淺析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在《食品安全性評(píng)價(jià)》課程中的應(yīng)用

◎ 陳鳳真，趙貴紅，李 霞，劉 建，康曉飛

（菏澤學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院，山東 菏澤 274015）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種技術(shù)于一體的一種現(xiàn)代化技術(shù)，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為核心，使用數(shù)字化方式創(chuàng)造和模擬現(xiàn)實(shí)世界的虛擬環(huán)境，通過(guò)模擬人在現(xiàn)實(shí)世界中的感知交互行為，讓使用者可以利用特定設(shè)備在一定范圍內(nèi)進(jìn)行臨場(chǎng)環(huán)境感知和仿真交互操作的人機(jī)交互技術(shù)[1-2]。①虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是教育再次革新的推動(dòng)劑，通過(guò)模仿現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境，結(jié)合學(xué)習(xí)者對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)，借助設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互體驗(yàn)，可以使學(xué)習(xí)者獲得身臨其境的沉浸感。②虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可使課程理論學(xué)習(xí)內(nèi)容更直觀生動(dòng)，提高學(xué)習(xí)者技術(shù)知識(shí)的運(yùn)用、操作技巧和理解能力。③虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可解決傳統(tǒng)實(shí)踐課程的成本高、不安全、實(shí)踐教學(xué)難等問(wèn)題，提高實(shí)踐課程安全性，解決實(shí)踐教學(xué)資源普遍不足的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

《食品安全性評(píng)價(jià)》通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)代學(xué)理論，結(jié)合流行病學(xué)調(diào)查分析，闡明食品或食品中特定物質(zhì)的毒性及其潛在危害，預(yù)測(cè)人體接觸后可能對(duì)人體健康產(chǎn)生影響的性質(zhì)和強(qiáng)度，繼而提出食品安全風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)防措施?？傮w來(lái)說(shuō)，《食品安全性評(píng)價(jià)》是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的綜合交叉學(xué)科[3]，涵蓋分析化學(xué)、現(xiàn)代生物學(xué)、生物化學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)、法學(xué)、遺傳學(xué)、環(huán)境學(xué)、免疫學(xué)、毒理學(xué)及流行病學(xué)等多門學(xué)科的理論知識(shí)，往往作為專業(yè)核心課程，用于食品領(lǐng)域人才的培養(yǎng)。菏澤學(xué)院牡丹學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)屬于工科專業(yè)，學(xué)生對(duì)生物化學(xué)、微生物學(xué)、分析化學(xué)、儀器分析課程具有一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，但對(duì)于生物學(xué)、病理學(xué)、環(huán)境學(xué)、管理學(xué)、動(dòng)物解剖學(xué)、免疫學(xué)、流行病學(xué)等方面知之甚少，甚至是零基礎(chǔ)。同時(shí)，《食品安全性評(píng)價(jià)》理論知識(shí)抽象、深?yuàn)W難懂，實(shí)驗(yàn)受到儀器設(shè)備、安全、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等影響，難以開(kāi)展。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠解決教學(xué)過(guò)程中存在的這些問(wèn)題。教育部在《關(guān)于 2017—2020 年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》（教高函〔2017〕4 號(hào)）中明確提出，要以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，在日常教學(xué)活動(dòng)中積極引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提高教學(xué)實(shí)效[4]。因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到《食品安全性評(píng)價(jià)》課程中迫在眉睫。

1 影響《食品安全性評(píng)價(jià)》教學(xué)的制約因素

《食品安全性評(píng)價(jià)》作為許多高校食品院系的一門主干課程，包含內(nèi)容多，如毒理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)、毒理學(xué)試驗(yàn)、危險(xiǎn)性評(píng)估、4 大類食品（新資源食品、輻照食品、轉(zhuǎn)基因食品和保健食品）安全性評(píng)價(jià)、食品添加劑和食品工業(yè)用酶及食品包裝材料安全性評(píng)價(jià)。然而，受學(xué)時(shí)、經(jīng)費(fèi)和空間的影響，與其他學(xué)科相比，《食品安全性評(píng)價(jià)》發(fā)展較緩慢。

1.1 理論教學(xué)

（1）《食品安全性評(píng)價(jià)》是在食品毒理學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，教學(xué)內(nèi)容多、難點(diǎn)多，且涉及學(xué)科多、深?yuàn)W難懂，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中比較吃力，易產(chǎn)生厭煩情緒。

（2）在教學(xué)過(guò)程中，教師每年向?qū)W生灌輸同樣的理論知識(shí)，因知識(shí)抽象分散、理論性強(qiáng)，學(xué)生接受知識(shí)比較被動(dòng)，因此，學(xué)生和教師的積極性都不高。

（3）因課時(shí)限制，授課教師為了按時(shí)完成教學(xué)任務(wù)，難以有效開(kāi)展專題討論和拓展相應(yīng)的內(nèi)容，對(duì)部分內(nèi)容甚至一語(yǔ)帶過(guò)。學(xué)生難以深入理解，教學(xué)質(zhì)量不高，導(dǎo)致《食品安全性評(píng)價(jià)》理論教學(xué)缺乏活力，難以促進(jìn)食品專業(yè)課程的發(fā)展。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《食品安全性評(píng)價(jià)》課程內(nèi)容多，其中，毒理學(xué)內(nèi)容占一大部分，實(shí)踐性和應(yīng)用性均較強(qiáng)。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的高效載體，可以為食品安全性評(píng)估和監(jiān)控提供詳細(xì)和確鑿的理論依據(jù)?！妒称钒踩栽u(píng)價(jià)》實(shí)踐教學(xué)以動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為主，因客觀條件限制，大部分實(shí)驗(yàn)以觀看視頻或者模型為主進(jìn)行學(xué)習(xí)，教學(xué)效果不突出。

實(shí)踐教學(xué)需要更多地滿足學(xué)生動(dòng)手能力的要求，盡可能讓每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)動(dòng)手實(shí)踐。然而，由于課時(shí)設(shè)置少、師資力量薄弱、實(shí)驗(yàn)室與儀器設(shè)備不足等現(xiàn)實(shí)原因，無(wú)法滿足該課程的要求和學(xué)生實(shí)踐效果，主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）食品安全性課程實(shí)驗(yàn)對(duì)象一般為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，需要一定的經(jīng)費(fèi)購(gòu)買實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，且要有符合養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的環(huán)境條件、專門飼養(yǎng)人員，因此，實(shí)驗(yàn)成本高，且在操作過(guò)程中有一定的危險(xiǎn)性。例如，在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的抓取或?qū)嶒?yàn)操作過(guò)程中，操作人員可能被抓傷或咬傷；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的處置易造成環(huán)境污染或引發(fā)道德倫理問(wèn)題。

（2）實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，如保健食品的安全性評(píng)價(jià)需要幾個(gè)月甚至一兩年的時(shí)間；一些學(xué)生對(duì)動(dòng)物有抵觸情緒，有可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)度緊張以及恐懼失手將實(shí)驗(yàn)體致死或傷殘，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，對(duì)課程的教學(xué)產(chǎn)生阻礙，同時(shí)也會(huì)給學(xué)生帶來(lái)一定程度上的心理壓力，進(jìn)而對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生不利影響。

（3）缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)備，或?qū)W生因操作不當(dāng)造成貴重精密儀器損壞；實(shí)驗(yàn)成本較大，使實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行，教師多采用演示性實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)解說(shuō)。

（4）動(dòng)物實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、喂藥或注射、觀察動(dòng)物狀態(tài)、解剖等，涉及方面廣，單純用實(shí)驗(yàn)視頻進(jìn)行講解，有的學(xué)生不能完全理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程[5]，學(xué)生也會(huì)因?qū)嶒?yàn)視頻的枯燥，無(wú)法集中注意力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差。

（5）動(dòng)物實(shí)驗(yàn)與人類疾病存在劑量、樣本數(shù)量及人群敏感性差異[6]，因此，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很大的不確定性。例如，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和人對(duì)外源化學(xué)物的反應(yīng)敏感性不同，有時(shí)甚至存在質(zhì)的差別。雖然在毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)中通常用2 種或2 種以上的動(dòng)物，并盡可能選擇與人對(duì)毒物反應(yīng)相似的動(dòng)物，但要完全避免物種差異是不可能的。此外，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物不涉及主觀感覺(jué)的毒效應(yīng)，如疼痛、腹脹、疲乏、頭暈、眼花、耳鳴等，從而影響教學(xué)效果。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在《食品安全性評(píng)價(jià)》課程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

①采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠創(chuàng)設(shè)一個(gè)更簡(jiǎn)單易懂、條理化的教學(xué)環(huán)境，實(shí)時(shí)模擬理論知識(shí)的相關(guān)流程，將原來(lái)較為簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)講解變得更加深入，從而構(gòu)建一個(gè)完整的知識(shí)體系，使內(nèi)容具有一定的系統(tǒng)性和理論深度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入的思考，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)《食品安全性評(píng)價(jià)》知識(shí)點(diǎn)的理解，拓寬學(xué)生的知識(shí)視野，鍛煉學(xué)生對(duì)于專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用能力。②虛擬仿真技術(shù)能夠避免用真實(shí)的動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不僅能夠使學(xué)生獲得動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的基本操作技能，還能減輕學(xué)生的心理壓力，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減少實(shí)驗(yàn)成本，提高安全性，避免貴重精密儀器損壞。此外，虛擬仿真技術(shù)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力[7-8]。

2.1 有利于學(xué)生強(qiáng)化知識(shí)，全面理解問(wèn)題

《食品安全性評(píng)價(jià)》課程內(nèi)容多、難度大，對(duì)于掌握不熟練的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以重復(fù)觀看虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的視頻，強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)，準(zhǔn)確分析問(wèn)題，減少實(shí)驗(yàn)操作失誤。在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，當(dāng)多名學(xué)生同時(shí)提出問(wèn)題時(shí)，教師難以快速解答每個(gè)學(xué)生的問(wèn)題。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到《食品安全性評(píng)價(jià)》課程中后，學(xué)生可以通過(guò)系統(tǒng)的師生溝通渠道發(fā)起提問(wèn)，不受時(shí)間或地理位置的限制，后臺(tái)有多位教師同時(shí)解答，使學(xué)生更快速全面地理解問(wèn)題。

2.2 拓寬學(xué)習(xí)范圍，沉浸式學(xué)習(xí)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到《食品安全性評(píng)價(jià)》課程中，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)范圍，將相關(guān)知識(shí)條理化；通過(guò)動(dòng)畫界面可以向?qū)W生展示動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的真實(shí)環(huán)境，讓學(xué)生根據(jù)動(dòng)畫提示逐步探索實(shí)驗(yàn)操作步驟，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[9]。

2.3 有利于拓展實(shí)驗(yàn)思路和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以條理化地展現(xiàn)《食品安全性評(píng)價(jià)》的實(shí)驗(yàn)思路與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟，從而極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，有利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)步驟，使學(xué)生進(jìn)一步鞏固實(shí)驗(yàn)流程，加深他們對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的理解與操作，為實(shí)際操作奠定基礎(chǔ)[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能有效補(bǔ)充、延伸《食品安全性評(píng)價(jià)》理論課程，更為有效地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果，帶動(dòng)食品類相關(guān)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)模式的創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。