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【摘要】食品微生物學(xué)實驗是培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力培訓(xùn)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，但是傳統(tǒng)的食品微生物實驗存在實驗教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)手段單一、課時利用率不高等局限。文章分析傳統(tǒng)食品微生物實驗教學(xué)的局限，探討現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)在食品微生物學(xué)實驗教學(xué)中的意義及不足，為食品微生物學(xué)的虛擬實驗仿真技術(shù)的開發(fā)提供參考。

【關(guān)鍵詞】食品微生物學(xué)；實驗教學(xué)；虛擬仿真

食品微生物學(xué)是食品類專業(yè)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強的實踐性，對培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力、獨立思考能力及綜合解決問題能力有著舉足輕重的作用。在目前的高校食品微生物學(xué)課程建設(shè)中，重視實驗教學(xué)、實驗比重大是其教學(xué)的一個特點。但如何高效運用實驗教學(xué)，提升大學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)，成為了亟待解決的研究課題。虛擬仿真技術(shù)是以計算機軟件和硬件技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合三維計算機圖形技術(shù)，廣角立體顯示技術(shù)，對觀察者頭、眼、手的跟蹤以及信息反饋互動，形成集圖像、動畫、聲音為一體的虛擬現(xiàn)實世界的技術(shù)[1-2]。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及，虛擬仿真技術(shù)越來越商業(yè)和普遍化，逐漸運用到很多領(lǐng)域[3]。其中，將虛擬仿真技術(shù)運用到傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，是實驗教學(xué)改革的一項重要內(nèi)容。利用虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)，可以幫助學(xué)生在開放、自主、快速的虛擬實驗環(huán)境中，體驗到高效、安全且經(jīng)濟的實驗操作過程[4]。對于實驗周期長、操作準(zhǔn)備復(fù)雜或?qū)嶒灠踩噪y以滿足的食品微生物實驗教學(xué)項目來說，虛擬仿真實驗教學(xué)可克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，利用現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢，提高實驗教學(xué)的效率。

1食品微生物實驗教學(xué)主要存在的問題

從我校近幾年食品微生物學(xué)實驗課程的開設(shè)及執(zhí)行情況來看，通過不斷的教學(xué)總結(jié)和反思，食品微生物實驗教學(xué)主要存在以下問題：

1.1實驗教學(xué)內(nèi)容單一。食品微生物學(xué)作為一門實踐性學(xué)科，更加強調(diào)的知識的應(yīng)用而非記憶。在我校，食品微生物學(xué)實驗課時比例占總學(xué)時的50%（理論學(xué)時和實驗學(xué)時各32學(xué)時），實驗課時的設(shè)置比例非常高[5]。從目前實驗課的開課內(nèi)容來看，主要借鑒其他農(nóng)林和工科院校的開課經(jīng)驗，在符合我校和我院的基本情況的基礎(chǔ)上，選擇了幾個基礎(chǔ)實驗開設(shè)，如培養(yǎng)基的配置、革蘭氏染色、菌落總數(shù)的測定、大腸菌群的測定及微生物細(xì)胞計數(shù)方法等基礎(chǔ)操作實驗內(nèi)容。但是，對于食品科學(xué)專業(yè)學(xué)生而言，一些關(guān)于微生物在食品生產(chǎn)上的應(yīng)用類的實驗很難開設(shè)（如利用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)酒類；微生物在傳統(tǒng)食品，如豆瓣醬、腐乳、醋、發(fā)酵火腿等生產(chǎn)中的應(yīng)用；工業(yè)生產(chǎn)上微生物的在線控制；食品致病菌的檢測）。再者，因食品微生物實驗耗時較長，操作易污染，失敗率較高等原因，限制了食品微生物綜合性和探究性實驗的開展。實踐應(yīng)用是食品微生物學(xué)作為一門應(yīng)用學(xué)科區(qū)別于基礎(chǔ)微生物學(xué)的最本質(zhì)的特征，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置在注重實踐能力培養(yǎng)方面顯然存在不足。這一情況在其他院校，特別是工科基礎(chǔ)相對薄弱的醫(yī)學(xué)院校的食品微生物學(xué)實驗的開課過程中非常普遍。

1.2實驗教學(xué)手段單一。目前，傳統(tǒng)的食品微生物學(xué)的實驗教學(xué)的教學(xué)方式在激發(fā)學(xué)生興趣方面，也有不足。實驗內(nèi)容的開設(shè)多以基礎(chǔ)驗證性為主，絕大多數(shù)學(xué)生對老師的講解及實驗指導(dǎo)書非常依賴，只會嚴(yán)格按照實驗指導(dǎo)書的步驟一一操作，實驗報告的撰寫也是千篇一律，不會主動分析實驗結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因，不能深刻理解實驗的目的與意義。有的學(xué)生甚至利用實驗時間，不認(rèn)真做實驗，悄悄完成實驗報告，實驗結(jié)果完全依靠理論知識來簡單推理，而不是客觀真實地反應(yīng)實驗現(xiàn)象[6]。這類實驗課程的開設(shè)，對提高學(xué)生的實驗操作能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不利，亦會造成實驗資源的巨大浪費。

1.3實驗課時利用率不高。食品微生物學(xué)實驗和其他學(xué)科實驗，如化學(xué)分析實驗相比，因涉及到微生物細(xì)胞的培養(yǎng)，耗時非常長。而且操作繁瑣，實驗結(jié)果對環(huán)境和操作質(zhì)量的依賴程度很高，這大大提高了食品微生物學(xué)實驗的開課難度。因此在有限的實驗學(xué)時內(nèi)，很難安排更多的實驗教學(xué)內(nèi)容，如果實驗失敗，難以做到重復(fù)實驗，這在一定程度上會降低學(xué)生對科學(xué)實驗探究的熱情。

2虛擬仿真技術(shù)在食品微生物實驗教學(xué)中應(yīng)用的意義

2.1適應(yīng)當(dāng)前實驗條件不足的需要。由于我校是一所醫(yī)學(xué)院校，工科基礎(chǔ)薄弱，且受到實驗室場地的限制，食品加工的工藝設(shè)備不足，還未建設(shè)一條完整的食品加工工藝學(xué)生產(chǎn)線，特別是發(fā)酵工藝設(shè)備尤其缺乏，與食品微生物學(xué)密切相關(guān)的發(fā)酵工程類實驗只能選擇停開。和購置昂貴的發(fā)酵工藝設(shè)備相比，虛擬仿真技術(shù)更容易實現(xiàn)更新，成本更低，時效性更好，能實現(xiàn)“一人一機”，每個學(xué)生均有上機實踐操作的機會，適應(yīng)了教育信息化的趨勢，在當(dāng)前的實驗條件下能很好地解決這一問題。

2.2可幫助學(xué)生更直觀地理解實驗原理。在現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的設(shè)計，能夠打破時間、空間、距離等的限制，為學(xué)生提供一個模擬、設(shè)計及分析實驗的平臺，模擬真實的實驗環(huán)境，不僅讓學(xué)生有身臨其境的直觀感受，在實驗內(nèi)容的設(shè)計上，還能幫助老師設(shè)計更加全面多層次的實驗。比如在講到微生物在食品生產(chǎn)中的具體應(yīng)用時，對于沒有接觸過實際生產(chǎn)設(shè)備的學(xué)生，很難直觀得獲得知識。利用虛擬仿真技術(shù)可以將大型化、復(fù)雜化、自動化水平都較高的生產(chǎn)裝置形象地展示在學(xué)生面前，學(xué)生能更直觀地理解儀器加工的原理，在此基礎(chǔ)上更好地理解微生物在食品加工過程中的利用原理和意義。

2.3可大大豐富實驗教學(xué)內(nèi)容。因傳統(tǒng)食品工藝實驗依賴實驗儀器設(shè)備的程度高，且實驗教學(xué)中因生物危害的原因，很多實驗無法開展：如引起食物中毒或人畜共患病的致病微生物的檢測等實驗內(nèi)容。利用虛擬仿真技術(shù)低污染、高安全且基本上不會產(chǎn)生“三廢”的優(yōu)點，可以引入更多學(xué)生感興趣但是因操作風(fēng)險高以往未開設(shè)的實驗內(nèi)容。

2.4可實現(xiàn)不同專業(yè)的特色化教學(xué)。食品微生物學(xué)在食品質(zhì)量與安全和食品衛(wèi)生與營養(yǎng)專業(yè)的學(xué)生中均有開設(shè)，以往因?qū)嶒瀳龅赜邢蕖嶒灲梯o人員不足，兩個專業(yè)的學(xué)生開設(shè)的實驗沒有適合專業(yè)特色的特色化差異。利用虛擬仿真技術(shù)可以比較輕松地實現(xiàn)“因材施教”。比如食品質(zhì)量與安全屬于工科專業(yè)，在實驗教學(xué)中可引入更多的食品加工場景和工藝設(shè)計實驗；食品衛(wèi)生與營養(yǎng)學(xué)屬于理學(xué)專業(yè)，更加注重微生物與營養(yǎng)健康的關(guān)系，在實驗教學(xué)中可設(shè)計引入更多的實驗教學(xué)，如導(dǎo)致食物中毒的食品微生物的控制等。

2.5可大大提高實驗教學(xué)的效率。食品微生物學(xué)實驗不僅會用到一些昂貴的生化試劑，耗時長也是影響實驗正常開展的一大難點。虛擬仿真實驗不受時間、空間的限制，學(xué)生可以通過校園網(wǎng)，全天候無限制訪問，反復(fù)練習(xí)，隨到隨學(xué)，自主安排，具有更大的靈活性，提高實驗教學(xué)效率。此外，學(xué)生利用虛擬仿真系統(tǒng)，可以輕松地完成課前自學(xué)，教師亦可利用這一教學(xué)平臺，完成翻轉(zhuǎn)課堂的理論教學(xué)改革。

2.6可更好地培養(yǎng)實踐性、創(chuàng)新性人才。虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)能更好地配合老師解剖實驗教學(xué)過程的知識點，老師能靈活地設(shè)計實驗教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在理解知識點的基礎(chǔ)上，合理思考，正確操作。此外，虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)還通過實驗參數(shù)、實驗樣品、實驗對象等參數(shù)的隨機調(diào)整，評定學(xué)生對實驗知識和操作技能的掌握程度，教師可根據(jù)教學(xué)目的調(diào)整實驗難度，既能滿足日常教學(xué)的需要，也能作為學(xué)生實驗成績評定的一個工具。利用虛擬仿真平臺，可方便教師組織各類型實驗，如創(chuàng)新拓展實驗、綜合設(shè)計性實驗、開放實驗及實驗技能大賽等，實現(xiàn)實踐性和創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。同時，依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以最大限度地實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的共享，對線上教學(xué)、線上線下混合式教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)的開展有非常重要的幫助。

3結(jié)語

在食品微生物學(xué)實驗教學(xué)過程中，開展虛擬仿真實驗教學(xué)，可通過現(xiàn)代的人機交互、數(shù)據(jù)庫及各種網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)應(yīng)用[7]，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境、優(yōu)化實驗內(nèi)容、創(chuàng)新實驗方法及實驗設(shè)備，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實際操作能力、創(chuàng)新性能力的要求，是現(xiàn)代信息技術(shù)支持下，教學(xué)方法的一種重要創(chuàng)新。在發(fā)達(dá)國家中，虛擬仿真實驗技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟[8]，但我國的虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)起步是從2013年教育部高等教育司根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》內(nèi)容，提出開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作后才開始啟動的，起步相對較晚。但是虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)因其獨特的優(yōu)勢，發(fā)展越來越迅速，已成為現(xiàn)代實驗教學(xué)改革探索的一個重要的方向。目前陸續(xù)有一些關(guān)于食品專業(yè)虛擬仿真技術(shù)在各個食品專業(yè)學(xué)科的應(yīng)用的探究的一些文章發(fā)表，如虛擬仿真技術(shù)在食品物性中的實驗實踐教學(xué)[9]、在食品加工技術(shù)中的教學(xué)[10]、在食品理化檢測技術(shù)中的應(yīng)用研究[11]等相關(guān)的教學(xué)改革，但國內(nèi)外開發(fā)的虛擬仿真實驗技術(shù)平臺仍存在一些問題，諸如功能單一、界面不友好，平臺不穩(wěn)定等，離讓學(xué)生身臨其境般地、高效地完成實驗的教學(xué)目標(biāo)還有一段距離。因此，真正能應(yīng)用到實際教學(xué)中的食品類的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺并不多。在當(dāng)前信息化技術(shù)廣泛應(yīng)用到實驗教學(xué)中的大潮流背景下，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用與實驗教學(xué)，可解決傳統(tǒng)實驗操作方法單一、形式固定化、實驗課學(xué)時不夠、設(shè)備維護(hù)、開放程度不高、設(shè)備復(fù)雜且費用高、綜合性和創(chuàng)造性實驗受到種種條件的制約而較難實施的弊端，但是如何完善實驗內(nèi)容的設(shè)計，操作軟件的開發(fā)，實驗平臺的建設(shè)，讓虛擬仿真技術(shù)真正應(yīng)用到實際教學(xué)，為食品科學(xué)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)提供新路徑，還需要各方面的通力合作，協(xié)同努力。

作者:蔣麗施 陳艷 王娟 康晉梅 張穎 孟曉 單位:成都中醫(yī)藥大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院