后疫情時代下基于虛擬仿真技術提升食品科學與工程專業教學質量的探討

陳海，朱瀚昆，戴宏杰，郭婷，張宇昊

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

2020年2月，疫情的爆發給全國各地高校教育工作的正常開展帶來了前所未有的挑戰。為保證學校教學工作的正常開展，教育部根據疫情防控實際情況提出了“停課不停教，停課不停學”的要求，并確保各高校嚴格落實教學質量；各高等院校積極響應，建立了良好的線上教學平臺，并全面普及網絡教學模式。目前，我國疫情防控態勢積極向好，全國各地的正常生活得以有序開展。但是，疫情并沒有完全消失，疫情在全國各地仍然呈現零星點爆發的態勢。在這種常態化疫情防控背景下，利用“線上+線下”混合教學模式實現食品科學與工程專業基礎理論的教學已經逐步被高等院校接受，而且響應性的“線上+線下”可切換教學模式能夠有效地應對疫情防控的升級。但是，食品科學與工程專業的實驗和實踐類課程的開展需要學生通過現場操作，利用實驗設備、外出調研等方式獲得相關的數據。因此，這類課程的正常有序開展仍然面臨著疫情突發帶來的巨大挑戰[1-4]。

虛擬仿真技術依托現代化的計算機硬件和軟件技術，對系統內部的組成、結構、行為以及參與系統控制者的思維和行為進行系統性、動態性的模仿[5]。隨著信息化時代的到來，計算機技術得到快速的發展和普及，互聯網內容的交互式動態圖像等特點使得虛擬仿真技術越來越商業化和普遍化。由于虛擬仿真技術具有較高的逼真性、交互性、沉浸性和虛幻性等特點，該技術已經逐步發展成為人類認識客觀規律甚至改造客觀世界的一項通用性和戰略性技術。目前，得益于虛擬仿真技術獨特的優勢，虛擬仿真實驗平臺項目的建設受到了各個學校、國家等不同層面的大力支持，基于虛擬仿真技術的教學模式也被廣泛運用在生物、化學、食品等各類學科中[6-7]。2018年，教育部印發了關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知，進一步深化和拓展了虛擬仿真教學項目的建設工作，推動了虛擬仿真技術在高校教學中的改革探索。總體而言，當前虛擬仿真融入教學過程的模式主要在于輔助教學過程中難以完成的相關實驗實踐教學部分，比如抽象化教學實驗、涉及大型儀器使用的實驗、高危實驗、耗時長的實驗等[3,5-7]。因此，基于虛擬仿真實驗室的逼真性、交互性和虛幻性等特點，教師可以充分利用虛擬仿真軟件進行相關的實驗教學，幫助學生了解實驗的基本原理、操作流程、操作要點以及復雜工藝流程，從而高效地完成教學。學生可以通過反復操作虛擬仿真軟件進行多次重復實驗，進而對實驗過程中的疑點、難點等進行全方位的理解和掌握，使學習過程富有成效。實際上，虛擬仿真技術可以很好的應對后疫情時代疫情防控升級對食品科學與工程專業實驗和實踐類課程正常開展帶來的沖擊，保障特殊防疫時期實驗實踐教學的正常進度。

1 疫情時代下虛擬仿真技術應用于食品專業教學的必要性和可能性

嚴格的疫情防控措施下，高校不得不采用網絡教學模式完成各類理論課程的教學任務，高等學校教師也迅速掌握了網絡教學手段和方法[8]。然而對于實驗實踐類課程，如何有效地利用并發揮虛擬仿真技術在教學中的作用，以此提升學生的培養質量，也是高校教師高度關注的事情。當前，將虛擬仿真技術常態化融入實驗實踐課程需要解決2個問題，即虛擬仿真技術應用于食品專業實驗實踐教學的必要性和可能性。

1.1 虛擬仿真技術應用于食品專業教學的必要性

食品專業是培養高級工程技術人才的主陣地，由于食品專業具有理工科結合的特點，在教學過程中不僅要向學生傳授化學、生物學、機械、工程等食品科學的基本理論，同時還要培養學生在食品生產、食品分析檢測等方面的實驗能力和動手能力。因此，在整個培養過程中，培養學生的實驗操作和動手能力是保證教學質量的重要環節[9]。目前，食品專業開設的大多數課程，如食品工藝學、儀器分析、食品化學、食品微生物學、乳品學等，需要在傳授基礎理論的基礎上，開展基礎實驗及專業實驗項目和實踐實習項目。以筆者所在學院的食品科學與工程專業培養方案為例，在開設的已有課程中，需要開展線下實驗實踐教學的課程比例超過50%。然而，后疫情時代，傳統的實驗教學模式不僅受到時間、實驗教學儀器、實驗室空間和規模等限制；同時，在嚴格的防疫要求下，線下實驗教學以及企業實踐等課程的開展也會不時地受到沖擊，嚴重影響食品專業多門學科的實驗和實踐教學質量。筆者所在學校開設的食品科學與工程專業認知實習課程內容之一是依托重慶市乳品企業開展實地參觀，由指導教師帶領約10～20名學生前往企業，配合企業內部人員的講解，達到實踐教學目的。本人通過帶隊前行及后續訪問的方式進行調研，發現企業出于疫情防控要求以及食品安全管理的考慮，并不能讓學生近距離地觀察整個生產流程；同時，由于學生對實際生產流程相關知識的認知較淺，導致整個實踐環節出現“走馬觀花”的效果，不利于學生建立形象化的乳品生產知識體系。而且，由于疫情爆發的不確定性，原定計劃的企業參觀實習等可能也會因為疫情防控的要求而被迫臨時取消，校企間的實踐教學合作受到沖擊，導致實踐教學不能按時保質進行。虛擬仿真實驗平臺能夠有效地突破時間、空間和儀器資源等約束，克服實驗和實踐教學對實際客觀條件的依賴性，滿足教學需求，使得學生能夠完成成本高、耗時長、涉及先進儀器設備的實驗和需要前往企業進行實踐的項目，也使抽象化的工藝流程、實驗原理等形象化，強化了學生對相關工藝流程和實驗現象的理解。更為重要的是，虛擬仿真教學可以避免疫情防控的升級而帶來的線下教學中斷，保證教學的有序開展。因此，融入常態化的仿真教學模式對于保障食品科學與工程專業的教學質量是非常必要且有意義的。

1.2 虛擬仿真技術應用于食品專業教學的可能性

隨著國家政策的大力支持并出臺相關的文件如《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》， 很多高校如江南大學、中國農業大學、東北農業大學、華南農業大學等積極響應國家號召，開展虛擬仿真實驗平臺的建設。本文以 “虛擬仿真”和“食品”為主題對中國知網數據庫和萬方數據庫的相關文獻進行精確檢索并統計，如圖1所示，基于虛擬仿真教學平臺開展食品科學相關學科的教學改革論文在2015年至2020年間呈現急劇增加趨勢(圖1)，說明將虛擬仿真技術融入傳統教學也引起了高校教師的廣泛關注。

圖1 “虛擬仿真”和“食品”關聯的文獻篇數逐年分布圖Fig.1 Number of published papers associated with “virtual simulation” and “food”

《食品工程原理》作為食品科學與工程專業的核心基礎課程，涵蓋較多理論公式、復雜的推算過程以及抽象化的工程模塊，導致許多學生在該課程學習過程中面臨著較大的學習障礙。因此，多所高校已經建立了《食品工程原理》仿真教學平臺。例如，江南大學將虛擬仿真技術融入《食品工程原理》實驗教學，在計算機上演示具體的操作單元，能夠有效地減少實驗出錯以及促進學生建立各操作單元的感性認識[10]。吉林大學在《食品工程原理》實驗教學中，充分利用仿真教學的優勢，克服了傳統教學中存在的諸多難題，如某些操作實施困難、部分現象難以觀察，以及完成部分高危的單元操作[11]。福建農林大學構建了食品工程原理實驗虛擬仿真教學體系，有效地激發了學生的學習興趣，拓展了學生的學習資源[12]。筆者所在的學院依托歐倍爾平臺也建立了《食品工程原理》實踐課程虛擬仿真平臺，為學生更好地理解課程原理和抽象化的結構單元提供了良好的條件。《食品機械與設備》是一門強化學生工程實踐和實際操作能力的重要課程，對于食品科學與工程專業學生的培養尤為重要。華南理工大學引入機械設備結構認知仿真和虛擬實驗操作仿真平臺，加深了學生對食品機械設備相關理論和操作的理解[13]。《食品工藝學》是食品科學與工程專業的核心課程，很多高校根據學科內容建立了不同的虛擬仿真實踐課程。例如，渤海大學運用虛擬仿真技術3D模擬酸奶工廠環境，對酸奶生產過程中的原料預處理、冷卻、殺菌、配料、均質等環節進行仿真，有效地提高了學生對整個酸奶工藝生產環節的認識和理解[14]。江南大學基于虛擬仿真教學平臺，提出線上預習、線下創新的教學模式，提高了教學效率的同時也有助于學生更好的體驗真實儀器設備[15]。除此之外，將虛擬仿真融入其它涉及食品科學與工程專業的課程也進行了廣泛的探索和改革。例如，浙江工商大學搭建了《儀器分析》課程實驗教學仿真系統[16]；南京財經大學探討了《食品化學》課程的仿真模擬教學模式和方法[17]；石河子大學利用虛擬仿真平臺差異化建設食品微生物學實驗虛擬仿真實驗項目[18]；這些教學探索和改革表明，將虛擬仿真技術合理地應用在食品專業的教學中可以適應學校實驗條件的不足，幫助學生更直觀形象的理解實驗原理，并受到任課教師和學生較高的歡迎度。而且，以 “虛擬仿真”和課程名稱為主題對中國知網數據庫進行檢索發現，食品科學與工程專業的多門課程的實驗實踐教學環節均可以融入虛擬仿真技術，從而提升教學質量(圖2)。因此，將虛擬仿真技術應用于常態化的食品專業教學具有可能性。

圖2 虛擬仿真應用于食品相關課程的文獻篇數分布圖Fig.2 Number of published papers related to the application of virtual simulation in food-related courses

2 疫情時代下虛擬仿真技術在食品專業應用中存在的主要問題

在國家多項政策的支持和引導下，以及計算機虛擬仿真技術在本科教學應用中的不斷探索，開設食品科學與工程專業的部分高等院校積極開展了相關課程的虛擬仿真實驗教學平臺建設工作，并將虛擬仿真技術應用于食品專業的實驗實踐教學，以此提高學生的學習興趣和學習效率[19-21]。盡管該技術具有很多優勢，但是在后疫情時代，我國高校將虛擬仿真技術應用于食品專業教學中仍存在著一些問題。

2.1 常規化融入虛擬仿真技術力度不大

盡管許多高校建立了虛擬仿真教學平臺，并根據食品科學與工程專業相關的實驗實踐課程開展仿真實踐教學探索，但是將其融入常態化的課程教學仍然不夠完善。后疫情時代，常態化的線上理論學習已經得以建立，根據疫情防控的變化，大部分高校可以做到“線上+線下”隨時切換，能夠真正做到“停課不停教，停課不停學”[22-23]。例如，2021年9月，西南大學入學核酸檢測結果出現異常，應防控要求，所有線下課程立刻轉為線上模式，以此保證正常教學進度及質量。然而，實驗和實踐等課程還沒有建立成熟配套的虛擬仿真教學模式，不能做到隨時切換以保證教學工作的正常開展。而且，擁有虛擬仿真平臺的許多高校任課教師暫未積極開展虛擬仿真實驗教學。尤其是對于一些年長的教師而言，嘗試這種線上的教學模式存在難度，甚至有不少教師不知道或不記得學校擁有虛擬仿真平臺，使搭建好的平臺并沒有高效地被利用，造成資源浪費。

2.2 已搭建的虛擬仿真教學平臺不穩定

在疫情防控背景下，將虛擬仿真系統融入實驗、實踐教學中，平臺的穩定性是保證教學質量的關鍵[24]。一旦出現疫情防控級別提升，大量實驗實踐課程轉為線上仿真教學，容易導致服務器擁堵。目前，利用虛擬仿真教學平臺進行食品科學與工程專業相關課程的實驗、實踐教學以及考核中存在著教學平臺不穩定的現象。筆者以本校學生進行虛擬仿真競賽考試為契機，對仿真教學平臺的穩定性進行了調研。在第一次調研中，20名同學參加虛擬仿真考試，其中8名學生出現不同程度的卡機、系統進入困難等問題，最后有3名同學因為系統不穩定原因不得不更換考試時間。在第二次調研中，16名同學參加虛擬仿真考試，其中6名學生出現不同程度的卡機、系統進入困難等問題。利用虛擬仿真平臺進行實驗、實踐教學仍然存在著系統不穩定的現象，嚴重影響了教學質量。

2.3 資源利用率低、共享理念不健全

隨著國家政策的引導，越來越多開設食品專業的高校建設了虛擬仿真實驗中心。然而，除了少數高等院校的虛擬仿真平臺包含食品科學與工程專業的多門實驗和專業實踐仿真課程，大多數學校因為開發成本、學科發展及建設目標等限制并沒有建立完整系統的虛擬仿真平臺，這就導致大部分高校的虛擬仿真平臺只能滿足少數甚至不足一門課程的仿真教學需求。然而，在疫情防控的背景下，線下的多門實驗教學會同時受到波及，這就導致該校的仿真教學平臺只能滿足已有課程的實驗實踐教學。另外，雖然不同高校根據自己的學科特色，建設了差異化的虛擬仿真課程，但是，由于各個高校間虛擬仿真平臺的共享并沒有有效地打通，這就導致資源利用不充分[25-26]。已有的虛擬仿真平臺不能高效地服務于實驗實踐教學。

3 疫情時代下虛擬仿真技術提升食品專業教學質量的建議

3.1 強化教師隊伍虛擬仿真教學的意識和能力

虛擬仿真技術作為信息化高度發展的新興產物，其在實驗和實踐教學中的應用需要不斷地探索；同時，讓高校的任課教師接受并使用它也需要一個過程。在后疫情時代，為了讓虛擬仿真教學更好的服務于食品專業相關的實驗實踐教學， 轉變任課教師傳統的思維理念，樹立仿真教學思維尤為重要。這也是能否推動虛擬仿真技術在食品專業教學常態化應用的關鍵。其次，需要加強任課老師信息化能力，促進仿真技術與實驗實踐教學的有機融合，推動仿真教學的有效性和趣味性。學校領導層面可以通過宣傳、培訓、競賽等方式強化高校教師主體對虛擬仿真教學的認識。例如，筆者所在學院通過主動承辦“歐倍爾杯”2021年第三屆全國食品專業工程實踐訓練綜合能力競賽，激發了師生對于仿真平臺學習的興趣。

3.2 加強整合資源，搭建良好資源平臺

首先，各個高校要根據自身學科發展和學科優勢，逐步建立具有特色的食品科學與工程相關課程的虛擬仿真教學課程[27]。鑒于高校的人力、財力以及資源有限，國家相關部門應該積極引導高校間合作，建立高校食品科學與工程專業虛擬仿真教學資源共享平臺，為各個高校之間的合作打通渠道，實現虛擬仿真技術在食品科學與工程專業實驗和實踐教學中發揮最大的價值。這樣不僅可以減少因重復性的課程建設而導致的人力、物力和財力的浪費，而且還可以為沒有條件搭建虛擬仿真平臺的高校提供教學便利，盡可能地保證后疫情時代各高校食品專業學生的教學質量。例如，筆者所在食品學院通過與歐倍爾建立合作，實現了食品工程原理等多門課程資源的共享與合作，既推動了虛擬仿真技術在食品專業教學中的實際應用，滿足了學生和教師對虛擬仿真學習和教學的需求；同時，也為本學院的進一步發展節省了相關的物力和財力。

3.3 加強實踐教學過程監測，完善虛擬仿真考核評價機制

后疫情時代，遠程虛擬仿真教學模式可以有效地應對突發的疫情防控措施。學生可以在宿舍或者居家進行遠程在線實驗實踐學習，在這種教學模式過程中，師生并沒有直接的面對面進行教學，學生會有聽課松懈等現象。因此，加強任課老師對學生學習過程的監測是保證學有所得、學有所獲、學有所長的關鍵[28-29]。比如，可以利用騰訊會議平臺的“語音”和“視頻”實現教學過程的師生互動、利用學習通平臺“搶答”和“選人”進行課堂問答，增強學生學習過程的參與度。其次，強化過程性考核，促使學生真正掌握實驗相關的基礎理論和操作流程。依托獨立的實驗報告、隨機性考核以及個性化考核等形式強化學生實踐操作要點，提升實際解決問題的能力。最后，完善虛擬仿真軟件的智能化質量監控，輔助任課教師高效地完成課程教學考核與評價。

論文作者負責并參與打造了西南大學食品科學學院的 “榨菜加工工藝與設備虛擬仿真實驗”項目。目前，該實驗項目開設期次累計4次，共計完成本科生實踐教學354人，累計服務校外人數500余人，能夠有效地推動疫情期間實踐教學的正常開展。在項目運行過程中，為了提升仿真教學質量，本院建成了卓有成效的質量監控體系，包括學生網絡簽到、學生在線時間統計、登錄次數統計、網絡實時評分系統和師生在線答疑等。實驗過程結束后，學生可下載相關實驗數據進行數據統計和分析。指導老師可以登錄系統及時了解學生實驗參與情況和實驗報告完成情況，教師也可網上實時參與實驗指導或離線指導。通過這些質量保障措施，不僅能及時解決學生在實驗過程中遇到的問題，提高學習效率，也能讓指導教師及時掌握學生的進展情況和學習效果，高效完成學生實踐過程監測與考核評價。以“線上”與“線下”質量監控措施構建了實踐教學質量監控體系，有效保障了實踐質量的持續改進和考評機制的建立。基于本課程項目的不斷實施和評價體系的建立，該課程項目已成功獲批重慶市高校一流課程。

3.4 強化“線下+線上”高效切換機制

虛擬仿真技術具有諸多優勢，能夠更加生動形象的完成教學過程。然而對于食品專業的很多課程，完全依賴于虛擬仿真技術反而達不到很好的教學效果。如圖3所示，在教學過程中應該采用多元化、專業化的教學模式，將傳統教學模式與現代化的虛擬仿真技術進行有機的結合，并建立高效的“線下+線上”切換機制。在后疫情時代，當防控級別較低時，學生可以在線下完成實驗實踐教學，虛擬仿真技術可以作為一種提升教學質量的有效輔助手段[30]；然而，一旦防控級別提升，高效地切換成“線上”模式則是保障正常實驗實踐教學開展的重要途徑。因此，強化“線下+線上”高效切換機制對于培養學生扎實的實驗技能、提升教學質量以及保證教學順利開展具有重要意義。

圖3 “線下+線上”高效切換機制保障并提升教學質量Fig.3 The efficient switching mechanism for “online+offline”teaching mode to guarantee and improve teaching quality

4 結論

在后疫情時代，面對特殊時期的疫情防控突發性，食品科學與工程專業的實驗實踐教學面臨困難。將虛擬仿真應用于食品科學與工程專業的實驗和實踐教學是解決特殊時期教學困難的有效途徑。國家層面應當積極推動虛擬仿真技術在食品專業的實驗實踐教學的常態化，推動各個高校間加強資源整合，同時鼓勵高校積極開展虛擬仿真教學的改革，建立高效的“線上+線下”切換機制。同時，高校教師也應該積極適應形勢變化，轉變傳統教學模式和觀念，充分利用現代化的教學資源，將虛擬仿真技術有機地融合在課程教學中，為保障和提升食品科學與工程專業的教學質量提供支撐。