淺析虛擬現實技術在《食品安全性評價》課程中的應用

◎ 陳鳳真，趙貴紅，李 霞，劉 建，康曉飛

（菏澤學院農業與生物工程學院，山東 菏澤 274015）

虛擬現實技術（VR）是集計算機技術、人機交互技術、人工智能技術等多種技術于一體的一種現代化技術，以計算機仿真技術為核心，使用數字化方式創造和模擬現實世界的虛擬環境，通過模擬人在現實世界中的感知交互行為，讓使用者可以利用特定設備在一定范圍內進行臨場環境感知和仿真交互操作的人機交互技術[1-2]。①虛擬現實技術是教育再次革新的推動劑，通過模仿現實世界的環境，結合學習者對現實世界的觸覺、視覺、聽覺，借助設備對虛擬環境中的物體進行交互體驗，可以使學習者獲得身臨其境的沉浸感。②虛擬現實技術可使課程理論學習內容更直觀生動，提高學習者技術知識的運用、操作技巧和理解能力。③虛擬現實技術可解決傳統實踐課程的成本高、不安全、實踐教學難等問題，提高實踐課程安全性，解決實踐教學資源普遍不足的現實問題，大大激發學生的學習興趣，提升人才培養質量。

《食品安全性評價》通過運用現代學理論，結合流行病學調查分析，闡明食品或食品中特定物質的毒性及其潛在危害，預測人體接觸后可能對人體健康產生影響的性質和強度，繼而提出食品安全風險和預防措施。總體來說，《食品安全性評價》是一門理論與實踐緊密結合的綜合交叉學科[3]，涵蓋分析化學、現代生物學、生物化學、病理學、藥理學、法學、遺傳學、環境學、免疫學、毒理學及流行病學等多門學科的理論知識，往往作為專業核心課程，用于食品領域人才的培養。菏澤學院牡丹學院食品科學與工程專業屬于工科專業，學生對生物化學、微生物學、分析化學、儀器分析課程具有一定的學習基礎，但對于生物學、病理學、環境學、管理學、動物解剖學、免疫學、流行病學等方面知之甚少，甚至是零基礎。同時，《食品安全性評價》理論知識抽象、深奧難懂，實驗受到儀器設備、安全、教學經費等影響，難以開展。采用虛擬現實技術，能夠解決教學過程中存在的這些問題。教育部在《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》（教高函〔2017〕4 號）中明確提出，要以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨，在日常教學活動中積極引入虛擬仿真實驗教學方式，提高教學實效[4]。因此，將虛擬現實技術應用到《食品安全性評價》課程中迫在眉睫。

1 影響《食品安全性評價》教學的制約因素

《食品安全性評價》作為許多高校食品院系的一門主干課程，包含內容多，如毒理學基礎知識、動物實驗基礎知識、毒理學試驗、危險性評估、4 大類食品（新資源食品、輻照食品、轉基因食品和保健食品）安全性評價、食品添加劑和食品工業用酶及食品包裝材料安全性評價。然而，受學時、經費和空間的影響，與其他學科相比，《食品安全性評價》發展較緩慢。

1.1 理論教學

（1）《食品安全性評價》是在食品毒理學基礎上發展起來的，教學內容多、難點多，且涉及學科多、深奧難懂，學生在學習過程中比較吃力，易產生厭煩情緒。

（2）在教學過程中，教師每年向學生灌輸同樣的理論知識，因知識抽象分散、理論性強，學生接受知識比較被動，因此，學生和教師的積極性都不高。

（3）因課時限制，授課教師為了按時完成教學任務，難以有效開展專題討論和拓展相應的內容，對部分內容甚至一語帶過。學生難以深入理解，教學質量不高，導致《食品安全性評價》理論教學缺乏活力，難以促進食品專業課程的發展。

1.2 實驗教學

《食品安全性評價》課程內容多，其中，毒理學內容占一大部分，實踐性和應用性均較強。實踐教學是培養高素質應用型人才的高效載體，可以為食品安全性評估和監控提供詳細和確鑿的理論依據。《食品安全性評價》實踐教學以動物實驗為主，因客觀條件限制，大部分實驗以觀看視頻或者模型為主進行學習，教學效果不突出。

實踐教學需要更多地滿足學生動手能力的要求，盡可能讓每個學生都有機會動手實踐。然而，由于課時設置少、師資力量薄弱、實驗室與儀器設備不足等現實原因，無法滿足該課程的要求和學生實踐效果，主要表現在以下方面。

（1）食品安全性課程實驗對象一般為實驗動物，需要一定的經費購買實驗動物，且要有符合養殖實驗動物的環境條件、專門飼養人員，因此，實驗成本高，且在操作過程中有一定的危險性。例如，在實驗動物的抓取或實驗操作過程中，操作人員可能被抓傷或咬傷；實驗結束后，實驗動物的處置易造成環境污染或引發道德倫理問題。

（2）實驗周期長，如保健食品的安全性評價需要幾個月甚至一兩年的時間；一些學生對動物有抵觸情緒，有可能會因為過度緊張以及恐懼失手將實驗體致死或傷殘，導致實驗失敗，對課程的教學產生阻礙，同時也會給學生帶來一定程度上的心理壓力，進而對學生的實驗效果產生不利影響。

（3）缺乏實驗設備，或學生因操作不當造成貴重精密儀器損壞；實驗成本較大，使實驗難以進行，教師多采用演示性實驗并進行實驗解說。

（4）動物實驗內容包括實驗設計、喂藥或注射、觀察動物狀態、解剖等，涉及方面廣，單純用實驗視頻進行講解，有的學生不能完全理解整個實驗的操作過程[5]，學生也會因實驗視頻的枯燥，無法集中注意力，實驗教學效果較差。

（5）動物實驗與人類疾病存在劑量、樣本數量及人群敏感性差異[6]，因此，動物實驗結果具有很大的不確定性。例如，實驗動物和人對外源化學物的反應敏感性不同，有時甚至存在質的差別。雖然在毒理學實驗中通常用2 種或2 種以上的動物，并盡可能選擇與人對毒物反應相似的動物，但要完全避免物種差異是不可能的。此外，實驗動物不涉及主觀感覺的毒效應，如疼痛、腹脹、疲乏、頭暈、眼花、耳鳴等，從而影響教學效果。

2 虛擬現實技術在《食品安全性評價》課程中應用的優勢

①采用虛擬現實技術，能夠創設一個更簡單易懂、條理化的教學環境，實時模擬理論知識的相關流程，將原來較為簡單的現場講解變得更加深入，從而構建一個完整的知識體系，使內容具有一定的系統性和理論深度，引導學生進行更深入的思考，增強學生對《食品安全性評價》知識點的理解，拓寬學生的知識視野，鍛煉學生對于專業知識的應用能力。②虛擬仿真技術能夠避免用真實的動物進行實驗，模擬實驗環境，不僅能夠使學生獲得動物實驗的基本操作技能，還能減輕學生的心理壓力，縮短實驗時間，減少實驗成本，提高安全性，避免貴重精密儀器損壞。此外，虛擬仿真技術能夠激發學生的學習興趣，提高學生創新實踐能力[7-8]。

2.1 有利于學生強化知識，全面理解問題

《食品安全性評價》課程內容多、難度大，對于掌握不熟練的實驗，學生可以重復觀看虛擬仿真教學系統的視頻，強化知識點，準確分析問題，減少實驗操作失誤。在傳統的教學過程中，當多名學生同時提出問題時，教師難以快速解答每個學生的問題。將虛擬現實技術應用到《食品安全性評價》課程中后，學生可以通過系統的師生溝通渠道發起提問，不受時間或地理位置的限制，后臺有多位教師同時解答，使學生更快速全面地理解問題。

2.2 拓寬學習范圍，沉浸式學習

將虛擬現實技術應用到《食品安全性評價》課程中，虛擬仿真教學系統可以拓寬學生的學習范圍，將相關知識條理化；通過動畫界面可以向學生展示動物實驗的真實環境，讓學生根據動畫提示逐步探索實驗操作步驟，加強學生的學習效果[9]。

2.3 有利于拓展實驗思路和設計實驗

虛擬現實技術可以條理化地展現《食品安全性評價》的實驗思路與實驗設計步驟，從而極大提高學生的學習興趣和主動性，有利于學生理解實驗步驟，使學生進一步鞏固實驗流程，加深他們對實驗步驟的理解與操作，為實際操作奠定基礎[10]。

3 結語

總之，虛擬現實技術能有效補充、延伸《食品安全性評價》理論課程，更為有效地開展實驗課程，提升學生學習效果，帶動食品類相關實踐實訓課程教學模式的創新，激發學生的學習興趣，提高教學質量。