工程與科研雙導向的“食品無損檢測技術”虛擬仿真教學研究

張 文，劉 超，張 迪，鄒小波

（江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇鎮江 212013）

0 引言

食品檢測是保障食品安全的重要組成部分，準確可靠的檢測手段將有效控制食品安全問題的發生[1]。近年來，食品無損檢測技術異軍突起，涉及生命科學、信息科學和工程學等多個學科領域，利用檢測對象本身的光、聲、電、磁等特性，得到大量反映被檢測對象內外品質安全的特性信息，具有檢測速度快、客觀準確和操作方便等優勢，成為當前食品加工領域的熱點。目前，國內很多高校的食品科學與工程專業和食品質量與安全專業開設了“食品無損檢測技術”等專業課程，涉及到無損檢測的理論知識和實踐環節[2]。但“食品無損檢測技術”涉及的理論和技術知識面極寬，屬多學科交叉領域，包括高光譜、超聲波、近紅外光譜、計算機視覺、核磁共振等檢測技術。很多學校無法開展實驗：一是很多高校沒有相關裝備，導致無法實施；二是大多數實驗裝備都是單臺套，教師只能進行演示性實驗，因此很難達到理想的教學效果。有必要引入虛擬仿真教學手段，作為傳統教學方法的重要補充。

在“食品無損檢測技術”虛擬仿真教學中，學生通過學習食品無損檢測的技術原理、結構性能、參數選擇，掌握各種食品無損檢測技術的基本概念，理解食品無損檢測技術在食品智能化檢測、過程控制與評價中的支撐作用。在此過程中，因材施教，提升學生的工程實踐技能，培養獨立思考、解決實驗問題的能力；進一步優化“工程與科研雙導向”的教學實施目標。

1 虛擬仿真教學技術實踐

根據“食品無損檢測技術”課程教學要求和實驗教學內容，開展虛擬仿真教學，重點了解無損檢測的原理及各部件組成，在此以超聲波成像無損檢測為例進行闡述：通過檢測超聲波對試樣全面掃描，利用超聲波對組織結構變化的敏感性，將試樣反射回波處理后獲取試樣內部超聲圖像，進行試樣內部全面無損直觀的檢測；在仿真軟件中，功能部分包括工作站與超聲波激發參數的設置，數據采集及分析軟件開啟，伺服開啟及儀器連接，探頭位置的調整及數據采集閥門的設定，探頭運動起點終點的設置，超聲波數據采集及三軸運動參數的設置，樣品信息的采集、保存與分析等。

上述環境主要通過瀏覽器和服務器架構（B/S 架構） 和3D 仿真技術實現[3]。通過B/S 架構，用戶訪問管理平臺，查看相關功能（軟件列表，課程列表）和統計信息（學習記錄，考試成績），并初始化3D仿真項目；隨后，采用B/S 架構啟動3D 仿真程序及其附屬程序，通過對數據庫的訪問來實現數據的同步、人機交互界面（數據庫、3D 虛擬實驗室、工作站） 操作、智能評分和教師站管理。

2 教學實施方法設計

教學實施方法包括預實驗學習和正式教學。在預實驗學習模塊中，學生學習各種基于光聲電磁無損檢測技術的原理動畫，了解高光譜、超聲波、近紅外光譜、計算機視覺、核磁共振等不同無損檢測技術的系統組成、主要特點與適用場合。正式教學主要包括系統基本操作學習和數據處理2 個部分。以超聲波成像無損檢測為例，①要求學生了解聲波發射器、超聲波接收器、超聲波探頭、三維精密位移平臺、傳輸機構及計算機軟硬件等部件的構成及其相互關聯，根據具體的檢測目標，選擇適合聲學參數實施檢測的篩選機制；針對超聲波檢測中的特有氣泡問題，在實驗設計和實施環節中尋找有效解決方法。②超聲數據處理包括預處理、特征提取、模式識別等練習步驟，要求學生完成數據處理方案設計訓練，獨立與聯合使用多方法獲取高維度數據結果，對實驗對象特性進行判斷。

教學活動在開放式虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺上運行。教師利用該平臺在網上安排學生預習、指導學生實驗和批改實驗報告；學生利用該平臺在網上進行選課、預習、自主測試、設計實驗、撰寫和提交實驗報告；教學系統提供一體化的教學過程管理，學生在理論學習之后，查詢相關標準資料，再進入虛擬仿真實驗室進行實驗。

3 考核方法設計

針對復雜食品工程問題，要求學生能夠基于專業理論和實驗技能，根據對象特征選擇合適的檢測方法，設計可行檢測方案或檢測系統；能識別、量化和分析食品新產品、新技術、新工藝的開發應用對社會、健康、安全、法律和文化的潛在影響。這主要通過細化的考核要求實現：①預習考核：在進行實驗教學之前，學生應針對相關知識點進行預習，在結合常規課堂教學和查閱文獻的基礎上提供預習報告；教師對預習報告進行考核。②認知考核：在軟件初始界面，學生選擇對應功能模塊進入各功能環節，了解無損檢測基本原理、主要操作流程和實驗結果要素等知識；隨后，教師對學生的認知情況進行考核。③操作與數據處理考核：學生操作步驟應正確、規范、熟練，實驗態度端正；如超規定時間或出現錯誤步驟則應扣除一定得分；在數據處理過程中，應熟練、正確依據無損檢測方法要求對數據進行曲線校準等數據處理。④實驗心得與報告考核：完成實驗后，在系統內在線提交實驗心得與報告；應包括完整的實驗目的與原理、詳細正確的實驗數據、對實驗數據的分析討論，以及在完成實驗后的心得收獲等。

4 虛擬仿真教學實施效果與思考

“食品無損檢測技術”虛擬仿真教學主要面向食品科學與工程、食品質量與安全、生物技術專業本科三年級學生，同時面向食品工程等專業的碩士一年級研究生，也可以服務于其他大專院校師生、行業技術人員的培訓或繼續教育。軟件平臺開放3 年以來，通過食品科學與工程、食品質量與安全專業三年級本科生及食品無損檢測方向一年級研究生的實際訓練，反響較好，達到了豐富實踐與實驗教學的效果；學生對虛擬仿真教學積極性很高，總教學人數超過500 人。特別是在食品科學與工程專業本科生教學中，有效激發了學生的科學思維能力，有3 人在隨后的研究生階段獲得了國家獎學金獎勵；在食品質量與安全專業本科生教學中，對工程能力培養呈現出較好的推動作用，多人在本科畢業后入職國內外食品行業知名企業，獲得了較好的職業發展。

上述成果可能得益于以下3 個方面：①“虛實結合、以虛補實”，解決實體教學實驗難以開展的問題；食品無損檢測技術實踐教學需要價格昂貴的實驗儀器，實體實驗周期長、效率低，無法在高校實驗教學中全面落實；通過虛擬仿真教學，能夠實現真實實驗不具備或難以達到的教學效果，使學生在自主交互的虛擬環境中高效地完成實驗。②增強學生實驗積極性，激發學生自主實驗興趣；把虛擬仿真技術應用于實驗教學，增加交互場景設置，創設基于問題導向和食品檢測技術的實驗教學方法，構建基于真實情境、綜合實踐的教學環境；教師主導向學生自主轉變，灌輸式教學向啟發、互動轉變，機械式教學向研究、探索和合作轉變。③實現“深度交互、理實融合”學習效果；通過采用虛擬現實技術，在計算機中仿真模擬實際食品檢測的過程；培養學生自主完成綜合調查、分析測試、方案設計、編寫報告的能力，激勵觀察思考和發散創新。

5 結語

無損檢測方法是維系食品質量與安全的重要保障之一。通過虛擬現實技術，依據研究前沿的檢測技術、裝置與系統搭建模型，按實際檢測過程完成人機交互，能夠再現食品無損檢測的主要操作，使學生熟悉基礎知識、基本原理和使用儀器，識別和了解復雜食品檢測問題的關鍵環節。在此過程中，以工程認證理念和新工科交叉創新人才的培養目標為導向，將無損檢測基本原理、實驗方法學、數據統計學和傳感領域交叉學科相結合，可以切實有效地提升學生解決復雜工程問題和進行科學研究的能力，實現工程與科研的雙導向教學目標。