虛擬仿真技術(shù)在食品專業(yè)教學中的應用探討

肖龍泉，李 婧，周 琳，劉達玉，張 崟

（成都大學食品與生物工程學院，四川 成都 610106）

我國自2013年教育部在全國啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作以來，極大地推動了實驗教學示范中心內(nèi)涵建設(shè)的提升和可持續(xù)發(fā)展。2018年6月教育部公布首批105個國家級虛擬現(xiàn)實仿真實驗教學項目后，在2019年1月，教育部高等教育司發(fā)布了《關(guān)于2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目名單的公示》，有來自全國186所高校的298個項目入選。由此可見，教育部門對于虛擬仿真實驗教學的重視程度不容小覷。

目前，我國已有很多成熟的仿真教學軟件可供選擇，這些成熟的仿真軟件具有界面友好、可擴充性、支持二次開發(fā)等特性，甚至大多實現(xiàn)模塊化利于定制化實驗的開發(fā)，基本上能滿足國內(nèi)高等院校實驗教學需要及豐富的仿真實驗需求。因此，國內(nèi)很多高校及科研院所普遍采用購買成熟的仿真軟件產(chǎn)品，基于自身的仿真實驗需求進行對應的二次開發(fā)，從而設(shè)計出適合自己的仿真虛擬實驗平臺，并得到了很好的應用發(fā)展。虛擬仿真實驗教學具有效率高、成本低、安全性高、可反復操作等優(yōu)勢[1-3]，當前虛擬仿真技術(shù)已在各大高校廣泛應用。

1 傳統(tǒng)食品類專業(yè)教學過程中面臨的問題

1.1 理論教學過程中面臨的問題

在食品類專業(yè)理論教學過程中，部分課程因抽象性強使學生難以理解，如“化工原理”“儀器分析”“食品機械與設(shè)備”等課程內(nèi)容往往涉及大量專業(yè)儀器設(shè)備，學生學習前很少有機會接觸課程內(nèi)容的儀器設(shè)備，教學展示的平面圖無法動態(tài)展示工作狀態(tài)，學生更無法參與設(shè)備的控制，對儀器設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解大多停留在二維平面上，對其工作狀態(tài)和詳細工作原理更是難以理解，最終導致學生學習效率低下，學習興趣減弱。

1.2 實踐教學過程中面臨的問題

1.2.1 實驗教學過程中面臨的問題

在實驗教學過程中，往往需要用到大精設(shè)備，尷尬的是絕大部分學校的大精設(shè)備臺套數(shù)有限[4-5]，同時又受到實驗教學學時數(shù)限制，因此教學過程中無法保證每個學生的上機訓練時間，甚至會出現(xiàn)在整堂課程中有部分學生根本沒有機會上機操作的問題，如食品分析實驗中農(nóng)殘檢測需要用到氣相色譜儀、重金屬檢測的原子吸收儀，教學過程中往往無法讓每個學生把儀器操作一遍，教學效果大打折扣。

1.2.2 學生實習實訓教學過程中面臨的問題

對于食品類專業(yè)的學生，在專業(yè)知識學習過程中，實習實訓環(huán)節(jié)必不可少。學生實習是教學過程中各高校面臨最為棘手的問題，食品企業(yè)生產(chǎn)往往需要較高的潔凈度，因衛(wèi)生要求學生往往只能通過參觀通道走馬觀花看一圈，無法近距離接觸生產(chǎn)線，導致學生對實際生產(chǎn)過程僅停留在宏觀層面，理論知識與實踐無法有效融合，且傳統(tǒng)教學方式受到第三方場地、時間、設(shè)備、安全等多因素的限制，學生學習的自主性和創(chuàng)新性受到嚴重影響。

2 虛擬仿真教學在食品類專業(yè)教學中的應用優(yōu)勢

2.1 可建立“以學生為本”隨時隨地的自主實踐模式

針對學校特點和學科特色，積極利用企業(yè)的開發(fā)實力和支持服務(wù)能力，增加符合實際、特色鮮明的軟件，還可將各個虛擬仿真實驗教學中心的教學資源與實踐教學更加緊密地結(jié)合起來，更好地訓練了學生“動手能力”，顯著提升教學效果、克服時間與空間上的限制，學生可隨時隨地根據(jù)自己興趣或?qū)W習任務(wù)進行自主學習。

2.2 將抽象理論知識形象化提升教學效果

再形象的語言也抵不過一個生動的動態(tài)畫面，虛擬仿真軟件可以透視設(shè)備內(nèi)部，展示其工作原理，傳統(tǒng)教學方法可能要花費半個小時，引入虛擬仿真教學，學生可在幾分鐘內(nèi)輕松理解。針對理論性強且抽象的課程，如“食品機械與設(shè)備”“化工原理”，在教學中很難將機械設(shè)備的工作原理及其內(nèi)部構(gòu)造用語言說清，而3D虛擬仿真教學只需要一個動畫或特效就可以輕松讓學生理解其原理，透視其內(nèi)部構(gòu)造及動態(tài)運行過程，大大提升學習效率。

2.3 提升學生學習的自主性和創(chuàng)新性

虛擬仿真教學具有形象生動、交互性強、成本低、不受時間空間限制等優(yōu)點，將虛擬仿真教學與理論教學相結(jié)合有助于提升教學效果，可使學生掌握更多的技能，提升學生創(chuàng)新能力。此外，對于“生產(chǎn)實習”等實踐課程往往受到企業(yè)是否愿意接待、企業(yè)接待容量有限、所有學生難以親臨車間研究學習等限制，3D工廠虛擬仿真實踐教學可有效解決上述問題，提升學生學習的自主性與創(chuàng)新性。

2.4 虛實結(jié)合解決學生動手能力培養(yǎng)的問題

有些實驗項目若只進行仿真操作，學生僅僅用鼠標操作完實驗流程，很難將實驗技能內(nèi)化，在真實操作過程中難免會遇見各種各樣的問題。要解決這類問題，就需要將虛擬仿真教學和真實實踐教學巧妙真正結(jié)合起來，可以先虛后實，虛可以預習，實可以鍛煉技巧；也可以先實后虛，“實”在于總體認知，“虛”在于細節(jié)訓練。設(shè)計最合適的教學情境，在最大化的節(jié)約教學資源的基礎(chǔ)上，將虛擬仿真與實驗實訓教學有機結(jié)合，做到虛實結(jié)合，彌補各自不足，提升教學效率與效果。

2.5 虛擬仿真教學可解決實驗資源不足的問題

對于實驗教學來說，實驗平臺資源至關(guān)重要，俗話說“巧婦難為無米之炊”，如果沒有豐富的實驗教學資源作支撐，實驗教學將難以開展。對于大部分高校來說，大精儀器的采購往往缺乏經(jīng)費，如一臺食品分析中常用的氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC-MS）動輒上百萬，而開發(fā)或采購一款與之對應的教學軟件，其成本往往只有設(shè)備價格的10%～20%。因此，開發(fā)或購買虛擬仿真教學軟件，豐富實驗教學內(nèi)容，讓學生有更多選擇，以此解決高校實驗室資源不足的問題。

3 結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)手段融入教學，不僅可以彌補傳統(tǒng)理論教學知識抽象難懂的缺點，還可以根據(jù)不同教學場景進行虛實結(jié)合，既可先實后虛，打破儀器設(shè)備臺套數(shù)的限制進行細節(jié)訓練，又可先虛后實，為動手操作做準備，避免操作過程中細節(jié)失誤。此外，在實習實訓教學過程中，采用虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)教學平臺進行虛擬仿真實踐教學，可有效解決企業(yè)是否愿意接待、企業(yè)接待容量有限、學生難以親臨車間學習、學習時間受限等問題，為學生提供一個不受時間、空間限制的開放學習平臺，使學生學習變得更加靈活、自由、高效。