虛擬實(shí)驗(yàn)室在食品理化檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的可行性探討

劉雨果+戴娟秀+翟璐+楊慧

（廣東醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院，廣東 東莞 523808）

摘要：本文以提高食品理化檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，闡述了構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性和可行性，旨在利用虛擬實(shí)驗(yàn)室對食品理化檢驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革創(chuàng)新。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立有助于將抽象的實(shí)驗(yàn)原理具體化、形象化，并可以擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和操作技能。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；食品理化檢驗(yàn)；預(yù)防醫(yī)學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）13-0275-02

食品理化檢驗(yàn)是研究各類食品組成成分的檢測方法及其理論，進(jìn)而評定食品品質(zhì)的一門實(shí)踐性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的技術(shù)性學(xué)科，是食品質(zhì)量與安全專業(yè)和衛(wèi)生檢驗(yàn)檢疫專業(yè)中的主要課程[1]。食品理化檢驗(yàn)涉及的交叉學(xué)科多，實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的儀器種類多，考慮到大型儀器操作復(fù)雜，更需要學(xué)生多動手操作的因素，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)踐的必要環(huán)節(jié)。近年來高校持續(xù)擴(kuò)招，資源投入與人才培養(yǎng)的問題是制約高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的瓶頸問題[2]。例如，與之配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件如師資隊(duì)伍、實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器的數(shù)量無法滿足學(xué)生數(shù)量激增的需求；并且由于高校教師數(shù)量的不足，在儀器設(shè)備維護(hù)和更新方面也不能完全做到早發(fā)現(xiàn)、早解決。基于計(jì)算機(jī)平臺建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室因具有自由度大、安全性高、靈活性強(qiáng)和節(jié)省資源等特點(diǎn)，因此受到高校越來越多的重視。學(xué)生可以不受實(shí)驗(yàn)場地和時間限制，既可以在虛擬實(shí)驗(yàn)臺上動手操作進(jìn)行課前預(yù)習(xí)；又可以作為開展正式實(shí)驗(yàn)前的情境模擬，這能有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，延長儀器的使用率，減低實(shí)驗(yàn)室消防安全等問題的發(fā)生風(fēng)險。因此，我們探究將虛擬實(shí)驗(yàn)室引入到食品理化檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，旨在進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵和特點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室（virtual laboratory）是基于虛擬原型技術(shù)而建立的網(wǎng)絡(luò)仿真模型，在校園網(wǎng)平臺上營造出模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對象以及實(shí)驗(yàn)資源等內(nèi)容[3]。其目的在于力求用計(jì)算機(jī)合成的人工環(huán)境代替現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)環(huán)境，為開設(shè)各種虛擬實(shí)驗(yàn)課程提供全新的教學(xué)環(huán)境。

虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立需要軟硬件結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)整個真實(shí)實(shí)驗(yàn)的所有功能。軟件平臺是整個虛擬實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)，它是基于B/S的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等軟件生成[4]。由于是建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，故學(xué)生可以不受實(shí)驗(yàn)場地和時間的限制，并根據(jù)自己的時間自主登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，模擬實(shí)驗(yàn)流程和自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備工作。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中有三種人員角色：實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師、學(xué)生和實(shí)驗(yàn)室管理員，他們分別具有不同的權(quán)限。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師可以在線對學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，包括布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、對學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的修改、實(shí)驗(yàn)心得的交流，以及實(shí)驗(yàn)后作業(yè)的批改。學(xué)生既可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺上自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)程序和步驟，也可以模擬大型儀器的操作，對儀器進(jìn)行配置、連接和調(diào)節(jié)，進(jìn)而熟悉實(shí)驗(yàn)流程。實(shí)驗(yàn)管理人員準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備、安排實(shí)驗(yàn)時間和內(nèi)容、發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和報告等[5]。

二、食品理化檢驗(yàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式的特點(diǎn)

食品理化檢驗(yàn)課程是以食品為樣品，采用諸多相關(guān)課程知識與技術(shù)進(jìn)行分析的一門應(yīng)用性課程。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以教師的講授為主，學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前是無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)儀器的操作。因此在實(shí)驗(yàn)課有限的時間里，學(xué)生既要熟悉并完成實(shí)驗(yàn)流程，又要熟練安全地操作新儀器，其教學(xué)效果往往不佳，會造成學(xué)生對過程的一知半解；并且由于儀器數(shù)量有限，很多學(xué)生都無法親自動手操作，長此以往會降低學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，不利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)優(yōu)勢

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更生動易懂。食品理化檢驗(yàn)這門課程主要是以分析化學(xué)、儀器分析、食品化學(xué)為基礎(chǔ)，采用限度地分離、濃縮、萃取等分析技術(shù)，講授食品營養(yǎng)成分和食品中有害物質(zhì)的檢驗(yàn)檢測原理和技術(shù)[6]。其特點(diǎn)是內(nèi)容多、涉及學(xué)科廣、技術(shù)性強(qiáng)且原理復(fù)雜，并且由于食品來源多樣且組成復(fù)雜，造成相關(guān)的檢驗(yàn)項(xiàng)目繁多。而虛擬實(shí)驗(yàn)室能把教學(xué)中抽象的概念、原理和過程等進(jìn)行直觀生動地演示，給學(xué)生營造“真實(shí)”的學(xué)習(xí)環(huán)境，并且學(xué)生會對通過互聯(lián)網(wǎng)的新型方式獲取知識更有興趣，這有利于學(xué)生更扎實(shí)地掌握實(shí)驗(yàn)原理和概念。另一方面，學(xué)生可以自由支配時間，在實(shí)踐中發(fā)揮自主創(chuàng)造性，發(fā)現(xiàn)問題能夠及時查閱資料或者在線與教師和同學(xué)交流，并修改設(shè)計(jì)方案。

2.彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的不足，避免各種風(fēng)險。近年來，高校招生的規(guī)模不斷擴(kuò)大，造成實(shí)驗(yàn)室超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)以及實(shí)驗(yàn)教師工作量的增大。因此，很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目雖然具有較好的理論意義，但因條件有限而不能開設(shè)實(shí)施[7]。如何在有限的實(shí)驗(yàn)室資源條件下提高教學(xué)質(zhì)量是高校關(guān)注的重點(diǎn)。如果將虛擬實(shí)驗(yàn)室引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)熟練了儀器操作，親自上機(jī)操作時可以有效利用儀器，減少儀器的維護(hù)費(fèi)用，極大地節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。另外，對于有毒、有放射性、易燃易爆的試劑，由于學(xué)生在虛擬操作時候已經(jīng)知曉如何規(guī)避，因此會減少實(shí)驗(yàn)中的隱患。

3.不受時間和空間的限制。鑒于食品理化檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的特殊性，要完整地完成某些實(shí)驗(yàn)一般需要1天時間。例如脂肪的測定，對樣品進(jìn)行處理比較耗時。如果通過虛擬實(shí)驗(yàn)的方式來開展，學(xué)生就不會受時間的限制，在上課前就可以獨(dú)立完成整個實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)課的上課效率。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在食品理化檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的建議

虛擬實(shí)驗(yàn)室有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法比擬的優(yōu)越性，如可重復(fù)操作、不受環(huán)境和時間限制、節(jié)約資源、安全性高等。在對我校2013級食品安全專業(yè)學(xué)生的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)同度達(dá)到87%以上。另外，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在促進(jìn)學(xué)生掌握知識、加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)興趣、增強(qiáng)動手操作、增強(qiáng)分析和解決問題能力方面優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)法。但是，虛擬實(shí)驗(yàn)室不能完全代替實(shí)際的動手實(shí)驗(yàn)操作，有些故障和突發(fā)情況只有在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景中才能發(fā)現(xiàn)。此外，學(xué)生對于虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作只是感性認(rèn)識，必須通過親身實(shí)踐才能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)技能。因此作者認(rèn)為應(yīng)該在食品理化檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，將虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有機(jī)融合，使二者發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，故提出以下建議：

1.提倡學(xué)科交叉。結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)室依賴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)，加強(qiáng)《食品理化檢驗(yàn)》與信息技術(shù)等學(xué)科之間的交流，使虛擬實(shí)驗(yàn)室更廣泛地應(yīng)用到各個學(xué)科領(lǐng)域。

2.合理安排虛擬實(shí)驗(yàn)室與實(shí)際實(shí)驗(yàn)兩者的教學(xué)比例。在《食品理化檢驗(yàn)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，對涉及到的大型儀器操作或耗時較長的實(shí)驗(yàn)，可側(cè)重虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣能夠節(jié)省傳統(tǒng)示教教學(xué)法的時間，提高效率。對較簡單的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，在課堂上以傳統(tǒng)教學(xué)法為主，可依托虛擬實(shí)驗(yàn)室的課后交流功能，讓學(xué)生多加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)交流和完成實(shí)驗(yàn)作業(yè)。總之應(yīng)根據(jù)教學(xué)大綱的實(shí)驗(yàn)要求，按照教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行優(yōu)化組合，以達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

3.有助于教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的多元化評價。以往教師主要根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中的表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報告的得分來完成實(shí)驗(yàn)評價，考慮到實(shí)際操作中學(xué)生人數(shù)多且時間有限，因此很難對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全方位、客觀的評價。引進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，教師可以跟蹤學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)情況，以及實(shí)驗(yàn)作業(yè)的完成情況和實(shí)驗(yàn)心得交流，多方位、全面、客觀地對學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評價。學(xué)生也可以登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室的交流模塊，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的交流，還可以在實(shí)驗(yàn)完成后分享對實(shí)驗(yàn)的心得體會。

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基金項(xiàng)目：廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室在預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用初探，項(xiàng)目編號（2015315）

作者簡介：劉雨果（1983-），女（漢族），河南開封人，實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向：預(yù)防醫(yī)學(xué)相關(guān)教學(xué)及科研。