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【摘要】食品微生物學實驗是培養學生動手操作能力培訓的一門非常重要的專業基礎課，但是傳統的食品微生物實驗存在實驗教學內容及教學手段單一、課時利用率不高等局限。文章分析傳統食品微生物實驗教學的局限，探討現代虛擬仿真技術在食品微生物學實驗教學中的意義及不足，為食品微生物學的虛擬實驗仿真技術的開發提供參考。
【關鍵詞】食品微生物學；實驗教學；虛擬仿真
食品微生物學是食品類專業學科的專業基礎課，具有很強的實踐性，對培養學生動手操作能力、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課程建設中，重視實驗教學、實驗比重大是其教學的一個特點。但如何高效運用實驗教學，提升大學生創新能力和科學素質，成為了亟待解決的研究課題。虛擬仿真技術是以計算機軟件和硬件技術為基礎，綜合三維計算機圖形技術，廣角立體顯示技術，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實世界的技術[1-2]。近年來，隨著互聯網技術的發展與普及，虛擬仿真技術越來越商業和普遍化，逐漸運用到很多領域[3]。其中，將虛擬仿真技術運用到傳統實驗教學中，是實驗教學改革的一項重要內容。利用虛擬仿真實驗教學技術，可以幫助學生在開放、自主、快速的虛擬實驗環境中，體驗到高效、安全且經濟的實驗操作過程[4]。對于實驗周期長、操作準備復雜或實驗安全性難以滿足的食品微生物實驗教學項目來說，虛擬仿真實驗教學可克服傳統實驗教學的不足，利用現代信息技術的優勢，提高實驗教學的效率。
1食品微生物實驗教學主要存在的問題
從我校近幾年食品微生物學實驗課程的開設及執行情況來看，通過不斷的教學總結和反思，食品微生物實驗教學主要存在以下問題：
1.1實驗教學內容單一。食品微生物學作為一門實踐性學科，更加強調的知識的應用而非記憶。在我校，食品微生物學實驗課時比例占總學時的50%（理論學時和實驗學時各32學時），實驗課時的設置比例非常高[5]。從目前實驗課的開課內容來看，主要借鑒其他農林和工科院校的開課經驗，在符合我校和我院的基本情況的基礎上，選擇了幾個基礎實驗開設，如培養基的配置、革蘭氏染色、菌落總數的測定、大腸菌群的測定及微生物細胞計數方法等基礎操作實驗內容。但是，對于食品科學專業學生而言，一些關于微生物在食品生產上的應用類的實驗很難開設（如利用酵母菌發酵生產酒類；微生物在傳統食品，如豆瓣醬、腐乳、醋、發酵火腿等生產中的應用；工業生產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。實踐應用是食品微生物學作為一門應用學科區別于基礎微生物學的最本質的特征，傳統的實驗教學內容的設置在注重實踐能力培養方面顯然存在不足。這一情況在其他院校，特別是工科基礎相對薄弱的醫學院校的食品微生物學實驗的開課過程中非常普遍。
1.2實驗教學手段單一。目前，傳統的食品微生物學的實驗教學的教學方式在激發學生興趣方面，也有不足。實驗內容的開設多以基礎驗證性為主，絕大多數學生對老師的講解及實驗指導書非常依賴，只會嚴格按照實驗指導書的步驟一一操作，實驗報告的撰寫也是千篇一律，不會主動分析實驗結果產生誤差的原因，不能深刻理解實驗的目的與意義。有的學生甚至利用實驗時間，不認真做實驗，悄悄完成實驗報告，實驗結果完全依靠理論知識來簡單推理，而不是客觀真實地反應實驗現象[6]。這類實驗課程的開設，對提高學生的實驗操作能力、創新能力的培養不利，亦會造成實驗資源的巨大浪費。
1.3實驗課時利用率不高。食品微生物學實驗和其他學科實驗，如化學分析實驗相比，因涉及到微生物細胞的培養，耗時非常長。而且操作繁瑣，實驗結果對環境和操作質量的依賴程度很高，這大大提高了食品微生物學實驗的開課難度。因此在有限的實驗學時內，很難安排更多的實驗教學內容，如果實驗失敗，難以做到重復實驗，這在一定程度上會降低學生對科學實驗探究的熱情。
2.1適應當前實驗條件不足的需要。由于我校是一所醫學院校，工科基礎薄弱，且受到實驗室場地的限制，食品加工的工藝設備不足，還未建設一條完整的食品加工工藝學生產線，特別是發酵工藝設備尤其缺乏，與食品微生物學密切相關的發酵工程類實驗只能選擇停開。和購置昂貴的發酵工藝設備相比，虛擬仿真技術更容易實現更新，成本更低，時效性更好，能實現“一人一機”，每個學生均有上機實踐操作的機會，適應了教育信息化的趨勢，在當前的實驗條件下能很好地解決這一問題。
2.2可幫助學生更直觀地理解實驗原理。在現代信息技術的支持下，虛擬仿真實驗教學平臺的設計，能夠打破時間、空間、距離等的限制，為學生提供一個模擬、設計及分析實驗的平臺，模擬真實的實驗環境，不僅讓學生有身臨其境的直觀感受，在實驗內容的設計上，還能幫助老師設計更加全面多層次的實驗。比如在講到微生物在食品生產中的具體應用時，對于沒有接觸過實際生產設備的學生，很難直觀得獲得知識。利用虛擬仿真技術可以將大型化、復雜化、自動化水平都較高的生產裝置形象地展示在學生面前，學生能更直觀地理解儀器加工的原理，在此基礎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內容。因傳統食品工藝實驗依賴實驗儀器設備的程度高，且實驗教學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容。利用虛擬仿真技術低污染、高安全且基本上不會產生“三廢”的優點，可以引入更多學生感興趣但是因操作風險高以往未開設的實驗內容。
2.4可實現不同專業的特色化教學。食品微生物學在食品質量與安全和食品衛生與營養專業的學生中均有開設，以往因實驗場地有限、實驗教輔人員不足，兩個專業的學生開設的實驗沒有適合專業特色的特色化差異。利用虛擬仿真技術可以比較輕松地實現“因材施教”。比如食品質量與安全屬于工科專業，在實驗教學中可引入更多的食品加工場景和工藝設計實驗；食品衛生與營養學屬于理學專業，更加注重微生物與營養健康的關系，在實驗教學中可設計引入更多的實驗教學，如導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的效率。食品微生物學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，學生可以通過校園網，全天候無限制訪問，反復練習，隨到隨學，自主安排，具有更大的靈活性，提高實驗教學效率。此外，學生利用虛擬仿真系統，可以輕松地完成課前自學，教師亦可利用這一教學平臺，完成翻轉課堂的理論教學改革。
2.6可更好地培養實踐性、創新性人才。虛擬仿真實驗教學系統能更好地配合老師解剖實驗教學過程的知識點，老師能靈活地設計實驗教學，引導學生在理解知識點的基礎上，合理思考，正確操作。此外，虛擬仿真實驗教學系統還通過實驗參數、實驗樣品、實驗對象等參數的隨機調整，評定學生對實驗知識和操作技能的掌握程度，教師可根據教學目的調整實驗難度，既能滿足日常教學的需要，也能作為學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，如創新拓展實驗、綜合設計性實驗、開放實驗及實驗技能大賽等，實現實踐性和創新性人才的培養。同時，依托網絡技術，可以最大限度地實現虛擬仿真實驗教學平臺的共享，對線上教學、線上線下混合式教學、遠程教學的開展有非常重要的幫助。
3結語
在食品微生物學實驗教學過程中，開展虛擬仿真實驗教學，可通過現代的人機交互、數據庫及各種網絡通訊技術應用[7]，構建高度仿真的虛擬實驗環境、優化實驗內容、創新實驗方法及實驗設備，達到培養學生實際操作能力、創新性能力的要求，是現代信息技術支持下，教學方法的一種重要創新。在發達國家中，虛擬仿真實驗技術的發展已經比較成熟[8]，但我國的虛擬仿真實驗教學建設起步是從2013年教育部高等教育司根據《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》內容，提出開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設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技術因其獨特的優勢，發展越來越迅速，已成為現代實驗教學改革探索的一個重要的方向。目前陸續有一些關于食品專業虛擬仿真技術在各個食品專業學科的應用的探究的一些文章發表，如虛擬仿真技術在食品物性中的實驗實踐教學[9]、在食品加工技術中的教學[10]、在食品理化檢測技術中的應用研究[11]等相關的教學改革，但國內外開發的虛擬仿真實驗技術平臺仍存在一些問題，諸如功能單一、界面不友好，平臺不穩定等，離讓學生身臨其境般地、高效地完成實驗的教學目標還有一段距離。因此，真正能應用到實際教學中的食品類的虛擬仿真實驗教學平臺并不多。在當前信息化技術廣泛應用到實驗教學中的大潮流背景下，虛擬仿真技術應用與實驗教學，可解決傳統實驗操作方法單一、形式固定化、實驗課學時不夠、設備維護、開放程度不高、設備復雜且費用高、綜合性和創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容的設計，操作軟件的開發，實驗平臺的建設，讓虛擬仿真技術真正應用到實際教學，為食品科學創新性人才的培養提供新路徑，還需要各方面的通力合作，協同努力。
作者:蔣麗施 陳艷 王娟 康晉梅 張穎 孟曉 單位:成都中醫藥大學公共衛生學院
