虛擬仿真技術在“食品微生物學”教學中的應用

蘭晶 余承焰 肖帆

摘要：為了能夠從根本上保證高校食品專業(yè)人才的培養(yǎng)質量，應以食品類專業(yè)中的“食品微生物學”課程的特點為基礎，合理應用虛擬仿真技術。本文闡述了高校在開展“食品微生物學”教學中存在的問題，探討了虛擬仿真技術在“食品微生物學”教學中應用的根本意義， 并分析了虛擬仿真技術在“食品微生物學”教學中的具體應用和表現(xiàn)。

關鍵詞：虛擬仿真技術；食品微生物學；實驗教學

一、引言

“食品微生物學”作為一門基礎課程，是食品相關專業(yè)的必修科目，但當前階段，部分高校在開展“食品微生物學”教學時仍采取傳統(tǒng)的教學模式，在實驗課程上內容設置方面存在一定的問題，使課堂教學質量受到消極影響。而通過虛擬仿真技術在“食品微生物學”教學中的應用，有助于進一步培養(yǎng)學生的動手操作能力和創(chuàng)新能力，并有效提升教學質量。

二、高校在開展“食品微生物學”教學中存在的問題

（一）教學內容相對單一

食品微生物學是一門專業(yè)的基礎課程，也是高校的食品類專業(yè)學生的必學課程，具有較強的實踐性，有利于鍛煉學生的動手操作能力，培養(yǎng)學生的獨立思維。當前階段，我國各個高校開展的食品微生物學教學中，更傾向于實驗教學，并占據(jù)整體教學工作中的很大比重。食品微生物學作為一門實踐性學科，更注重學生對所學知識的應用能力，而不僅僅是簡單地機械記憶。大部分的高校在食品微生物學教學工作中會設置同等的理論學時和實驗學時，這意味著實驗教學在食品微生物學教學中占據(jù)著重要的地位[1]。然而，從食品微生物學實驗教學的具體情況來看，教學內容較為單一，大多數(shù)開設的實驗課程都是基礎性的，例如配置培養(yǎng)基、測定大腸桿菌數(shù)量以及學習微生物細胞計數(shù)方法等。這些基礎性的實驗教學內容無法完全滿足學生的學習需求，但高校很難開設像微生物在腐乳、發(fā)酵火腿等傳統(tǒng)食品的應用類實驗或是食品致病菌的檢測等與食品生產過程相關的實驗。

此外，“食品微生物學”教學中所做的實驗通常需要耗費較長的時間，若操作不當還極易造成食品污染問題，導致實驗失敗，這也限制了綜合性實驗與探究性實驗的開展。與其他的基礎微生物學相比，“食品微生物學”更注重實踐應用性。各個高校在設置“食品微生物學”實驗教學活動時，需要進一步加強對學生實踐能力的培養(yǎng)，尤其是對于那些工科基礎相對來說較為薄弱的院校。

（二）教學手段不夠多元化

在開展食品微生物學實驗教學活動時，大部分高校仍采取傳統(tǒng)的教學模式和教學手段，導致教學不夠多元化，無法從根本上引起學生的學習興趣，也無法發(fā)揮學生的學習主觀能動性?！笆称肺⑸飳W”在設置實驗教學內容上，大多為基礎性驗證，教師在帶領學生進行實驗操作以及講解的過程中，學生對于教師具有很強的依賴性，當學生獨立進行實驗時，完全依附于實驗指導書上規(guī)定的實驗步驟來進行操作，而沒有自主思考，呈現(xiàn)出較為僵化的特點。這種情況會導致學生所撰寫的實驗報告整體結構和內容有著高度的雷同性，完缺乏對實驗過程的心得體會和講解，對于實驗的根本目的與意義并不清晰。甚至還有一部分的學生并沒有真正地動手進行實驗操作，或者實驗過程不夠認真，實驗報告的撰寫更多依賴于食品微生物學的書本內容，缺乏對實驗的真實反應現(xiàn)象的觀察。這種情況與高校食品微生物學實驗課程的初衷相違背，沒有從根本上增強學生的動手實驗能力，對學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)造成了一定的消極影響，同時還造成了實驗教學資源的極大浪費。

（三）實驗教學的利用率較低

食品微生物學所需要進行的實驗操作與其他學科的實驗不同，它需要對微生物細胞進行培養(yǎng)，整個培養(yǎng)工作要耗費很長的時間。同時，實驗操作的步驟較為瑣碎復雜，實驗環(huán)境和操作質量都會對實驗結果產生直接影響。受限于這一原因，食品微生物學開設實驗課時有一定的難度。除此之外，高校開設食品微生物學實驗教學的課時是有限的，因此在實驗教學內容中，實驗的數(shù)量安排也會受到影響，當教師與學生在實驗課堂上的實驗失敗時，并沒有充足的時間可以進行二次實驗和重復實驗，從某種程度上來說，這可能會打擊學生對實驗探究的積極性[2]。

三、虛擬仿真技術在“食品微生物學”教學中應用的根本意義

（一）彌補實驗條件不充沛的現(xiàn)實需要

虛擬仿真技術是通過利用計算機軟件和硬件技術，將三維計算機圖形技術和廣角立體顯示技術有機融合，實時跟蹤被觀察者的變化，并與其進行信息反饋互動，并在此基礎上構建了聲音、圖像以及動畫為一體的虛擬現(xiàn)實世界的技術。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的高速發(fā)展和推廣普及，虛擬仿真技術也得到了有效發(fā)展，在眾多領域得到了廣泛應用，并取得了不錯的成效。在“食品微生物學”教學當中應用虛擬仿真技術可以彌補“食品微生物學”實驗教學條件不足的情況。部分高校的工科基礎較為薄弱，雖然開設了食品微生物學實驗教學課程，但實驗室場地不夠完備，缺少必需的食品加工工藝設備，還沒有形成系統(tǒng)化的食品加工工藝生產線，食品發(fā)酵工藝設備也不足。因此，食品微生物學中的實驗課程無法開設發(fā)酵工程類實驗。然而，應用虛擬仿真技術可以有效地解決這些問題，高校無需購買昂貴的食品發(fā)酵工藝設備，通過虛擬仿真技術就可以實現(xiàn)設備所具有的功能作用，并且成本更加低廉，時效性也有所保證，每位學生都可以在計算機上進行實踐操作，這也與現(xiàn)代信息化教育的本質要求相契合。

（二）有利于幫助學生更好地掌握實驗原理

虛擬仿真技術在食品微生物學教學中的應用，充分體現(xiàn)出了現(xiàn)代信息技術的支持輔助作用。利用虛擬仿真技術通過設計“食品微生物學”實驗教學平臺，可以擺脫時空和距離的限制，讓學生能夠在虛擬環(huán)境中完成實驗的設計、模擬和分析等活動，模擬真實的實驗環(huán)境，使其體驗更加直觀。從實驗內容的設計層面上來看，虛擬仿真技術可以輔助教師設計更全面和多層次的《食品微生物學》實驗。在日常生活中，食品專業(yè)的學生很少有機會接觸真實的食品生產設備，對于它們的了解主要來自課本教材，缺乏直觀性[3]。而通過應用虛擬仿真技術的應用，可以向學生展示實際食品生產所需的大型化和自動化設備，使學生更為直觀地了解食品加工儀器的基本原理，從而幫助學生更好地吸收食品微生物學知識，掌握食品加工過程中微生物的應用原理和起到的作用，這樣學生在進行動手實驗操作時也會更加熟練和自信。

（三）教學內容更加豐富多元化，更具特色

“食品微生物學”所開展的食品工藝實驗離不開實驗儀器設備的輔助作用，同時“食品微生物學”實驗教學會涉及一定的生物危害，對學生的身體安全造成威脅，所以很多實驗都不能進行。而虛擬仿真技術具有污染低下、安全系數(shù)高、不會產生廢水廢氣固體廢棄物的優(yōu)點，能有效避免這類問題。在安排“食品微生物學”實驗教學課程時，教師可以在虛擬仿真技術的輔助作用下，大范圍地引入之前因操作風險較高而無法進行的實驗內容，這不僅可以提高學生對實驗操作的興趣，還能提高課堂實驗教學的效果。食品質量與安全專業(yè)和食品衛(wèi)生與營養(yǎng)專業(yè)都需要學習“食品微生物學”課程，但由于高校的實驗場地不足且缺乏實驗教輔人員，導致這兩個專業(yè)的學生在學習該課程時并沒有明顯的專業(yè)化區(qū)別。通過應用虛擬仿真技術，可以根據(jù)學生個體差異的原則，更好地體現(xiàn)食品質量與安全專業(yè)的工科特點，同時引入食品加工的具體場景，進行工藝設計實驗。對于食品衛(wèi)生與營養(yǎng)專業(yè)，要明確該專業(yè)的特征，可以更加注重微生物與營養(yǎng)健康關系的教學內容，并引入食品微生物控制不當導致的食品中毒問題等相關內容進行實驗教學。

四、虛擬仿真技術在“食品微生物學”教學中的具體應用表現(xiàn)

（一）與網(wǎng)絡視頻實現(xiàn)有機結合

高校教師利用虛擬仿真技術應用在“食品微生物學”教學時，要與網(wǎng)絡視頻實現(xiàn)有機結合，構建翻轉課堂。在帶領學生進行虛擬仿真實驗之前，教師應當根據(jù)實驗內容，提前向學生發(fā)送標準的示范視頻，讓學生對“食品微生物學”的虛擬仿真實驗有著初步地了解。同時，教師還應當鼓勵學生合理利用虛擬仿真軟件和實驗操作指南，讓學生全方位地掌握虛擬仿真軟件內容，了解軟件的具體操作流程。通過采取虛擬仿真技術與網(wǎng)絡視頻有機結合的教學手段，教師讓學生做好充足的預習準備工作，以此有效地節(jié)約在課堂上講解的時間，這樣教師帶領學生開展虛擬仿真實驗的時間就會更加充沛，更有利于學生進行動手實驗操作，從而增強學生的實踐能力，并將“食品微生物學”課本內容中的抽象知識轉化為具象的實驗結果。應用虛擬仿真技術一方面解決了高校“食品微生物學”實驗教學課時不足的問題，另一方面也從根本上保證了課堂教學效果，構建了翻轉課堂。同時，虛擬仿真技術與網(wǎng)絡技術的緊密結合實現(xiàn)了虛擬仿真實驗教學平臺的最大化共享。

（二）拓展補充食品微生物學的實驗教學內容

教師應當首先明確“食品微生物學”實驗教學內容的確定標準，以食品安全的國家標準為依據(jù)，來合理規(guī)劃出食品微生物實驗所需的實踐知識，為學生構建科學合理的實驗環(huán)境條件，并充分考慮到食品微生物學教學的課時限制，盡可能帶領學生進行現(xiàn)實條件無法滿足的實驗教學內容來，進行虛擬仿真實驗設計，以拓展實驗教學內容[4]。例如，教師可以利用虛擬仿真技術來帶領學生進行食品中真菌與細菌的實驗檢驗。在傳統(tǒng)的食品微生物學實驗教學模式中，真菌和細菌仍是很重要的組成部分，但所開展的實驗活動往往局限于形態(tài)和生理生化兩部分，無法進行致病菌的實驗檢驗。而通過應用虛擬仿真技術，可以實現(xiàn)食源性致病菌的實驗檢驗，學生在虛擬仿真實驗的過程中，能夠更好地掌握增菌與細菌真菌分離培養(yǎng)的實驗操作方法，學生的食品微生物實踐操作技能得到進一步強化。

（三）構建虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)

在“食品微生物學”教學中，教師應當利用虛擬仿真技術構建虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，以此為教師講解實驗操作的相關知識點起到良好的輔助作用，并提供更靈活、可行的實驗教學設計。利用該系統(tǒng)，學生能夠扎實地掌握“食品微生物學”知識點，同時也能進行一定的自我思考，正確地完成實驗操作流程。此外，該系統(tǒng)還能夠實時調整實驗參數(shù)和實驗對象，教師可以更加清晰地評估學生對于“食品微生物學”基礎知識和實驗知識的熟悉程度，并根據(jù)教學目標來調整實驗難度。由此可以看出，利用虛擬仿真技術構建虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，可以保證“食品微生物學”的實驗教學質量，同時也可以評估學生的實驗成績，具有良好的雙重作用。在虛擬仿真平臺上，教師可以帶領學生進行多樣化的食品微生物學實驗，不再局限于課本教材中對實驗內容的限制，從而培養(yǎng)出更具創(chuàng)造性與實踐能力的高質量食品專業(yè)人才，為我國的食品安全行業(yè)提供更好地服務。

五、結束語

綜上所述，利用虛擬仿真技術構建的“食品微生物學”實驗教學課堂相較于傳統(tǒng)的教學模式更具趣味性，同時還能極大地拓展和補充食品微生物學的教學內容，尤其是實驗教學內容，進而增強了學生對食品微生物學動手實驗操作的興趣和實驗技能，推動了高校的實驗教學改革深化，創(chuàng)新了教學模式。

作者單位：蘭晶 余承焰（通訊作者） 肖帆 武漢軟件工程職業(yè)學院

參? 考? 文? 獻

[1]徐艷陽，李薇茹，王雪松.虛擬仿真技術輔助“食品微生物學”實驗教學研究[J].教育教學論壇，2021（46）：125-128.

[2]蔣麗施，陳艷，康晉梅，等.現(xiàn)代信息技術支持下虛擬仿真技術在食品微生物學實驗教學中的應用[J].輕工科技，2021，37（01）：159-160，171.

[3]儀淑敏，李秋瑩，趙顯一，等.基于虛擬仿真技術的食品微生物學實驗課教學探索[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（86）：179-180.

[4]梁燕秀.虛擬仿真實驗技術在“食品微生物檢驗”教學中的應用探索[J].福建輕紡，2019（09）：48-50.

課題來源：教師教學創(chuàng)新團隊建設項目；課題名稱：生物與化工虛擬仿真課程群教師教學創(chuàng)新團隊建設項目。

蘭晶（1989.08-），男，漢族，湖北省孝感，本科，高級工程師，研究方向：計算機科學與技術、虛擬仿真應用。