品分析檢測等方面的實驗能力和動手能力。因此，在整個培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)學生的實驗操作和動手能力是保證教學質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[9]。目前，食品專業(yè)開設(shè)的大多數(shù)課程，如食品工藝學、儀器分析、食品化學、食品微生物學、乳品學等，需要在傳授基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，開展基礎(chǔ)實驗及專業(yè)實驗項目和實踐實習項目。以筆者所在學院的食品科學與工程專業(yè)培養(yǎng)方案為例，在開設(shè)的已有課程中，需要開展線下實驗實踐教學的課程比例超過50%。然而，后疫情時代，傳統(tǒng)的實驗教學模式不僅受到時間、實驗教學儀器、實驗室空間和規(guī)模等限制；同時，在嚴格的防疫要求下，線下實驗教學以及企業(yè)實踐等課程的開展也會不時地受到?jīng)_擊，嚴重影響食品專業(yè)多門學科的實驗和實踐教學質(zhì)量。筆者所在學校開設(shè)的食品科學與工程專業(yè)認知實習課程內(nèi)容之一是依托重慶市乳品企業(yè)開展實地參觀，由指導教師帶領(lǐng)約10～20名學生前往企業(yè)，配合企業(yè)內(nèi)部人員的講解，達到實踐教學目的。本人通過帶隊前行及后續(xù)訪問的方式進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)企業(yè)出于疫情防控要求以及食品安全管理的考慮，并不能讓學生近距離地觀察整個生產(chǎn)流程；同時，由于學生對實際生產(chǎn)流程相關(guān)知識的認知較淺，導致整個實踐環(huán)節(jié)出現(xiàn)“走馬觀花”的效果，不利于學生建立形象化的乳品生產(chǎn)知識體系。而且，由于疫情爆發(fā)的不確定性，原定計劃的企業(yè)參觀實習等可能也會因為疫情防控的要求而被迫臨時取消，校企間的實踐教學合作受到?jīng)_擊，導致實踐教學不能按時保質(zhì)進行。虛擬仿真實驗平臺能夠有效地突破時間、空間和儀器資源等約束，克服實驗和實踐教學對實際客觀條件的依賴性，滿足教學需求，使得學生能夠完成成本高、耗時長、涉及先進儀器設(shè)備的實驗和需要前往企業(yè)進行實踐的項目，也使抽象化的工藝流程、實驗原理等形象化，強化了學生對相關(guān)工藝流程和實驗現(xiàn)象的理解。更為重要的是，虛擬仿真教學可以避免疫情防控的升級而帶來的線下教學中斷，保證教學的有序開展。因此，融入常態(tài)化的仿真教學模式對于保障食品科學與工程專業(yè)的教學質(zhì)量是非常必要且有意義的。

1.2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于食品專業(yè)教學的可能性

隨著國家政策的大力支持并出臺相關(guān)的文件如《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的通知》， 很多高校如江南大學、中國農(nóng)業(yè)大學、東北農(nóng)業(yè)大學、華南農(nóng)業(yè)大學等積極響應(yīng)國家號召，開展虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)。本文以 “虛擬仿真”和“食品”為主題對中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫和萬方數(shù)據(jù)庫的相關(guān)文獻進行精確檢索并統(tǒng)計，如圖1所示，基于虛擬仿真教學平臺開展食品科學相關(guān)學科的教學改革論文在2015年至2020年間呈現(xiàn)急劇增加趨勢(圖1)，說明將虛擬仿真技術(shù)融入傳統(tǒng)教學也引起了高校教師的廣泛關(guān)注。

圖1 “虛擬仿真”和“食品”關(guān)聯(lián)的文獻篇數(shù)逐年分布圖Fig.1 Number of published papers associated with “virtual simulation” and “food”

《食品工程原理》作為食品科學與工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，涵蓋較多理論公式、復雜的推算過程以及抽象化的工程模塊，導致許多學生在該課程學習過程中面臨著較大的學習障礙。因此，多所高校已經(jīng)建立了《食品工程原理》仿真教學平臺。例如，江南大學將虛擬仿真技術(shù)融入《食品工程原理》實驗教學，在計算機上演示具體的操作單元，能夠有效地減少實驗出錯以及促進學生建立各操作單元的感性認識[10]。吉林大學在《食品工程原理》實驗教學中，充分利用仿真教學的優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)教學中存在的諸多難題，如某些操作實施困難、部分現(xiàn)象難以觀察，以及完成部分高危的單元操作[11]。福建農(nóng)林大學構(gòu)建了食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系，有效地激發(fā)了學生的學習興趣，拓展了學生的學習資源[12]。筆者所在的學院依托歐倍爾平臺也建立了《食品工程原理》實踐課程虛擬仿真平臺，為學生更好地理解課程原理和抽象化的結(jié)構(gòu)單元提供了良好的條件。《食品機械與設(shè)備》是一門強化學生工程實踐和實際操作能力的重要課程，對于食品科學與工程專業(yè)學生的培養(yǎng)尤為重要。華南理工大學引入機械設(shè)備結(jié)構(gòu)認知仿真和虛擬實驗操作仿真平臺，加深了學生對食品機械設(shè)備相關(guān)理論和操作的理解[13]?！妒称饭に噷W》是食品科學與工程專業(yè)的核心課程，很多高校根據(jù)學科內(nèi)容建立了不同的虛擬仿真實踐課程。例如，渤海大學運用虛擬仿真技術(shù)3D模擬酸奶工廠環(huán)境，對酸奶生產(chǎn)過程中的原料預處理、冷卻、殺菌、配料、均質(zhì)等環(huán)節(jié)進行仿真，有效地提高了學生對整個酸奶工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)的認識和理解[14]。江南大學基于虛擬仿真教學平臺，提出線上預習、線下創(chuàng)新的教學模式，提高了教學效率的同時也有助于學生更好的體驗真實儀器設(shè)備[15]。除此之外，將虛擬仿真融入其它涉及食品科學與工程專業(yè)的課程也進行了廣泛的探索和改革。例如，浙江工商大學搭建了《儀器分析》課程實驗教學仿真系統(tǒng)[16]；南京財經(jīng)大學探討了《食品化學》課程的仿真模擬教學模式和方法[17]；石河子大學利用虛擬仿真平臺差異化建設(shè)食品微生物學實驗虛擬仿真實驗項目[18]；這些教學探索和改革表明，將虛擬仿真技術(shù)合理地應(yīng)用在食品專業(yè)的教學中可以適應(yīng)學校實驗條件的不足，幫助學生更直觀形象的理解實驗原理，并受到任課教師和學生較高的歡迎度。而且，以 “虛擬仿真”和課程名稱為主題對中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫進行檢索發(fā)現(xiàn)，食品科學與工程專業(yè)的多門課程的實驗實踐教學環(huán)節(jié)均可以融入虛擬仿真技術(shù)，從而提升教學質(zhì)量(圖2)。因此，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于常態(tài)化的食品專業(yè)教學具有可能性。

圖2 虛擬仿真應(yīng)用于食品相關(guān)課程的文獻篇數(shù)分布圖Fig.2 Number of published papers related to the application of virtual simulation in food-related courses

2 疫情時代下虛擬仿真技術(shù)在食品專業(yè)應(yīng)用中存在的主要問題

在國家多項政策的支持和引導下，以及計算機虛擬仿真技術(shù)在本科教學應(yīng)用中的不斷探索，開設(shè)食品科學與工程專業(yè)的部分高等院校積極開展了相關(guān)課程的虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)工作，并將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于食品專業(yè)的實驗實踐教學，以此提高學生的學習興趣和學習效率[19-21]。盡管該技術(shù)具有很多優(yōu)勢，但是在后疫情時代，我國高校將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于食品專業(yè)教學中仍存在著一些問題。

2.1 常規(guī)化融入虛擬仿真技術(shù)力度不大

盡管許多高校建立了虛擬仿真教學平臺，并根據(jù)食品科學與工程專業(yè)相關(guān)的實驗實踐課程開展仿真實踐教學探索，但是將其融入常態(tài)化的課程教學仍然不夠完善。后疫情時代，常態(tài)化的線上理論學習已經(jīng)得以建立，根據(jù)疫情防控的變化，大部分高?？梢宰龅健熬€上+線下”隨時切換，能夠真正做到“停課不停教，停課不停學”[22-23]。例如，2021年9月，西南大學入學核酸檢測結(jié)果出現(xiàn)異常，應(yīng)防控要求，所有線下課程立刻轉(zhuǎn)為線上模式，以此保證正常教學進度及質(zhì)量。然而，實驗和實踐等課程還沒有建立成熟配套的虛擬仿真教學模式，不能做到隨時切換以保證教學工作的正常開展。而且，擁有虛擬仿真平臺的許多高校任課教師暫未積極開展虛擬仿真實驗教學。尤其是對于一些年長的教師而言，嘗試這種線上的教學模式存在難度，甚至有不少教師不知道或不記得學校擁有虛擬仿真平臺，使搭建好的平臺并沒有高效地被利用，造成資源浪費。

2.2 已搭建的虛擬仿真教學平臺不穩(wěn)定

在疫情防控背景下，將虛擬仿真系統(tǒng)融入實驗、實踐教學中，平臺的穩(wěn)定性是保證教學質(zhì)量的關(guān)鍵[24]。一旦出現(xiàn)疫情防控級別提升，大量實驗實踐課程轉(zhuǎn)為線上仿真教學，容易導致服務(wù)器擁堵。目前，利用虛擬仿真教學平臺進行食品科學與工程專業(yè)相關(guān)課程的實驗、實踐教學以及考核中存在著教學平臺不穩(wěn)定的現(xiàn)象。筆者以本校學生進行虛擬仿真競賽考試為契機，對仿真教學平臺的穩(wěn)定性進行了調(diào)研。在第一次調(diào)研中，20名同學參加虛擬仿真考試，其中8名學生出現(xiàn)不同程度的卡機、系統(tǒng)進入困難等問題，最后有3名同學因為系統(tǒng)不穩(wěn)定原因不得不更換考試時間。在第二次調(diào)研中，16名同學參加虛擬仿真考試，其中6名學生出現(xiàn)不同程度的卡機、系統(tǒng)進入困難等問題。利用虛擬仿真平臺進行實驗、實踐教學仍然存在著系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴重影響了教學質(zhì)量。

2.3 資源利用率低、共享理念不健全

隨著國家政策的引導，越來越多開設(shè)食品專業(yè)的高校建設(shè)了虛擬仿真實驗中心。然而，除了少數(shù)高等院校的虛擬仿真平臺包含食品科學與工程專業(yè)的多門實驗和專業(yè)實踐仿真課程，大多數(shù)學校因為開發(fā)成本、學科發(fā)展及建設(shè)目標等限制并沒有建立完整系統(tǒng)的虛擬仿真平臺，這就導致大部分高校的虛擬仿真平臺只能滿足少數(shù)甚至不足一門課程的仿真教學需求。然而，在疫情防控的背景下，線下的多門實驗教學會同時受到波及，這就導致該校的仿真教學平臺只能滿足已有課程的實驗實踐教學。另外，雖然不同高校根據(jù)自己的學科特色，建設(shè)了差異化的虛擬仿真課程，但是，由于各個高校間虛擬仿真平臺的共享并沒有有效地打通，這就導致資源利用不充分[25-26]。已有的虛擬仿真平臺不能高效地服務(wù)于實驗實踐教學。

3 疫情時代下虛擬仿真技術(shù)提升食品專業(yè)教學質(zhì)量的建議

3.1 強化教師隊伍虛擬仿真教學的意識和能力

虛擬仿真技術(shù)作為信息化高度發(fā)展的新興產(chǎn)物，其在實驗和實踐教學中的應(yīng)用需要不斷地探索；同時，讓高校的任課教師接受并使用它也需要一個過程。在后疫情時代，為了讓虛擬仿真教學更好的服務(wù)于食品專業(yè)相關(guān)的實驗實踐教學， 轉(zhuǎn)變?nèi)握n教師傳統(tǒng)的思維理念，樹立仿真教學思維尤為重要。這也是能否推動虛擬仿真技術(shù)在食品專業(yè)教學常態(tài)化應(yīng)用的關(guān)鍵。其次，需要加強任課老師信息化能力，促進仿真技術(shù)與實驗實踐教學的有機融合，推動仿真教學的有效性和趣味性。學校領(lǐng)導層面可以通過宣傳、培訓、競賽等方式強化高校教師主體對虛擬仿真教學的認識。例如，筆者所在學院通過主動承辦“歐倍爾杯”2021年第三屆全國食品專業(yè)工程實踐訓練綜合能力競賽，激發(fā)了師生對于仿真平臺學習的興趣。

3.2 加強整合資源，搭建良好資源平臺

首先，各個高校要根據(jù)自身學科發(fā)展和學科優(yōu)勢，逐步建立具有特色的食品科學與工程相關(guān)課程的虛擬仿真教學課程[27]。鑒于高校的人力、財力以及資源有限，國家相關(guān)部門應(yīng)該積極引導高校間合作，建立高校食品科學與工程專業(yè)虛擬仿真教學資源共享平臺，為各個高校之間的合作打通渠道，實現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在食品科學與工程專業(yè)實驗和實踐教學中發(fā)揮最大的價值。這樣不僅可以減少因重復性的課程建設(shè)而導致的人力、物力和財力的浪費，而且還可以為沒有條件搭建虛擬仿真平臺的高校提供教學便利，盡可能地保證后疫情時代各高校食品專業(yè)學生的教學質(zhì)量。例如，筆者所在食品學院通過與歐倍爾建立合作，實現(xiàn)了食品工程原理等多門課程資源的共享與合作，既推動了虛擬仿真技術(shù)在食品專業(yè)教學中的實際應(yīng)用，滿足了學生和教師對虛擬仿真學習和教學的需求；同時，也為本學院的進一步發(fā)展節(jié)省了相關(guān)的物力和財力。

3.3 加強實踐教學過程監(jiān)測，完善虛擬仿真考核評價機制

后疫情時代，遠程虛擬仿真教學模式可以有效地應(yīng)對突發(fā)的疫情防控措施。學生可以在宿舍或者居家進行遠程在線實驗實踐學習，在這種教學模式過程中，師生并沒有直接的面對面進行教學，學生會有聽課松懈等現(xiàn)象。因此，加強任課老師對學生學習過程的監(jiān)測是保證學有所得、學有所獲、學有所長的關(guān)鍵[28-29]。比如，可以利用騰訊會議平臺的“語音”和“視頻”實現(xiàn)教學過程的師生互動、利用學習通平臺“搶答”和“選人”進行課堂問答，增強學生學習過程的參與度。其次，強化過程性考核，促使學生真正掌握實驗相關(guān)的基礎(chǔ)理論和操作流程。依托獨立的實驗報告、隨機性考核以及個性化考核等形式強化學生實踐操作要點，提升實際解決問題的能力。最后，完善虛擬仿真軟件的智能化質(zhì)量監(jiān)控，輔助任課教師高效地完成課程教學考核與評價。

論文作者負責并參與打造了西南大學食品科學學院的 “榨菜加工工藝與設(shè)備虛擬仿真實驗”項目。目前，該實驗項目開設(shè)期次累計4次，共計完成本科生實踐教學354人，累計服務(wù)校外人數(shù)500余人，能夠有效地推動疫情期間實踐教學的正常開展。在項目運行過程中，為了提升仿真教學質(zhì)量，本院建成了卓有成效的質(zhì)量監(jiān)控體系，包括學生網(wǎng)絡(luò)簽到、學生在線時間統(tǒng)計、登錄次數(shù)統(tǒng)計、網(wǎng)絡(luò)實時評分系統(tǒng)和師生在線答疑等。實驗過程結(jié)束后，學生可下載相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。指導老師可以登錄系統(tǒng)及時了解學生實驗參與情況和實驗報告完成情況，教師也可網(wǎng)上實時參與實驗指導或離線指導。通過這些質(zhì)量保障措施，不僅能及時解決學生在實驗過程中遇到的問題，提高學習效率，也能讓指導教師及時掌握學生的進展情況和學習效果，高效完成學生實踐過程監(jiān)測與考核評價。以“線上”與“線下”質(zhì)量監(jiān)控措施構(gòu)建了實踐教學質(zhì)量監(jiān)控體系，有效保障了實踐質(zhì)量的持續(xù)改進和考評機制的建立?；诒菊n程項目的不斷實施和評價體系的建立，該課程項目已成功獲批重慶市高校一流課程。

3.4 強化“線下+線上”高效切換機制

虛擬仿真技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，能夠更加生動形象的完成教學過程。然而對于食品專業(yè)的很多課程，完全依賴于虛擬仿真技術(shù)反而達不到很好的教學效果。如圖3所示，在教學過程中應(yīng)該采用多元化、專業(yè)化的教學模式，將傳統(tǒng)教學模式與現(xiàn)代化的虛擬仿真技術(shù)進行有機的結(jié)合，并建立高效的“線下+線上”切換機制。在后疫情時代，當防控級別較低時，學生可以在線下完成實驗實踐教學，虛擬仿真技術(shù)可以作為一種提升教學質(zhì)量的有效輔助手段[30]；然而，一旦防控級別提升，高效地切換成“線上”模式則是保障正常實驗實踐教學開展的重要途徑。因此，強化“線下+線上”高效切換機制對于培養(yǎng)學生扎實的實驗技能、提升教學質(zhì)量以及保證教學順利開展具有重要意義。

圖3 “線下+線上”高效切換機制保障并提升教學質(zhì)量Fig.3 The efficient switching mechanism for “online+offline”teaching mode to guarantee and improve teaching quality

4 結(jié)論

在后疫情時代，面對特殊時期的疫情防控突發(fā)性，食品科學與工程專業(yè)的實驗實踐教學面臨困難。將虛擬仿真應(yīng)用于食品科學與工程專業(yè)的實驗和實踐教學是解決特殊時期教學困難的有效途徑。國家層面應(yīng)當積極推動虛擬仿真技術(shù)在食品專業(yè)的實驗實踐教學的常態(tài)化，推動各個高校間加強資源整合，同時鼓勵高校積極開展虛擬仿真教學的改革，建立高效的“線上+線下”切換機制。同時，高校教師也應(yīng)該積極適應(yīng)形勢變化，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學模式和觀念，充分利用現(xiàn)代化的教學資源，將虛擬仿真技術(shù)有機地融合在課程教學中，為保障和提升食品科學與工程專業(yè)的教學質(zhì)量提供支撐。