新工科背景下食品質量與安全專業虛擬仿真實驗室建設初探

＊孫海燕 張辰露 耿敬章 裴金金 李虎

（1.陜西理工大學 生物科學與工程學院 陜西 723000 2.陜西理工大學 陜西省資源生物重點實驗室 陜西 723000 3.國家農產品保鮮工程技術研究中心秦巴地區保鮮工作站 陜西 723000 4.陜南秦巴山區生物資源綜合開發協同創新中心 陜西 723000 5.陜西理工大學秦巴生物資源與生態環境省部共建國家重點實驗室（培育）陜西 723000）

食品質量與安全專業是研究食品的營養、安全與健康的關系，食品營養的保障和食品安全衛生質量管理的學科。食品質量與安全專業培養學生具備化學、生物學、食品科學、食品質量管理及安全控制、國內外食品安全的標準與法規等方面知識和基本實踐技能，能從事食品安全分析檢測、動物檢驗檢疫、農產品和食品質量管理等技術工作，以及食品原料及相關產品質量控制、質量檢測、質量管理、質量認證等應用技術和管理技術工作，屬工科專業。

2017年以來，我國教育部開始重視新工科建設，在“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”三部曲的助推下，提出構建工科專業新結構，大力發展人工智能等新技術，輕工、紡織等產業轉型升級、向價值鏈中高端發展，推動工科與其他學科交叉融合[1-4]，突出了人工智能技術與工科教育的融合發展。新工科建設指南中提出的創新型工程教育理念、學科交叉融合、專業結構優化升級、產學研合作育人等意見，已成為目前我國高等教育改革的焦點[5]。2017年教育部提出了以現代信息技術為依托，各高校積極開展虛擬仿真教學項目，加強優質資源建設和應用，增強學生的創新和實踐能力[6]。

虛擬仿真又稱虛擬現實技術或模擬技術，是將先進的仿真技術與網絡技術結合，就是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統的技術，是在20世紀80年代新崛起的一種綜合集成技術，涉及到的技術主要有傳感技術、計算機圖形學、人工智能和人機交互技術等；由計算機硬軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環境，即虛擬環境，可以逼真地模擬現實世界存在或是不存在的事物和環境，人投入到這種環境中，會有“親臨其境”的感覺，而且可以親自操作，自然地與虛擬環境進行交互，即仿真技術就是應用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗，借助某些數值計算和問題求解，反映系統行為或過程的仿真模型技術。各高校食品專業實踐性教學由于受實驗場地、原材料、安全性等因素的限制，導致某些實驗項目無法正常開展進行。因此，建立虛擬仿真實驗室，通過仿真技術，使學生通過仿真軟件，達到與真實操作設備一致效果的目的[7-8]。近年來，隨著虛擬實驗技術的成熟，人們開始認識到虛擬仿真實驗室在教育領域的應用價值，因此，國內的許多高校都在積極申報虛擬仿真實驗室的建立。仿真模擬實驗教學除具有利用率高，易維護等優點，還具有生動形象、直觀逼真等特點，可極大地提高和激發學生對教學實驗和科研實驗的好奇心和學習興趣，通過仿真實驗可以讓學生進一步地了解食品感官評價流程和方法，了解所使用的儀器設備運行原理，還可以在系統中模擬實際操作，既達到了實驗目的，節約了實驗和教學成本，又提升了實驗安全性，開拓了學生的視野，同時增強學生的安全意識和社會責任感[9-10]。

在新工科背景下，高校食品專業相關課程，也應實現現代化技術與課程的融合，改革與創新教學新手段、新形式，讓新媒體、智能設備進入專業課程，讓學生可以直觀形象的進行各種試驗操作，也可以在一定程度上提升學生的學習興趣，促進德智教育的有效融合。

1.食品質量與安全專業實驗和實踐教學與虛擬仿真技術融合建設內容

(1)食品專業實驗教學虛擬仿真模塊建設

食品質量與安全專業核心課程如有機化學、無機化學、分析化學、食品化學、食品毒理學、現代食品安全科學、食品感官評價、儀器分析等課程要么知識點分散，知識內容抽象，不易理解掌握；要么實驗操作有一定危險性，對實驗場地和實驗專業設備要求較高等，在具體實驗進行過程中導致實驗效果不佳。因此，利用現代信息技術，將虛擬仿真實驗技術應用到專業實驗教學中，通過建立虛擬仿真實驗室教學平臺，使學生直接在平臺上進行實驗項目的操作，既可以人機交互，也可以直接觀看實驗操作視頻、實驗原理和實驗操作的3D動畫演示。除此之外，還可直接在仿真實驗平臺開展進入實驗室前的安全知識培訓考核等。如開發食品物理化學實驗的虛擬仿真項目，開發食品感官評價實驗的虛擬仿真項目，智能感官設備——電子舌、電子鼻、電子眼、氣質聯用色譜、氣相離子遷移色譜等設備購置費用較高，在感官品評實驗中很難讓學生都接觸使用，利用虛擬仿真技術，將其與智能感官品評設備和人機一體化品評設備的具體原理和與具體品評實驗項目相融合，多設計開放創新型實驗內容，讓每一個學生都能從實驗設計、準備開始介入，不但會實用的簡單操作，而是整體實驗的學習，鍛煉學生的創新實驗能力，促使每個學生都要主動思考實驗、參與實驗，強化理論知識的運用和具體的實驗效果。

(2)食品專業實訓虛擬仿真模塊建設

專業實訓虛擬仿真模塊是食品質量與安全專業教學體系中培養學生創新和實踐應用能力最重要的模塊。根據食品專業建設要求，可以構建不同的專業實訓，如構建食品綜合實訓仿真實訓，包括食品加工、感官品評、理化測定和微生物檢測虛擬仿真實訓，如啤酒、果酒加工品評綜合實訓、肉類產品加工品評綜合實訓、果蔬產品加工品評綜合實訓、酸奶加工品評綜合實訓等。也可以依據食品質量安全專業特點要求，構建食品安全快檢實訓，這對學生專業知識的理解掌握能力要求較高。還可以虛擬工廠形式整體展示和部分重點展示食品生產、檢測企業的廠區設計平面、生產工藝路線、加工設備及設備具體工作原理、狀態等，將食品安全信息管理、食品研發、風險管理和車間管理及GMP良好生產作業規范和衛生標準操作程序、ISO質量標準等內容與虛擬仿真實訓相融合，在向學生展示、演示的同時，還可以進行仿真互動。

利用虛擬仿真技術構建實訓，不需要受實驗場地、實驗設備、實驗安全等外因限制，可以根據專業特點，多方面構建實訓內容，通過虛擬仿真實訓讓學生全面系統地掌握食品的生產和檢測的全過程，拓寬學生的知識面，強化學生的食品加工、安全檢測、質量評價等素質，提升學生的綜合知識運用能力，為學生就業打下良好基礎。

(3)創新設計虛擬仿真模塊建設

在專業理論知識、實驗和實訓基礎上，進一步加強學生的綜合運用和創新能力，可以設置食品專業的創新設計虛擬仿真模塊。學生可以在虛擬仿真系統里模擬大學生創新創業競賽、“互聯網+”項目、挑戰杯比賽、大學生生命競賽等活動操作，同時可以將老師成功典型的科研項目作為系統資源，讓學生利用方針系統模擬參與科研項目，一方面可以鍛煉提升學生的設計動手能力，另一方面也可以拓寬學生的思維，激發學生創新創業意識，對提升教師的教學效果也是非常有效的。

2.虛擬仿真技術在食品質量與安全專業實踐教學應用的優勢

(1)提升學生學習興趣，激發學生創新意識

將現代信息技術融入食品專業實驗實訓教學各環節，使實驗實訓不再局限于教室，不在受各種條件限制，每個學生都可以上手模擬，每個學生都可以自主設置模擬條件、模擬參數，依據自身設置得到自己的實驗數據、實驗結果，隨時隨地進行網絡學習操作，趣味性增強[9-10]，既提升學生的實驗實訓學習興趣和熱情，又可以激發學生的創新思維，開拓視野。

(2)深入直觀地演示實驗實訓操作，進行人機互動

虛擬仿真教學不光是對學生學習提出了更高要求，要求每一個學生都必須在模擬平臺提前預習、主動操作、課后復習、完成作業，理解掌握理論知識，在實驗進行時，每一個學生都需要親自動手操作，進行人機互動，每個學生得到不同的實驗數據，避免個別同學偷懶抄襲實驗結果；同時也對任課教師提出了高要求，教師是實現信息化教學的關鍵，因此要求教師能夠提前參加虛擬仿真系統平臺學習，熟悉系統操作，同時也要求老師要能夠將課程知識系統整體貫穿、系統梳理。

實驗結束，要求教師能夠依托云計算、大數據等現代信息技術，分析學生的實驗實訓數據，可以為教師提供教學效果評價模型，智能跟蹤學生的學習效果，及時發現學生學習中的短板，幫助教師及時調整解決學生實驗實訓學習中的問題[11]。

(3)全面模擬各類實驗實訓內容

各高校食品專業由于受實驗場地、實驗實訓經費等的限制，不能配備所有先進儀器設備和實驗場地，或者某些實驗實訓受到原材料、實驗項目安全性限制等，導致某些實驗實訓教學無法開展或者由于教學資源配置不足，導致學生動手機會少的問題[9,12]，因此，建立虛擬仿真實驗室，通過仿真軟件，讓學生達到與實地實驗操作儀器設備相似的效果[7-8]。通過虛擬仿真技術在食品專業教學實驗實訓中的應用，可以全面模擬各類項目，讓學生提前熟悉工廠實際情況，為后續實習就業打下良好基礎；同時可以在實驗過程中不斷調整軟件設計，完善實驗仿真系統，使之與食品專業學生就業所需項目更加貼合；還可以與校內其他學科專業相結合，開發更多更前沿的實驗實訓項目，讓學生得到更多鍛煉機會。

3.結束語

現代信息技術引入各大高校理論和實驗實訓教學中已成為不可阻擋的教育改革趨勢，要求教育工作者轉變教育觀念，提高教育質量，這對于培養創新型人才具有深遠意義。而如何合理并科學的利用現代信息技術對食品專業理論和實踐性教學進行創新變革，也是我們食品專業教師應該思考和探索的問題。

虛擬仿真技術具有跨學科、跨年級等優勢，可以將多學科多專業領域的知識匯聚在一起，推動學生知識面的擴展。虛擬仿真實驗實訓教學作為先進的教學手段，具有利用率高、易維護、實驗生動形象、直觀逼真等特點，在讓學生模擬真實操作的同時，還可以節約實驗實訓成本，提高實驗的安全性和趣味性。虛擬仿真技術雖然對教學改進有很多好處，但虛擬仿真實驗室的建設需要大量物力和財力的投入，因此通過加強校企及校際間的共建共享機制，既可以達到促進教育資源公平、相互學習的目的，也能避免教學資源的浪費，增強和促進校際和校企的交流，課程的整合等[13]。

未來的高校教育，一定是更加開放、創新、共享、可持續的教育，對教育工作者提出了更高要求，要不斷更新教學理念，提高教學素養，順應現代教育發展潮流，使食品專業實踐性教學模式更加多樣化，相信隨著虛擬實驗技術的成熟和人們對虛擬仿真實驗室應用價值的了解，國內高校虛擬仿真實驗室的建設將成為一種發展趨勢。