“互联网+”背景下虚拟仿真技术在“乳品分析与检验”实验教学模式中的应用

于 洁

（内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室农业农村部奶制品加工重点实验室内蒙古自治区乳品生物技术与工程重点实验室，内蒙古呼和浩特 010018）

1 虚拟仿真技术概述

1.1 虚拟仿真技术在教学中的应用

“互联网+”技术的发展迅速，已经逐渐深入到社会发展的各个方面，为了进一步促进互联网技术与传统行业的深度融合，我国教育进入了“互联网+”的时代[1]，“互联网+教育”是一种借助互联网技术的新教学方式，能够对传统的教学模式进行有益的改善，不仅拓宽了学生获取知识的渠道，建立起更加数据化、个性化、社会化和移动化的学习模式，而且突破了时间和空间的限制，使得教学资源、学习门槛、课程设置都走向开放。

随着“互联网+”时代的进步，信息技术的发展逐步成熟，虚拟仿真技术在高校课程教学中展现出了独特优势。最初，虚拟仿真技术多数被应用于军事、企业、学术实验室中，因其成本不断降低，逐步被应用在教育领域。教育部于2013 年8 月决定开展建设国家级虚拟仿真实验教学中心的工作，充分体现了高校实践教学体系迫切需要虚拟仿真教学的辅助。目前，虚拟仿真技术被广泛地应用在许多高校的实验课程中，利用计算机及网络构建起虚拟的实验操作环境，课程内容在虚拟仿真实验平台的教学方式下变得更加具体、直观，教学方式更加生动通俗，大大提升了教学效率和教学质量，且有益于促进教学中实验与理论知识的平衡。

1.2 国内外虚拟仿真教学的发展

科学技术日新月异，为了使教育教学紧跟信息化时代的步伐，使信息化技术与教育教学深度融合，建立知识获取、传授的新方式，2018 年，国家教育部发布了关于开展虚拟仿真实验教学项目工作的通知，社会各界都积极地响应与支持，迎来了国内高校创新、利用虚拟仿真教学方式的新风潮[2]。中国农业大学、中国科技大学、山东农业大学等高校建立开发了较为完善的虚拟仿真体系及平台。2019 年，临床医学、机械、化工等23 个学科领域所采用的国家虚拟仿真实验项目都得到了认可，在高校教育中产生了不错的反响，发展并且拓展了实验教学的深度及广度。

国外对于虚拟仿真教学的研究要早于我国，并且应用更为广泛。近年来，国外许多高校积极构建更加有效的线上学习平台、工具及环境。同时，为解决网络课程和线上教学缺少实验项目、高校学生实践能力普遍偏差的问题，美国斯坦福大学、美国科罗拉多大学、麻省理工学院、英国开放大学、哥伦比亚大学等国外著名高校，在一些网络课程中添加了以虚拟实验室为教学手段的实践教学内容[3]。尽管国内的虚拟仿真教学起步较晚，但其发展非常快速。目前，国内与国外虚拟仿真教学虽在技术方面已相差不大，但在普及应用上与国外相比有着有较大的差距。

2 “乳品分析与检验”课程传统实验教学的现状及存在的问题

近年来，食品安全受到广泛关注，该问题在乳品行业中经常发生，国内三聚氰胺事件、安徽阜阳的大头娃娃事件、婴幼儿奶粉汞超标等事件接连发生，国外进口奶粉的质量安全也总是问题不断。国家在不断加强食品安全监管制度，企业在此方面也投入大量资金，引进先进的技术和设备，加大精准的检验仪器的投入，给乳品工程专业的学生提供了很多实践机会，就业前景可观。为适应社会对乳品类专业人才的需求，学校针对乳品工程专业的本科生开设了“乳品分析与检测”课程，该课程是一门集研究和评定乳制品品质、保障乳制品安全等相关知识的技术型应用学科[4]。

“乳品分析与检测”课程是高等院校乳品专业的核心课程，主要介绍乳品质量检验与品质控制的最新方法、技术和相关理论，重点是运用乳品质量检验技术的基本理论及大型分析仪器对乳品工业生产中的营养元素和有害物质进行定量检测，课程涉及许多实验项目，内容丰富、研究范围广，要求学生具有较高的实践能力、应用能力。课程的教学效果对学生的知识结构、专业知识和技能掌握等方面有着深远影响。传统开设的“乳品分析与检测”实验内容主要以验证性实验为主，内容局限在既定的教材框架中，实验方法和操作步骤均遵循“实验指导书”，导致学生在实验训练中缺少主观能动性，阻碍学生在实验中构建科学思维，不利于学生实践能力的培养。在传统实验教学中，学生在规定的地点、有限的时间内进行实验，按照实验指导书所指定的操作流程进行实验，大大限制了学生的创新能力[5]。提高乳品专业学生的专业素养、实践能力已迫在眉睫，对现有的“乳品分析与检测”实验教学模式进行改革已势在必行。

将“互联网+”虚拟仿真技术与“乳品分析与检测”实验课程相结合，开发液相色谱仿真实验平台，再现液相色谱仪实验室环境和实验操作过程，并对数据进行分析和讨论，得出仿真结果。虚拟仿真平台高的构建有效地加大教育装备力量，弥补液相色谱仪和质谱仪等大型仪器设备的严重不足，同时可保证每个学生都作为实验人员参与其中，提高了实验的挑战性和难度，使每个学生都主动思考、积极实践，增强了学生学习的主动性和创新性，造就符合时代背景的创新型专业人才。

2.1 传统实验教学存在的问题

学习课程理论知识体系需要通过实验教学的方式加以实践、验证和补充。实验教学增强学生动手能力的同时可以给学生提供自主思考的机会，还可以激发学生的创新能力、唤起学生对课程的兴趣，做到理论与实践的紧密结合。随着科学技术的发展，普通的理论教学方式已不足以提升学生的学习兴趣。同时在实际教学过程中，基础理论抽象难懂、实验所需的仪器设备结构复杂、教学条件不够完善等问题难以解决，导致学生理解不够到位，实验经验欠缺，动手能力不足，独立思考的能力受到限制。与将学生培养成为高素质应用型人才的目标还有一定距离。

2.2 缺少实验仪器

“乳品分析与检验”是一门与实验密切结合的学科，实验项目繁多。完成实验不仅需要多种仪器、设备的支持，还需要大量的时间、空间及精力。多种因素限制下，学生难以掌握实验技术。随着科学技术的发展，一些用人单位相继购置了一些高精尖设备和精密仪器并投入使用。对于大多数高校而言，场地、经费不足，而这些设备的价格昂贵、占用空间大、需要定期支付高昂的维护费，因此缺乏购置这些仪器的条件，导致实验项目无法顺利进行。除此之外，一些仪器虽已在高校中投入使用，但由于结构复杂、难以拆卸，大大浪费了学生为数不多的实验时间，教师枯燥无力的讲解也无法使学生充分掌握实验技能[6]。

2.3 教学条件的制约

随着各高校招生规模的不断扩大，教学资源对于每一位学生来说变得更加有限。实验材料投入不充分，实验场地拥挤，因此指导实验的教师通常会将学生分组进行实验。一般每个小组中有5～6 名学生，分工合作，相互协助完成实验项目。在实验过程中，动手能力强、积极主动的学生完成工作较多，但另一部分学生缺少主动性和动手能力，参与完成的实验内容较少，甚至有的学生没有动手参与实验的机会。对于大型仪器，高校购置并投入的数量少，让每个学生都能够参与到大型仪器的实验中难上加难，通常只能通过演示实验的方式对学生进行分组讲解。在演示实验的过程中，大型仪器的结构组成及功能更为复杂精密、演示时间有限，教师只能抓紧时间为每一组的学生一遍又一遍笼统地讲解，学生很难理解抽象的讲解。演示实验进行的场所一般都存放大型仪器，空间狭小，有些学生不能看到完整的讲解过程，各类因素共同阻碍学生充分理解实验过程。

2.4 实验单一，学时不足

大多数高校的实验课都是指导教师事先选好实验项目，确定实验方法，制定实验方案，然后确定实验步骤。由于学生实验学时不足、缺少实践经验、学校实验材料有限，为节省时间和实验药品，实验过程中所用的试剂需要实验技术人员提前配制，实验仪器也需要提前调试，大大减少了学生动手的机会[7]。在上实验课的过程中，指导教师先给学生讲述实验原理，再解说实验步骤，学生利用剩余的时间，按照教师给出的实验步骤按部就班地完成实验。在整个教学过程中，学生很少积极地独立分析和思考每一个实验步骤的作用，很少考虑药品的添加顺序及剂量，在实验结果与理论结果不一致时，也很少主动思考导致实验出现误差的原因。学生在实验教学过程中，独立思考的能力没有得到锻炼，自主创新的能力也没有被激发。

2.5 设备精密复杂、抽象难懂

“乳品分析与检测”中有许多实验项目，某些需要的实验设备结构精密复杂，分析不同样品时可调参数众多，即使指导教师当场进行实验演示，对设备运行原理进行解释说明，学生也很难理解设备内部的结构和运转机理。在教师讲解的过程中，需要学生充分发挥抽象思维、构想设备内部结构、紧跟教师讲解思路才能加深对仪器工作原理的理解[8]。

3 虚拟仿真技术在乳品分析与检测实验教学的应用

“乳品分析与检测”实验课程中乳品添加剂、兽药残留、农药残留和生物毒素等物质的检测，均可采用高效液相色谱技术进行精准的测定，通常色谱类仪器价格昂贵，多数高校存在台套数不足的情况，且实验过程繁琐复杂，涉及样品前处理、仪器参数设置、仪器操作等方面，因此不能保证学生能够亲自动手操作，导致学生不能更好地掌握这类知识，就更需要采用虚拟仿真技术来提升学习效果。因此，将虚拟仿真技术与“乳品分析与检测”实践教学相结合，开发虚拟仿真实验平台，真实再现液相色谱仪等实验室环境和实验操作过程，让学生通过对模拟设备进行操作，实现知识与实践的高效结合，增强学生的实验技能[9]。

3.1 基础知识教育虚拟仿真

首先，对于基本的理论知识教育，通过三维动画的形式清晰地展现液相色谱仪的工作原理、实验内容、操作流程、理论知识、注意事项等进行具体的讲解。例如，高效液相色谱的主要构造由进样系统、高压输液系统、检测器系统及色谱柱系统等组成[10]，都会以三维动画的形式呈现出来，学生可以更直观地理解仪器的构造及其作用。包括抽象难懂的实验原理，也可以通过极具趣味性的讲解和动画更加生动清晰地传达给学生。基础知识教育部分主要以演示为主，为加强学生对知识点的掌握，要建立关于高效液相色谱的知识点题库，学生可通过反复的练习不断巩固，将知识点注意事项等熟练掌握，以达到牢记于心的目的。

3.2 虚拟仿真实验学习系统

实验学习系统是在学习了基础知识教育的基础上，学生掌握了实验的原理、目的、操作流程、数据处理等，然后进行实验的虚拟操作训练。首先，在训练初期针对一些重点操作有一定的操作提示，在操作过程中从有提示到无提示逐渐过渡，加深对于实验操作的认知，更加熟练地完成实验项目。学生可以利用虚拟仿真系统按实验需求配置任意浓度的标样，根据实际情况完成单标、混标配样，也可以对流速、波长、色谱柱温度等众多参数进行调节，达到实验所需标样的条件[11]。通过一系列色谱仪操作后得出数据、绘制色谱曲线，学生对数据进行处理分析完成实验报告。虚拟实验训练结束后，学生可以选择继续练习也可以通过测试系统进行测试，学生可根据答题情况了解自己的薄弱环节，教师也可以通过后台掌握学生的学习情况和学习进度，了解学习过程中的难点。

3.3 虚拟仿真教学效果评价

教学效果是评价虚拟仿真教学模式的重要依据，在实验教学过程中，不仅要重视其过程性评价而且要注重其终结性评价，建立以人为本的多元化教学评价机制[12]。传统的考核中，实验理论部分可通过试卷的形式进行考核，对于实验操作技能需要使用实验仪器完成考核，不仅花费大量的时间、耗费实验材料、占用实验场地，而且增加了教师的工作量。首先对于基础知识部分，学生需要在课前提前预习完成，通过学生观看视频的时长，是否完成相关学习任务进行评分。实验测试模块考核贯穿全程，在操作过程中对错误操作进行警告，根据操作的错误严重程度扣分。实验操作结束后，在实验报告中对所得数据进行处理分析[13]。教师通过实验报告对学生的数据进行打分。以上3 个部分形成学生该课程的过程性考核成绩，最后再与期末考试成绩相结合，得到最终成绩。

4 结语

虚拟仿真教学辅助传统实验教学是当今实验教学的趋势。高相液相色谱仪是结构复杂的分析仪器，是乳制品中三聚氰胺等有害物质测定的关键技术。利用虚拟仿真技术建立液相色谱仪的虚拟实验室，在课堂上，虚拟实验室可以更加生动详细地展示液相色谱仪各部分构造，以及操作要点，学生更容易理解课堂内容，对仪器更加了解。课后，学生可以借助虚拟实验室反复练习达到熟练掌握液相色谱仪的各项规范操作，巩固知识点。虚拟仿真实验室可以弥补实验仪器的不足并提升实验效率，学生和教师都应转变思想，适应虚拟仿真教学的新模式。