工程與科研雙導(dǎo)向的“食品無損檢測(cè)技術(shù)”虛擬仿真教學(xué)研究

張 文，劉 超，張 迪，鄒小波

（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

食品檢測(cè)是保障食品安全的重要組成部分，準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)手段將有效控制食品安全問題的發(fā)生[1]。近年來，食品無損檢測(cè)技術(shù)異軍突起，涉及生命科學(xué)、信息科學(xué)和工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，利用檢測(cè)對(duì)象本身的光、聲、電、磁等特性，得到大量反映被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)外品質(zhì)安全的特性信息，具有檢測(cè)速度快、客觀準(zhǔn)確和操作方便等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前食品加工領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)很多高校的食品科學(xué)與工程專業(yè)和食品質(zhì)量與安全專業(yè)開設(shè)了“食品無損檢測(cè)技術(shù)”等專業(yè)課程，涉及到無損檢測(cè)的理論知識(shí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)[2]。但“食品無損檢測(cè)技術(shù)”涉及的理論和技術(shù)知識(shí)面極寬，屬多學(xué)科交叉領(lǐng)域，包括高光譜、超聲波、近紅外光譜、計(jì)算機(jī)視覺、核磁共振等檢測(cè)技術(shù)。很多學(xué)校無法開展實(shí)驗(yàn)：一是很多高校沒有相關(guān)裝備，導(dǎo)致無法實(shí)施；二是大多數(shù)實(shí)驗(yàn)裝備都是單臺(tái)套，教師只能進(jìn)行演示性實(shí)驗(yàn)，因此很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。有必要引入虛擬仿真教學(xué)手段，作為傳統(tǒng)教學(xué)方法的重要補(bǔ)充。

在“食品無損檢測(cè)技術(shù)”虛擬仿真教學(xué)中，學(xué)生通過學(xué)習(xí)食品無損檢測(cè)的技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)性能、參數(shù)選擇，掌握各種食品無損檢測(cè)技術(shù)的基本概念，理解食品無損檢測(cè)技術(shù)在食品智能化檢測(cè)、過程控制與評(píng)價(jià)中的支撐作用。在此過程中，因材施教，提升學(xué)生的工程實(shí)踐技能，培養(yǎng)獨(dú)立思考、解決實(shí)驗(yàn)問題的能力；進(jìn)一步優(yōu)化“工程與科研雙導(dǎo)向”的教學(xué)實(shí)施目標(biāo)。

1 虛擬仿真教學(xué)技術(shù)實(shí)踐

根據(jù)“食品無損檢測(cè)技術(shù)”課程教學(xué)要求和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開展虛擬仿真教學(xué)，重點(diǎn)了解無損檢測(cè)的原理及各部件組成，在此以超聲波成像無損檢測(cè)為例進(jìn)行闡述：通過檢測(cè)超聲波對(duì)試樣全面掃描，利用超聲波對(duì)組織結(jié)構(gòu)變化的敏感性，將試樣反射回波處理后獲取試樣內(nèi)部超聲圖像，進(jìn)行試樣內(nèi)部全面無損直觀的檢測(cè)；在仿真軟件中，功能部分包括工作站與超聲波激發(fā)參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)采集及分析軟件開啟，伺服開啟及儀器連接，探頭位置的調(diào)整及數(shù)據(jù)采集閥門的設(shè)定，探頭運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)終點(diǎn)的設(shè)置，超聲波數(shù)據(jù)采集及三軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置，樣品信息的采集、保存與分析等。

上述環(huán)境主要通過瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)（B/S 架構(gòu)） 和3D 仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)[3]。通過B/S 架構(gòu)，用戶訪問管理平臺(tái)，查看相關(guān)功能（軟件列表，課程列表）和統(tǒng)計(jì)信息（學(xué)習(xí)記錄，考試成績），并初始化3D仿真項(xiàng)目；隨后，采用B/S 架構(gòu)啟動(dòng)3D 仿真程序及其附屬程序，通過對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步、人機(jī)交互界面（數(shù)據(jù)庫、3D 虛擬實(shí)驗(yàn)室、工作站） 操作、智能評(píng)分和教師站管理。

2 教學(xué)實(shí)施方法設(shè)計(jì)

教學(xué)實(shí)施方法包括預(yù)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和正式教學(xué)。在預(yù)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊中，學(xué)生學(xué)習(xí)各種基于光聲電磁無損檢測(cè)技術(shù)的原理動(dòng)畫，了解高光譜、超聲波、近紅外光譜、計(jì)算機(jī)視覺、核磁共振等不同無損檢測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)組成、主要特點(diǎn)與適用場(chǎng)合。正式教學(xué)主要包括系統(tǒng)基本操作學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)處理2 個(gè)部分。以超聲波成像無損檢測(cè)為例，①要求學(xué)生了解聲波發(fā)射器、超聲波接收器、超聲波探頭、三維精密位移平臺(tái)、傳輸機(jī)構(gòu)及計(jì)算機(jī)軟硬件等部件的構(gòu)成及其相互關(guān)聯(lián)，根據(jù)具體的檢測(cè)目標(biāo)，選擇適合聲學(xué)參數(shù)實(shí)施檢測(cè)的篩選機(jī)制；針對(duì)超聲波檢測(cè)中的特有氣泡問題，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施環(huán)節(jié)中尋找有效解決方法。②超聲數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理、特征提取、模式識(shí)別等練習(xí)步驟，要求學(xué)生完成數(shù)據(jù)處理方案設(shè)計(jì)訓(xùn)練，獨(dú)立與聯(lián)合使用多方法獲取高維度數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象特性進(jìn)行判斷。

教學(xué)活動(dòng)在開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和共享平臺(tái)上運(yùn)行。教師利用該平臺(tái)在網(wǎng)上安排學(xué)生預(yù)習(xí)、指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告；學(xué)生利用該平臺(tái)在網(wǎng)上進(jìn)行選課、預(yù)習(xí)、自主測(cè)試、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、撰寫和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告；教學(xué)系統(tǒng)提供一體化的教學(xué)過程管理，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)之后，查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)資料，再進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 考核方法設(shè)計(jì)

針對(duì)復(fù)雜食品工程問題，要求學(xué)生能夠基于專業(yè)理論和實(shí)驗(yàn)技能，根據(jù)對(duì)象特征選擇合適的檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)可行檢測(cè)方案或檢測(cè)系統(tǒng)；能識(shí)別、量化和分析食品新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的開發(fā)應(yīng)用對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律和文化的潛在影響。這主要通過細(xì)化的考核要求實(shí)現(xiàn)：①預(yù)習(xí)考核：在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，學(xué)生應(yīng)針對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，在結(jié)合常規(guī)課堂教學(xué)和查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提供預(yù)習(xí)報(bào)告；教師對(duì)預(yù)習(xí)報(bào)告進(jìn)行考核。②認(rèn)知考核：在軟件初始界面，學(xué)生選擇對(duì)應(yīng)功能模塊進(jìn)入各功能環(huán)節(jié)，了解無損檢測(cè)基本原理、主要操作流程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果要素等知識(shí)；隨后，教師對(duì)學(xué)生的認(rèn)知情況進(jìn)行考核。③操作與數(shù)據(jù)處理考核：學(xué)生操作步驟應(yīng)正確、規(guī)范、熟練，實(shí)驗(yàn)態(tài)度端正；如超規(guī)定時(shí)間或出現(xiàn)錯(cuò)誤步驟則應(yīng)扣除一定得分；在數(shù)據(jù)處理過程中，應(yīng)熟練、正確依據(jù)無損檢測(cè)方法要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線校準(zhǔn)等數(shù)據(jù)處理。④實(shí)驗(yàn)心得與報(bào)告考核：完成實(shí)驗(yàn)后，在系統(tǒng)內(nèi)在線提交實(shí)驗(yàn)心得與報(bào)告；應(yīng)包括完整的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理、詳細(xì)正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析討論，以及在完成實(shí)驗(yàn)后的心得收獲等。

4 虛擬仿真教學(xué)實(shí)施效果與思考

“食品無損檢測(cè)技術(shù)”虛擬仿真教學(xué)主要面向食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全、生物技術(shù)專業(yè)本科三年級(jí)學(xué)生，同時(shí)面向食品工程等專業(yè)的碩士一年級(jí)研究生，也可以服務(wù)于其他大專院校師生、行業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)或繼續(xù)教育。軟件平臺(tái)開放3 年以來，通過食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全專業(yè)三年級(jí)本科生及食品無損檢測(cè)方向一年級(jí)研究生的實(shí)際訓(xùn)練，反響較好，達(dá)到了豐富實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果；學(xué)生對(duì)虛擬仿真教學(xué)積極性很高，總教學(xué)人數(shù)超過500 人。特別是在食品科學(xué)與工程專業(yè)本科生教學(xué)中，有效激發(fā)了學(xué)生的科學(xué)思維能力，有3 人在隨后的研究生階段獲得了國家獎(jiǎng)學(xué)金獎(jiǎng)勵(lì)；在食品質(zhì)量與安全專業(yè)本科生教學(xué)中，對(duì)工程能力培養(yǎng)呈現(xiàn)出較好的推動(dòng)作用，多人在本科畢業(yè)后入職國內(nèi)外食品行業(yè)知名企業(yè)，獲得了較好的職業(yè)發(fā)展。

上述成果可能得益于以下3 個(gè)方面：①“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)”，解決實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以開展的問題；食品無損檢測(cè)技術(shù)實(shí)踐教學(xué)需要價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)體實(shí)驗(yàn)周期長、效率低，無法在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中全面落實(shí)；通過虛擬仿真教學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以達(dá)到的教學(xué)效果，使學(xué)生在自主交互的虛擬環(huán)境中高效地完成實(shí)驗(yàn)。②增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性，激發(fā)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)興趣；把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增加交互場(chǎng)景設(shè)置，創(chuàng)設(shè)基于問題導(dǎo)向和食品檢測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，構(gòu)建基于真實(shí)情境、綜合實(shí)踐的教學(xué)環(huán)境；教師主導(dǎo)向?qū)W生自主轉(zhuǎn)變，灌輸式教學(xué)向啟發(fā)、互動(dòng)轉(zhuǎn)變，機(jī)械式教學(xué)向研究、探索和合作轉(zhuǎn)變。③實(shí)現(xiàn)“深度交互、理實(shí)融合”學(xué)習(xí)效果；通過采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中仿真模擬實(shí)際食品檢測(cè)的過程；培養(yǎng)學(xué)生自主完成綜合調(diào)查、分析測(cè)試、方案設(shè)計(jì)、編寫報(bào)告的能力，激勵(lì)觀察思考和發(fā)散創(chuàng)新。

5 結(jié)語

無損檢測(cè)方法是維系食品質(zhì)量與安全的重要保障之一。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，依據(jù)研究前沿的檢測(cè)技術(shù)、裝置與系統(tǒng)搭建模型，按實(shí)際檢測(cè)過程完成人機(jī)交互，能夠再現(xiàn)食品無損檢測(cè)的主要操作，使學(xué)生熟悉基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理和使用儀器，識(shí)別和了解復(fù)雜食品檢測(cè)問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此過程中，以工程認(rèn)證理念和新工科交叉創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，將無損檢測(cè)基本原理、實(shí)驗(yàn)方法學(xué)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)和傳感領(lǐng)域交叉學(xué)科相結(jié)合，可以切實(shí)有效地提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題和進(jìn)行科學(xué)研究的能力，實(shí)現(xiàn)工程與科研的雙導(dǎo)向教學(xué)目標(biāo)。