虛擬仿真技術(shù)在食品專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

黃程

摘 要 液相色譜作為一種應(yīng)用廣泛的現(xiàn)代儀器分析方法，在食品領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，傳統(tǒng)的液相色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限、模式單一、過程難以監(jiān)控，效果欠佳。虛擬仿真教學(xué)作為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用較多。文章以液相色譜為例，從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀和虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)出發(fā)，探索虛擬仿真技術(shù)在食品專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用；利用液相色譜虛擬仿真軟件功能模塊，采取虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能以及自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，為食品專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；液相色譜；食品分析

中圖分類號(hào)：G642?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.7.012

Research on Application of Virtual Simulation Technology in

Experimental Teaching of Food Major

——Taking Liquid Chromatography as an Example

HUANG Cheng

（College of Food Science and Technology， Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）

Abstract Liquid chromatography， as a widely used modern instrument analysis method， plays an important role in food science research. However， the traditional experiment teaching resources of liquid chromatography were insufficient. And the teaching mode was single， while the teaching process was difficult to monitor and the teaching effect was not good. As a new experimental teaching method， virtual simulation technology had been developed and applied rapidly in college experimental teaching. Based on the present situation of traditional experiment teaching and the advantages of virtual simulation technology， this paper took liquid chromatography virtual simulation software as an example to explore the application of virtual simulation technology in food major. By using the function module of this software and combining virtual-real teaching method， the students' experimental skills， independent learning and innovation ability would be cultivated， which provides reference for the experimental teaching reform of food major.

Keywords virtual simulation; experimental teaching; liquid chromatography; food analysis

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化的推進(jìn)[1]，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、建筑學(xué)等專業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段[3]，將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，極大地推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。

食品專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用性強(qiáng)，是學(xué)生掌握食品分析技術(shù)手段和食品研發(fā)技能的重要方式。食品科學(xué)研究的各個(gè)環(huán)節(jié)都離不開食品分析技術(shù)的支持。高效液相色譜作為一種靈敏度高、應(yīng)用廣泛的現(xiàn)代儀器分析方法，由于其檢測(cè)的精確程度高，可靠性強(qiáng)，在食品分析及安全檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。許多高校都非常重視這類實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4]，但由于液相色譜設(shè)備價(jià)格昂貴、損壞維修成本高，在高校內(nèi)配備的數(shù)量往往非常有限，且相關(guān)操作要點(diǎn)和可調(diào)劑參數(shù)眾多，僅靠課堂學(xué)習(xí)很難使每個(gè)學(xué)生都掌握，教學(xué)效果不佳。因此，如何讓學(xué)生熟練掌握高精儀器的操作方法和使用技巧并應(yīng)用到科學(xué)研究中，是當(dāng)前食品專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中亟須解決的一個(gè)問題。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入，就是一個(gè)很好的解決辦法。

1? 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1? 教學(xué)資源、條件有限

類似于液相色譜這樣的大型精密儀器設(shè)備，由于經(jīng)費(fèi)投入的限制，可供教學(xué)使用的臺(tái)套數(shù)比較有限，一般只能采取演示性教學(xué)和分組練習(xí)，學(xué)生很難進(jìn)行獨(dú)立、完整的操作，無法準(zhǔn)確認(rèn)知其使用原理，學(xué)習(xí)過程僅停留在理論本身，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想。且絕大部分部件無法拆卸，不能直接觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)設(shè)備工作原理了解不夠全面，無法有效掌握準(zhǔn)確的使用方法。同時(shí)，由于時(shí)間和空間的限制，很少有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前有機(jī)會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，或在課后進(jìn)行強(qiáng)化練習(xí)。學(xué)生在不熟悉的情況下進(jìn)行操作，可能造成儀器損壞，甚至發(fā)生安全事故。

1.2? 教學(xué)模式和方法比較固定

傳統(tǒng)的液相色譜實(shí)驗(yàn)，由于操作的復(fù)雜性，采用的教學(xué)方式通常是教師講解、演示，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下練習(xí)。整個(gè)過程模式比較固定，且基本以教師為主[5]，學(xué)生只需要按照既定的實(shí)驗(yàn)步驟完成關(guān)鍵性操作即可。對(duì)于影響色譜分離效果的眾多因素和參數(shù)設(shè)置，在課堂上很少涉及。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性不強(qiáng)，學(xué)生參與感較低、興趣度不高，思考空間較少，缺乏主動(dòng)性和創(chuàng)造性，無法體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教育理念。

1.3? 學(xué)習(xí)過程難以監(jiān)控

目前，實(shí)驗(yàn)課程多采取小班教學(xué)，但即便如此，一位教師仍需同時(shí)面對(duì)20―30個(gè)學(xué)生，無法完全兼顧每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，特別是對(duì)于液相色譜這樣操作步驟多、分析過程較為煩瑣的復(fù)雜設(shè)備，學(xué)習(xí)過程難以得到有效的監(jiān)控，嚴(yán)重影響教學(xué)反饋和評(píng)價(jià)。

2? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

基于虛擬技術(shù)構(gòu)建的高效液相色譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芨叨确抡嫣摂M實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)物體，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬化環(huán)境深度融合，具有很強(qiáng)的實(shí)用性、先進(jìn)性，可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，為人才培養(yǎng)提供技術(shù)支持。

2.1? 構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，提升教學(xué)效果

堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的原則和“以虛補(bǔ)實(shí)”“以虛促實(shí)”的理念，利用線上虛擬資源和線下實(shí)驗(yàn)室資源，采取虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，通過3D動(dòng)態(tài)方式模擬實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景和過程，讓學(xué)生直觀生動(dòng)地了解液相色譜儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，熟悉操作流程，提高系統(tǒng)認(rèn)知。在線下實(shí)驗(yàn)課程中，進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生快速從虛擬走向現(xiàn)實(shí)，提升實(shí)驗(yàn)領(lǐng)悟能力和儀器操作能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生還可繼續(xù)開展線上強(qiáng)化練習(xí)，加深對(duì)儀器操作方法的熟悉程度，有效提高學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，可借助虛擬平臺(tái)教學(xué)過程管理系統(tǒng)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)和學(xué)習(xí)效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，教師可從中了解學(xué)生對(duì)色譜分析方法的掌握情況，并及時(shí)給予指導(dǎo)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.2? 節(jié)約了教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效益的最大化

液相色譜造價(jià)昂貴、維護(hù)成本高，開展實(shí)驗(yàn)所需試劑、耗材價(jià)格不菲，部分化學(xué)試劑毒性大、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。虛擬資源可不受實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)場(chǎng)地、設(shè)備的限制，減少因傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)帶來的損耗，大大降低了試錯(cuò)成本，節(jié)約資金，最大限度地優(yōu)化了教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了低損耗、低污染的綠色教學(xué)[4]，解決了設(shè)備短缺、維護(hù)費(fèi)用高，以及安全性等方面的問題。

2.3? 培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力

液相虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可模擬多種不同條件下的實(shí)驗(yàn)情境，還原液相色譜實(shí)驗(yàn)過程中樣品前處理、儀器分析、數(shù)據(jù)處理等全過程。學(xué)生可根據(jù)自身情況自主選擇學(xué)習(xí)模塊，有針對(duì)性地進(jìn)行練習(xí)，并就液相色譜儀中各種可調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)，領(lǐng)悟流速、溫度、流動(dòng)相種類和比例等因素對(duì)色譜分離效果的影響，鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力。

3? 高效液相色譜虛擬仿真軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用

以高效液相色譜法測(cè)定食品防腐劑為例，我們選擇了一套液相色譜虛擬仿真軟件，該軟件面向?qū)W生的操作系統(tǒng)主要包括理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)試劑配制、樣品測(cè)定三大模塊，見圖1。

理論知識(shí)模塊：借助3D動(dòng)畫、多媒體演示文稿等方式介紹液相色譜理論知識(shí)和儀器組成單元，如高壓輸液系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)等，見圖2。

實(shí)驗(yàn)試劑配制模塊：涵蓋實(shí)驗(yàn)過程中所需要的提取、除雜的溶液及流動(dòng)相配制仿真。

樣品測(cè)定模塊：此模塊為核心模塊，部分操作界面見圖3。選取十種典型樣品，涵蓋一般性食品、含膠基的果凍糖果試樣、高油脂類樣品等所有類型，采取不同的前處理方法，讓學(xué)生針對(duì)具體類型學(xué)會(huì)具體分析；結(jié)合色譜分離理論，模擬高效液相色譜儀及工作站的使用，創(chuàng)建色譜分離方法，設(shè)定進(jìn)樣量、洗脫條件、流速、柱溫、檢測(cè)波長(zhǎng)等參數(shù)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖譜，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)置積分條件，創(chuàng)建數(shù)據(jù)處理方法，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，定量分析。針對(duì)每種不同類型的樣品，預(yù)設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，查閱相關(guān)資料，判斷其添加量是否符合規(guī)定。

學(xué)生利用虛擬系統(tǒng)的三大模塊，在完成關(guān)于色譜分離理論等相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)后，針對(duì)某一類型具體的食品樣品，模擬高效液相色譜法測(cè)定食品中防腐劑的全過程，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其中，在溶液配制模塊有針對(duì)性地準(zhǔn)備樣品前處理及定量分析所需的各種溶液及流動(dòng)相，以備后續(xù)使用；在樣品測(cè)定模塊模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中制備、稱量、提取、測(cè)定等操作流程，并在色譜分離測(cè)定過程中模擬高效液相色譜儀開機(jī)、流動(dòng)相更換、灌注排氣泡、連接色譜柱、創(chuàng)建儀器方法（含參數(shù)設(shè)定）、平衡色譜柱、編輯序列、運(yùn)行序列，以及數(shù)據(jù)處理（含處理方法建立）等儀器操作方法；涵蓋食品中防腐劑測(cè)定中全類型樣品以及全過程操作。學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，即可在線完成高效液相色譜儀的使用及維護(hù)學(xué)習(xí)，熟悉高效液相色譜儀模塊結(jié)構(gòu)，掌握儀器的使用方法及數(shù)據(jù)處理方法，創(chuàng)造性地開展實(shí)驗(yàn)，提高對(duì)大型儀器設(shè)備的應(yīng)用能力。

4? 高效液相色譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

4.1? 虛擬仿真教學(xué)

課程開始前，教師利用虛擬仿真平臺(tái)的開放功能，發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生提前進(jìn)入平臺(tái)，開展自主學(xué)習(xí)，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)資源熟悉實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的、內(nèi)容、原理、方法步驟等，對(duì)液相色譜儀的組成結(jié)構(gòu)、分離檢測(cè)原理、基本操作流程形成初步印象。

虛擬仿真教學(xué)時(shí)，結(jié)合理論知識(shí)對(duì)關(guān)鍵操作單元進(jìn)行介紹，學(xué)生再自主選擇平臺(tái)上不同類型的樣品進(jìn)行液相色譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，按照實(shí)驗(yàn)步驟完成交互操作。實(shí)驗(yàn)過程將被拆解為溶液配制、樣品預(yù)制、稱量、提取、標(biāo)準(zhǔn)溶液制備、含量測(cè)定（即色譜分析）等多個(gè)步驟，每個(gè)步驟設(shè)定目標(biāo)達(dá)成得分值，可根據(jù)得分情況判定學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，學(xué)生通過改變色譜條件，直觀感受不同參數(shù)對(duì)色譜峰保留時(shí)間、峰面積大小的影響，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中“理論有余，實(shí)踐不足”的遺憾。經(jīng)過反復(fù)的練習(xí)操作后，學(xué)生可熟練地掌握操作要求，對(duì)色譜分離理論也有了更深的認(rèn)識(shí)。

4.2? 實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)

經(jīng)過虛擬仿真操作練習(xí)后，教師再進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)的操作，真實(shí)展示儀器設(shè)備的使用方法。通過對(duì)前期教學(xué)內(nèi)容的回顧，邊講解邊演示液相色譜儀的操作，并讓學(xué)生選擇常見食品樣品按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行液相色譜分析。學(xué)生從虛擬操作到實(shí)踐操作，上手會(huì)更加容易，完成更加快速。

5? 結(jié)語

傳統(tǒng)液相色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備成本高、教學(xué)效率較差，無法滿足當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和虛擬仿真教學(xué)資源予以整合，實(shí)施傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)聯(lián)合教學(xué)，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)邊界[6]，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)起到補(bǔ)充作用，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)融合。同時(shí)，提高學(xué)生綜合分析及解決問題的能力，為學(xué)生今后從事食品及相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量管理與安全控制、科學(xué)研究等工作奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：2022年湖北省高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目（HBSY2022-060）。

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