虛擬實驗室在食品理化檢驗實驗教學中應用的可行性探討

劉雨果+戴娟秀+翟璐+楊慧

（廣東醫科大學 公共衛生學院，廣東 東莞 523808）

摘要：本文以提高食品理化檢驗實驗教學質量為目標，闡述了構建虛擬實驗室的必要性和可行性，旨在利用虛擬實驗室對食品理化檢驗教學進行改革創新。虛擬實驗室的建立有助于將抽象的實驗原理具體化、形象化，并可以擴展實驗教學的實驗條件，增強學生的實驗興趣和操作技能。

關鍵詞：虛擬實驗室；食品理化檢驗；預防醫學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）13-0275-02

食品理化檢驗是研究各類食品組成成分的檢測方法及其理論，進而評定食品品質的一門實踐性和應用性都很強的技術性學科，是食品質量與安全專業和衛生檢驗檢疫專業中的主要課程[1]。食品理化檢驗涉及的交叉學科多，實驗教學使用的儀器種類多，考慮到大型儀器操作復雜，更需要學生多動手操作的因素，因此實驗教學是理論聯系實踐的必要環節。近年來高校持續擴招，資源投入與人才培養的問題是制約高校實驗教學發展的瓶頸問題[2]。例如，與之配套的實驗教學硬件如師資隊伍、實驗室和實驗儀器的數量無法滿足學生數量激增的需求；并且由于高校教師數量的不足，在儀器設備維護和更新方面也不能完全做到早發現、早解決。基于計算機平臺建立的虛擬實驗室因具有自由度大、安全性高、靈活性強和節省資源等特點，因此受到高校越來越多的重視。學生可以不受實驗場地和時間限制，既可以在虛擬實驗臺上動手操作進行課前預習；又可以作為開展正式實驗前的情境模擬，這能有效提高實驗教學的效率，延長儀器的使用率，減低實驗室消防安全等問題的發生風險。因此，我們探究將虛擬實驗室引入到食品理化檢驗的實驗教學中，旨在進一步提高教學質量和學生的學習效果。

一、虛擬實驗室的內涵和特點

虛擬實驗室（virtual laboratory）是基于虛擬原型技術而建立的網絡仿真模型，在校園網平臺上營造出模擬的實驗環境、儀器設備、實驗對象以及實驗資源等內容[3]。其目的在于力求用計算機合成的人工環境代替現實世界的真實環境，為開設各種虛擬實驗課程提供全新的教學環境。

虛擬實驗室的建立需要軟硬件結合，最終實現整個真實實驗的所有功能。軟件平臺是整個虛擬實驗室的基礎，它是基于B/S的網絡結構，由網絡技術、計算機技術、虛擬現實技術等軟件生成[4]。由于是建立在網絡基礎上，故學生可以不受實驗場地和時間的限制，并根據自己的時間自主登錄虛擬實驗室網站，模擬實驗流程和自主設計實驗，完成實驗前的預習和準備工作。

在虛擬實驗室中有三種人員角色：實驗指導老師、學生和實驗室管理員，他們分別具有不同的權限。實驗指導老師可以在線對學生進行實驗指導，包括布置實驗內容、對學生自主實驗設計的修改、實驗心得的交流，以及實驗后作業的批改。學生既可以在虛擬實驗室平臺上自主設計實驗程序和步驟，也可以模擬大型儀器的操作，對儀器進行配置、連接和調節，進而熟悉實驗流程。實驗管理人員準備實驗設備、安排實驗時間和內容、發布實驗內容和報告等[5]。

二、食品理化檢驗傳統實驗室教學模式的特點

食品理化檢驗課程是以食品為樣品，采用諸多相關課程知識與技術進行分析的一門應用性課程。傳統的實驗教學是以教師的講授為主，學生在進入實驗室之前是無法進行實驗流程和實驗儀器的操作。因此在實驗課有限的時間里，學生既要熟悉并完成實驗流程，又要熟練安全地操作新儀器，其教學效果往往不佳，會造成學生對過程的一知半解；并且由于儀器數量有限，很多學生都無法親自動手操作，長此以往會降低學生學習的主動性，不利于提高學生的實驗技能。

三、虛擬實驗室的教學優勢

1.實驗內容更生動易懂。食品理化檢驗這門課程主要是以分析化學、儀器分析、食品化學為基礎，采用限度地分離、濃縮、萃取等分析技術，講授食品營養成分和食品中有害物質的檢驗檢測原理和技術[6]。其特點是內容多、涉及學科廣、技術性強且原理復雜，并且由于食品來源多樣且組成復雜，造成相關的檢驗項目繁多。而虛擬實驗室能把教學中抽象的概念、原理和過程等進行直觀生動地演示，給學生營造“真實”的學習環境，并且學生會對通過互聯網的新型方式獲取知識更有興趣，這有利于學生更扎實地掌握實驗原理和概念。另一方面，學生可以自由支配時間，在實踐中發揮自主創造性，發現問題能夠及時查閱資料或者在線與教師和同學交流，并修改設計方案。

2.彌補實驗教學條件的不足，避免各種風險。近年來，高校招生的規模不斷擴大，造成實驗室超負荷運轉以及實驗教師工作量的增大。因此，很多實驗項目雖然具有較好的理論意義，但因條件有限而不能開設實施[7]。如何在有限的實驗室資源條件下提高教學質量是高校關注的重點。如果將虛擬實驗室引入到實驗教學中，學生通過虛擬實驗室已經熟練了儀器操作，親自上機操作時可以有效利用儀器，減少儀器的維護費用，極大地節約實驗費用。另外，對于有毒、有放射性、易燃易爆的試劑，由于學生在虛擬操作時候已經知曉如何規避，因此會減少實驗中的隱患。

3.不受時間和空間的限制。鑒于食品理化檢驗實驗的特殊性，要完整地完成某些實驗一般需要1天時間。例如脂肪的測定，對樣品進行處理比較耗時。如果通過虛擬實驗的方式來開展，學生就不會受時間的限制，在上課前就可以獨立完成整個實驗，進而提高實驗課的上課效率。

四、虛擬實驗教學在食品理化檢驗實驗教學中應用的建議

虛擬實驗室有著傳統實驗室無法比擬的優越性，如可重復操作、不受環境和時間限制、節約資源、安全性高等。在對我校2013級食品安全專業學生的調查中發現，學生對虛擬實驗教學的認同度達到87%以上。另外，對相關數據進行統計學分析發現，虛擬實驗教學在促進學生掌握知識、加強對實驗興趣、增強動手操作、增強分析和解決問題能力方面優于傳統教學法。但是，虛擬實驗室不能完全代替實際的動手實驗操作，有些故障和突發情況只有在真實的實驗場景中才能發現。此外，學生對于虛擬實驗的實驗操作只是感性認識，必須通過親身實踐才能增強實驗技能。因此作者認為應該在食品理化檢驗實驗的教學過程中，將虛擬實驗與傳統實驗教學模式有機融合，使二者發揮各自的優點，故提出以下建議：

1.提倡學科交叉。結合虛擬實驗室依賴網絡技術的特點，加強《食品理化檢驗》與信息技術等學科之間的交流，使虛擬實驗室更廣泛地應用到各個學科領域。

2.合理安排虛擬實驗室與實際實驗兩者的教學比例。在《食品理化檢驗》的實驗教學過程中，對涉及到的大型儀器操作或耗時較長的實驗，可側重虛擬實驗教學，這樣能夠節省傳統示教教學法的時間，提高效率。對較簡單的基礎性實驗，在課堂上以傳統教學法為主，可依托虛擬實驗室的課后交流功能，讓學生多加強實驗交流和完成實驗作業。總之應根據教學大綱的實驗要求，按照教學進度進行優化組合，以達到更好的實驗教學效果。

3.有助于教師對學生實驗課的多元化評價。以往教師主要根據學生在實驗操作過程中的表現和實驗報告的得分來完成實驗評價，考慮到實際操作中學生人數多且時間有限，因此很難對學生的實驗進行全方位、客觀的評價。引進虛擬實驗教學平臺，教師可以跟蹤學生完成實驗的預習情況，以及實驗作業的完成情況和實驗心得交流，多方位、全面、客觀地對學生進行實驗評價。學生也可以登錄虛擬實驗室的交流模塊，進行實驗前的交流，還可以在實驗完成后分享對實驗的心得體會。

參考文獻：

[1]黎源倩，孫長顥，葉蔚云，等.食品理化檢驗[M].北京：人民衛生出版社，2006：1.

[2]劉澤良.發揮虛擬實驗室建設對實驗教學的促進作用[J].實驗技術與管理，2011，28（7）：193-194.

[3]唐九飛，歐陽星明，于俊清.虛擬實驗系統中操作重現的研究[J].計算機工程與設計，2010（10）：2323-2326.

[4]李笑，董云耀.基于WEB的虛擬實驗室的研究與設計[J].計算機與數字工程，2006，34（2）：132.

[5]韓琴，冷言冰，賈皓，等. 3R原則與虛擬實驗室在預防醫學實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2013，8（30）：152-154.

[6]李芳，王蘇華，邢光偉，等.衛生檢驗與檢疫專業的食品理化檢驗教學改革探索[J].中國衛生檢驗雜志，2014，24（11）：67-69.

[7]陳國元，楊克敵，劉烈剛，等.國家級預防醫學實驗教學示范中心的建設與展望[J].實驗室研究與探索，2011，30（9）：248-251.

基金項目：廣東省高等教育教學改革項目，項目名稱：基于網絡的虛擬實驗室在預防醫學實驗教學中的應用初探，項目編號（2015315）

作者簡介：劉雨果（1983-），女（漢族），河南開封人，實驗師，碩士研究生，研究方向：預防醫學相關教學及科研。