“食品化學實驗”虛擬仿真教學模式的改革與實踐

邢常瑞　汪靜　郝怡寧等

[摘要]虛擬仿真技術的出現打破了傳統教學模式，在教育領域產生深遠的影響。食品化學實驗是食品專業學生的基礎課程，可以加強學生對理論知識的理解，同時培養學生的創新、動手能力。本文基于虛擬仿真視角，分析當前許多高校的食品化學實驗課程的現狀及存在的問題，探討了利用虛擬仿真這一新型教育模式對食品化學實驗課程的改革。

[關鍵詞]虛擬仿真技術；食品化學；實驗

中圖分類號：TS201.2 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20180229

虛擬仿真技術又稱模擬技術，是利用計算機技術，用一個虛擬系統去模仿一個真實系統，擁有高端人機接口的一種新型技術。虛擬仿真技術可以逼真的模仿現實世界的事和物，結合人們對現實世界的觸覺、視覺、聽覺，進行交互體驗，使人們有種身臨其境的感覺。虛擬仿真技術的特征是：沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性，四大特征的融合使虛擬仿真技術飛速發展，不僅在教育方面，而且在農業、工業和醫療等方面都漸漸出現它的身影。但是目前在國內，虛擬仿真技術還不夠完善，只有部分高校，如中國科學技術大學開發的“大學物理仿真實驗”、南京大學建立的分析化學大型儀器虛擬實驗室和天津大學開發的材料力學仿真實驗室等，雖然這些仿真實驗室的系統不夠完善，形式單一，但為虛擬仿真技術的應用奠定堅實的基礎。

食品化學作為高校食品院系的一門主干課程，是其它專業課學習的樞紐。食品化學所含內容多，范圍廣，從食品的原料到生產、加工、運輸和儲藏過程中，物理化學變化以及食品中成分的反應與變化和蛋白質、油脂與碳水化合物的功能性質的研究都屬于食品化學的內容。食品化學實驗在食品化學課程中舉足輕重，理論知識往往讓學生的學習停留在表面，開展實驗課，可以幫助學生內化知識，提高動手能力，有助于高校培養社會需要的食品專業人才。隨著科技的進步和教育理念的改革，從2012年起，全世界范圍內掀起了一股在線課程的浪潮。相比于傳統教學面對面講授的教學方式，在線課程突破了地域、時間和教育成本的限制，讓學生能隨時隨地通過網絡進行學習，大大降低了教育成本。但在線課程只能幫助學生學習理論知識，無法讓學生動手實驗，因此食品化學實驗課程的發展仍然受到限制，虛擬仿真技術的引入讓食品化學實驗的教學產生質的飛躍。

1食品化學實驗課程的現狀及存在的問題

隨著社會經濟的發展，食品安全問題備受關注，培養食品專業人才刻不容緩。當前，很多高校開設了食品化學課程，但由于受學時、經費和空間的影響，更關注于其理論教學，從而限制了實驗課程的發展。雖然近年來很多高校都在嘗試改變這種重理論輕實踐的教育模式，但效果不夠明顯，食品化學實驗課程仍存在很多問題。

（1）食品化學內容多、學時緊，受時間的限制，在面對面講授式教學中，為了完成教學任務，教師在課堂上難以進一步拓展相應的內容，甚至對部分內容一筆帶過，不利于學生的深入理解，從而使原本繁瑣的內容變得更加復雜，降低了教學質量。學生一直被動的接受老師教授的知識，老師也是年復一年的教著同樣的知識，這種教學會同時打擊老師和學生的積極性。由于學時緊，學校會偏重于理論教學，從而忽視了實驗教學，但是食品化學是一門理論與實踐相結合的課程，理論基礎和實驗的輔助才能幫助學生更好的理解這門學科。

（2）由于學校的實驗資源有限，每次實驗課，老師都會把同學們分成4～5人一組，分工合作，這樣會減少實驗試劑和實驗器材的用量，同時導致學生沒有獨立完成整個實驗的能力。通常實驗課都是老師提前選好實驗項目，定好實驗方案，配好實驗試劑，上課時首先講解實驗原理，然后將實驗方案分發給學生，學生按照實驗方案上的步驟一步一步的做，最終努力的將自己的實驗結果接近理論結果。從不思考實驗過程中所加入的試劑的作用，所用實驗儀器的原理，甚至當自己的實驗結果與理論值不符，都不會去分析數據異常的原因。比如利用凱氏定氮法測定蛋白質含量，只需將樣品消化后直接放在定氮儀上測定。根據公式計算結果，都沒有弄清實驗原理，也沒明白氫氧化鈉和硼酸的作用，甚至有的學生都不知道還有滴定的步驟。久而久之，這種填鴨式教學成為學生學習的習慣，遇到問題不會分析、不會思考。面對一個實驗，沒有獨立查文獻，寫方案的能力，更可怕的是，有些學生連簡單的配試劑都存在一定的問題，極大的限制了學生的動手和創新能力。

（3）食品化學實驗的儀器種類多，而且有的儀器體積大，需要很大的空間放置。食品化學實驗室本來就有很多的試劑和樣品，空間有限，導致沒有足夠的空間去容納這些大儀器。有些儀器價格昂貴，維護費用高，不會讓學生自己操作，甚至有的出于經費考慮，會放棄購買。有些儀器結構復雜，不便拆卸，老師無法深入全面的講解，導致學生很難理解其原理。有些實驗會用到強酸強堿，存在一定的安全隱患，學生出于畏懼，無法全身心投入。目前很多高校由于實驗室設備和人員問題，實驗室的開放程度不高，極大的阻礙了學生動手能力的提高。

2虛擬仿真技術對食品化學實驗課程的改革

上述描述的食品化學實驗課的現狀是目前國內大部分高校面臨的問題，專家學者都在不斷摸索課程的改革方法，虛擬仿真技術的興起，打破了傳統的教育模式，為食品化學實驗課程的改革提供一條嶄新的道路。其最大的特點就是為學生提供一個虛擬的實驗環境，但又具有真實感。

（1）食品化學與許多學科的內容交叉，知識點不清晰，課堂的理論教學與虛擬仿真實驗教學相結合，有利于學生消化知識。由于虛擬仿真實驗教學使學生可以利用碎片時間學習，有效的淡化了時間和空間對教學的限制，使學生能按照自身水平和時間安排調整實驗進度，也可以根據自己的興趣選擇實驗內容，有效激發學生的學習興趣。使學習變得更加靈活自由，變被動學習為主動參與。使學生能更好地理解課程、降低學習難度、調動了學生積極性、促進了學生對課程的深入學習，做到真正意義上的因材施教。因此，理論的課堂教學學時充足，教師可以調整授課速度，進行相應內容的拓展，將原本凌亂缺乏系統性的知識點條理化，使學生學起來思路更清晰。虛擬仿真技術的引入，打破傳統教學的束縛，學習時間自由分配，不受地理因素限制，使學生能靈活安排學習計劃，老師也不會因學時問題重復教學，會大大提高學生的學習興趣和老師的教學興趣。

（2）將虛擬仿真技術與食品化學實驗相結合，可以完善真實實驗不具備或難以完成的教學任務，學生可以獨立完成一項實驗，掌握實驗技能，從實驗項目的選擇、方案的制定、試劑的配置、儀器的使用到最后實驗的完成和數據分析，每一步驟都是學生自己完成，可以極大的激發學生的動手和創新能力。由于虛擬仿真實驗室不受時間的限制，讓每一位學生都可以獨立完成自己的實驗。有些實驗在儀器中反應，真實實驗室無法看到樣品是如何發生反應的，如用電感耦合等離子體質譜法測定大米中的鉛、鉻等重金屬含量，其樣品處理階段，進行微波消解時，只是在儀器上設定消解模式與時間，在測定階段也是直接將樣品放在儀器上，設定實驗參數，即可得出結果。看不到這整個過程中樣品的變化和儀器如何測定出重金屬含量。結合虛擬仿真技術，以視覺和圖像的雙重教學向學生展示每個實驗階段中步驟的原理和儀器的測定過程，減少教師的重復勞動，這樣可以充分了解整個實驗過程，有助于學生對食品化學實驗的理解，遇到實驗問題也能找到解決方案，將實驗做到真正的精、細、深。食品化學實驗是食品檢測領域的基礎，虛擬仿真技術的引入，有利于食品化學實驗的開展，為培養食品專業人士打下基礎。

（3）虛擬仿真技術使學生身處一個虛擬狀態，根據真實環境模擬的一個狀態，解決因空間和資金不足而導致的實驗設備不齊全的問題。減輕了高校實驗室管理與運轉的壓力，從而大大降低了實驗的危險性，食品化學方面的實驗經常會因為試劑本身的毒性。儀器操作不當和基本技能不熟練而引發人身安全問題。比如采用聚丙烯酰胺凝膠電泳法鑒定分子量，其制膠過程用到的試劑和電泳緩沖液都有毒，有時實驗用到的高溫高壓的條件，如果學生對高溫高壓滅菌鍋操作不熟悉，沒有等其壓力和溫度都降到安全范圍內取出樣品，會產生一定的人身安全，所以很多老師常常在教學過程有意避開危險操作。這樣不利于對學生的培養，而虛擬仿真技術的應用可以讓學生感受到做實驗的真實感，但又由于一切都是虛幻的，不會有危險現象，可以很好的解決這一問題。長此以往，學生面對實驗風險時沉著冷靜，由此，實驗室可以全面開放。另一方面，學生可以對大型儀器進行拆解同，從結構、部件到組裝，了解其工作原理，以便分析適用于哪些實驗，提高了學生的學習能力。

3結語

虛擬仿真技術在近些年得到了極大的發展，也產生了一定的效果，但技術的廣泛應用是一個長期的過程，如何將虛擬仿真技術與食品化學實驗結合，如何將實驗從以教師為導向轉變為以學生為導向，如何提高實驗教學質量，都需要各高校和教育部門不斷地思考、探索與改進。