食品與生物工程虛擬仿真實驗教學體系的構建與實踐

謝貞建，譚茂玲，郭秀蘭，邱 露，唐仁勇，郭曉強

（1.成都大學藥學與生物工程學院，四川成都610106；2.成都大學科研處，四川成都610106）

虛擬仿真實驗因其直觀、高效及經濟等特性，填補了目前實體實驗的不足，給實踐教學帶來了新的變革[1-2]。建立“虛實結合”實驗教學模式，是當前實驗教學改革的方向之一[3]。目前，虛擬仿真教學已在生命科學與技術、中藥學類、醫學類、車輛工程、土木工程[4-8]等多個學科領域進行推廣應用。成都大學藥學與生物工程學院“食品與生物工程虛擬仿真實驗教學中心”于2015年12月被四川省教育廳批準立項，該中心是學校首個省級虛擬仿真實驗教學中心。以該仿真中心建設與運行為例，重點介紹在虛擬仿真實驗教學體系上進行的有益嘗試和探索，以期對虛擬仿真建設和高校實驗教學有所促進。

1 實踐教學現狀

2007年，在成都大學建立城市型綜合大學的定位下學院確立行業導向高素質應用型人才培養目標。經過多年的探索與實踐確立了“實驗室-工程實訓中心-企業（教學實習基地）”3級實踐教學體系，逐漸形成了以“基礎性實驗-綜合設計性實驗-創新性實驗”3種實驗層次為指導思想的實踐教學模式。2011年，成功組建四川省生物醫藥基礎實驗教學中心，逐步建立了教學平臺系統、資源管理系統、實驗室綜合管理平臺、中心網站等，進一步完善了實驗教學網絡信息化。

在多年的教學實踐中，學院形成了“重實踐”的優良傳統，在實驗教學中取得了較好的成績，但仍然存在部分問題：①試劑的高毒性；②精密分析儀器價格昂貴，經費并不充足的條件下，致使儀器臺套數有限，學生在有限的教學環節動手的機會減少；③大精儀器設備結構復雜，學生對儀器的認識只停留在圖片和教科書上的認識，缺乏更感性更直觀的認識；④工程實訓環節面臨實訓室投入大、運行成本高、使用率偏低等。

2 食品與生物工程虛擬仿真實驗教學體系的構建思路

虛擬仿真實驗可以彌補實體實驗項目受場地、成本、安全等因素制約的缺陷，解決目前學生工程實踐能力缺乏和創新意識缺失的核心問題。同時，可突破時空界限，便于學生課前預習和課后復習，可以隨時隨地聯網在虛擬環境中開展實驗活動，有利于學生的自主學習。但同時需要注意的是，真正的動手能力與技能還是需要在現實中獲得與體驗，真實實驗室更具有直觀互動性。因此，既不能否認虛擬實驗的價值和對培養創新型人才的作用，也不能簡單地將虛擬實驗附屬于實體實驗，而是應遵照“虛實融合互補，多元協同工作”的理念來確立二者的地位，建立虛實兼顧的一體化實驗教學體系[4]。

基于傳統實踐教學模式存在的弊端，結合實際情況，學院積極探索人才培養模式，搭建虛擬仿真實踐教學綜合管理信息化平臺，在現有實體實驗教學體系下融入虛擬實驗教學體系，邊建設、邊使用、邊發展，以此為基礎構建“虛實結合”的全過程管理的實踐教學體系。

虛實結合的一體化實驗教學體系見圖1。

圖1 虛實結合的一體化實驗教學體系

3 食品與生物工程虛擬仿真實驗教學體系的構建

3.1 實驗室安全教育虛擬仿真模塊

實驗室安全教育虛擬仿真模塊主要由實驗室安全知識教育和安全培訓考試2個部分組成。

實驗室安全教育虛擬仿真模塊見圖2。

將實驗室安全教育納入常規實驗教學中，作為學生進入實驗室的前提條件之一。通過題庫、圖片動畫、場景模擬等形式，經過反復的練習、考試，使實驗室安全的理念、注意事項牢記于心，達到實驗室安全教育的目的。

3.2 專業基礎實驗虛擬仿真模塊

專業基礎實驗虛擬仿真模塊主要包括大型精密儀器虛擬仿真模塊和化工原理虛擬仿真模塊。

圖2 實驗室安全教育虛擬仿真模塊

大型精密儀器虛擬仿真模塊，結合學院現有儀器設備，采用虛擬現實和三維交互技術制作多種分析儀器的虛擬仿真教學課件。重點涉及儀器實驗原理、儀器操作和儀器的維修維護3個方面。

虛擬仿真高效液相色譜儀的拆裝與樣品制備見圖3。

圖3 虛擬仿真高效液相色譜儀的拆裝與樣品制備

通過虛擬仿真教學，形象地展示儀器的內部構造和工作原理。同時，學生可隨時隨地進行相應的學習，通過反復訓練，可盡快熟悉儀器操作規范，掌握操作要點，再進行實際操作，通過虛實結合，提升實踐動手能力。

化工原理虛擬仿真模塊，以“化工原理”實驗課程為基礎，通過對化工原理實驗典型單元操作（流體流動、離心泵特性曲線、傳熱系數等）的仿真，加深學生對化工原理理論的理解，培養學生對化工單元操作的能力。溫度、壓力、流動狀況等多種因素影響化工反應過程，且各因素之間耦合性強。在虛擬實驗過程中，利用動態數學模型實時模擬真實的實驗現象和過程，通過3D仿真實驗裝置交互式操作，產生和真實實驗一致的實驗現象和結果。每個學生都能親自動手做實驗、觀察實驗現象、記錄實驗數據、驗證公式和原理定理。通過驗證型實驗促進學生對實驗理論的掌握，還可以通過改變邊界條件做并行實驗，強化學生對理論更深層次的理解。

化工原理虛擬仿真示意圖見圖4。

圖4 化工原理虛擬仿真示意圖

3.3 專業實訓虛擬仿真模塊

專業實訓虛擬仿真模塊是虛擬實驗教學體系中培養學生創新性能力最重要的一個模塊。根據學院專業設置，建設了藥物制劑3D虛擬仿真實訓、青霉素發酵提煉虛擬仿真、葡萄酒發酵工藝虛擬仿真、發酵乳制品3D車間虛擬仿真等仿真實驗[9]。

專業實訓仿真操作界面見圖5。

圖5 專業實訓仿真操作界面

采用三維虛擬工廠的形式展現食品、藥品生產企業的廠區、廠房、生產場景和生產設備，將其生產流程、設備外觀和內部結構、生產操作以三維虛擬現實的形式逼真再現，并進行仿真互動。同時將生產質量管理規范、崗位標準化操作、生產過程質量控制和車間管理等內容融合到軟件之中。實驗包括評判功能，由預設的智能化評分系統對學生的實際操作進行打分，并能將成績自動統計并輸出。通過仿真實訓可以幫助學生快速熟悉產品的生產過程，為學生進入生產企業實習打下良好的基礎，對鞏固工藝理論、提高實際操作技能、培養職業素養均起到積極作用。

4 結語

食品與生物工程虛擬仿真實驗教學體系可適用于學院生物工程、食品科學與工程、制藥工程等5個專業的實驗教學任務，內容涵蓋實驗室安全教育、大型精密儀器及化工原理等專業基礎、各專業實訓三大模塊。虛擬仿真實驗教學有著傳統實體實驗教學無法比擬的優勢，對學生實踐技能、實驗教學效果等方面有著很好的促進作用，對學院實驗教學體系進行有益的補充和完善。現行的虛擬仿真實驗教學仍處于起步階段，需要在建設過程中不斷發現問題，積極探索，深入思考，不斷積累，才能不斷推進虛擬仿真實驗教學體系的可持續發展。