“食品生物技術”課程模擬仿真建設與實踐教學改革

史海粟，武俊瑞，李冬男，鄭 艷，李春強，張 琦，張佰清

（沈陽農業大學食品學院，遼寧沈陽 110866）

“食品生物技術”理論教學內容以基因工程、發酵工程、酶工程、細胞工程和蛋白質工程技術為主線，圍繞基因工程及其在食品工業中的應用、發酵工程及其在食品工業中的應用、細胞工程及其在食品工業中的應用和酶工程及其在食品工業中的應用四大基本模塊，系統講解食品生物技術的基本原理及應用，利用沈陽農業大學校食品學院的優勢，突出食品產業與生物技術產業的緊密結合[1]。在內容的組織上突出重點和難點，形成層次分明的立體知識結構，使學生在掌握基本概念、基本理論、基本技術的同時，又能了解生物技術學科發展的前沿，熟悉食品生物技術產業工程應用狀況。在多年的教學工作中，形成了比較鮮明的課程特色[2]。

1 二維模擬仿真技術在“食品生物技術”課程中的應用

二維模擬仿真技術是在多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上，將仿真技術與虛擬現實技術相結合的產物，是一種更高級的仿真技術。近年來，模擬仿真技術不僅已在城市建設、場館仿真、樣板房模擬、室內設計、工業仿真、道路橋梁設計、地質災害、應急預案等行業中得到廣泛應用，而且在高等學校的課堂中也得到教師和學生的認可，使教學更生動、更直觀，并提高學生的自主學習和實踐能力。

1.1 二維模擬仿真技術應用在“食品生物技術”課程中具有重要意義

“食品生物技術”課程是食品科學與工程專業的必修課程，在教學中該課程主要包括基因工程、發酵工程、酶工程、細胞工程和蛋白質工程方面的知識點，但傳統的教學只能通過板書、幻燈片等手段來完成，這遠遠不能使學生充分掌握這些知識點，尤其課程中包括很多技術需要實驗來完成，以及涉及到分子生物學實驗，其原理從宏觀上是不可見的，因此，很難直觀地開展課堂教學和保證每個學生都完全理解技術原理，也難以提高學生的動手能力，制約了對高素質人才的培養。

二維模擬仿真教學內容的建設可以完成人類肉眼看不到或借助高科技手段也難以達到的教學目的，在“食品生物技術”課程中涉及微觀世界，如基因擴增、基因改造是如何完成的，發酵罐等大型設備是如何使用的，細胞融合的實驗技術是如何操作的，等等。因此，模擬仿真教學內容的建設具有深遠的現實意義和推廣應用價值[3]。

1.2 二維模擬仿真技術在“食品生物技術”課程中的建設內容

1.2.1 基因工程

基因工程這一章是“食品生物技術”課程學習的重點，模擬仿真技術可以應用于多方面：基因在微觀世界是如何擴增的，將基因擴增的元素，如DNA片段、引物、脫氧核苷酸、核酸聚合酶等，以動畫的形式呈現在學生面前，直觀、生動、形象地使學生理解和掌握基因擴增的過程；《表達載體的構建》是基因工程這一章學習的核心內容，載體質粒和目的基因在限制性內切酶的作用下是如何切割的，二者是如何正確識別的，如何在DNA連接酶的作用下連接的，這些過程通過動畫模擬可以使學生在很短的時間內掌握這個難點，并加深學生對此問題的印象；目的基因導入受體細胞的過程在電鏡下可能會被觀察到，但實驗的成本、實驗的準備時間、儀器的使用，以及實驗過程中遇到的一系列問題，而通過模擬目的基因導入受體細胞的過程，既降低了實驗成本，也使學生清楚地看到這個過程；在基因的調控中，乳糖操縱子的阻遏和誘導過程是比較難理解的，但通過模擬技術將這2個過程以動畫形式展現在學生面前，可以輕松理解該過程的原理。

對于以上實驗的操作過程也可以通過模擬技術加以實現，如基因擴增儀的操作步驟，化學轉化或點轉化儀的使用步驟，以及基因組、RNA的提取步驟，核酸電泳的操作步驟等。該系統中各模塊具有非常逼真精細的模擬現場和操作單元，學生可親自動手操作，對變性、退火、延伸的時間和溫度的設置，提取基因組、RNA后濃度的檢測，瓊脂糖凝膠的配制，電泳槽的安裝和使用等，同時該系統可以學生的操作過程和結果進行客觀的考核與評定。

1.2.2 發酵工程

在發酵工程這一章中，發酵罐的使用是學生學習的重點。例如，對于乳酸菌的發酵和單細胞蛋白的生產可以采用模擬仿真技術模擬其發酵工藝實驗。發酵工藝流程包含菌種介紹、滅菌、培養基配制、接種、發酵工藝操作、發酵罐的操作（包括發酵罐的構造、設備的連接、各參數的設置及操控、裝液量、接種量、補料等），以及后續發酵產物的分離提取純化等技術。該系統中各模塊之間可以關聯，每個模塊內也可以相互關聯：在學習發酵罐的使用時，發酵罐裝液量或接種量對于各參數的影響，以及前期滅菌、培養基配制等對發酵過程的影響，溶解氧、溫度、pH值等發酵過程中重要參數是如何通過溶解氧電極、溫度電極、pH值電極實現的，以及發酵罐使用時需要注意的事項，如消泡劑是否添加，怎樣檢查是否漏液、密封性是否良好，怎樣避免取樣后染菌等。這些步驟及注意事項學生在親自動手操作之后，會有感性的認識，在系統中也可以設置考核模塊，對上述步驟進行逐一考核，對不合格的學生進行重新考核，考核系統進行隨機性設置。

1.2.3 酶工程

酶工程這一章主要要求學生掌握固定化酶和酶分子改造的內容。酶的固定化有很多方法，如吸附法、包埋法、共價結合法和交聯法，給學生講授這些方法時可以采用模擬仿真技術，將各種固定化方法中酶和載體的連接方式以動畫形式展現在學生面前，使學生從微觀上了解固定化酶的分子結構，從而更深刻地掌握各種固定化酶的方法。酶分子改造的種類有很多種，其中氨基酸置換改造、核苷酸置換改造、功能區域交換改造和酶的定向進化改造是要求學生重點掌握的，這些方法都是以基因突變為前提的，可以采用模擬仿真技術，將基因突變的整個過程以動畫形式呈現在學生面前，使學生在輕松掌握基因突變的原理的基礎上，充分理解這些酶分子改造的方法；也可以采用模擬仿真技術，模擬重組酶構建的整個實驗操作過程，可以設置突變引物設計的模塊，基因工程單元的模塊、蛋白質提取模塊、蛋白膠的配制及蛋白電泳的操控模塊，以及Western blotting的操作模塊，這些實驗步驟在實際操作時需要準備大量的試劑耗材和前期的準備工作，實驗過程中的等待時間，還需要凝膠成像儀、電泳儀、基因擴增儀等各種分子生物學儀器來完成。而采用模擬仿真技術來完成這些實驗，既可以節省大量的實驗成本，也可以大大縮短準備時間和實際操作時間，讓學生在短時間內掌握酶分子改造的方法。

1.2.4 細胞工程

細胞工程這一章需要學生了解動物細胞的培養過程，掌握細胞融合的原理及技術。采用模擬仿真技術，可以建立模擬細胞房，在模塊中可以設置細胞培養實驗室的設備，如生物安全柜、CO2培養箱、倒置顯微鏡、冷藏設備、消毒滅菌設施、水純化裝置等，這些儀器的擺放位置、使用方法、注意事項等內容可以通過系統模塊實現：打開生物安全柜前，需要帶好手套、穿好實驗服、戴好口罩、使用酒精擦拭臺面、接種等操作，CO2培養箱堅決不能培養微生物，倒置顯微鏡的使用步驟，從液氮罐中取放樣品的步驟、使用滅菌鍋對玻璃器皿的滅菌、水純化裝置的原理等，這些模塊足以讓學生在短時間內了解細胞房的構造、儀器的操作和掌握主要的實驗步驟。系統設置動物的解剖模擬實驗，將解剖的具體步驟設置成一模塊。細胞融合技術也是這一章的重點，可以通過系統了解細胞融合這一過程的原理和微觀過程。對以上這些模塊都可以進行考核和測驗，讓學生自己學習后通過考核模塊自行考試。

1.2.5 蛋白質工程

在蛋白質工程這一章中，學生需要了解蛋白質的三維結構。蛋白質的三維結構的獲得需要對蛋白質進行提取、純化、結晶和X衍射、電鏡觀察等步驟。這些實驗步驟都是高成本的，也是相當耗時的，采用模擬仿真技術將這些步驟制作成獨立的模塊，在授課過程中進行逐一講解，提取、純化蛋白質的每個步驟讓學生通過系統中的模塊自己進行操作，將純化的蛋白質導入電鏡模塊，通過設置電鏡參數，觀測到清晰的三維結構，并進行結構模擬和分析。

1.3 二維模擬仿真技術在“食品生物技術”課程中的作用及功能

（1）解決成本高、耗時長、耗能大的實驗。在“食品生物技術”課程中，很多實驗技術屬于分子生物學領域，其實驗成本巨大、實驗等待時間長、間隔時間長短不一、大型儀器設備耗能大，且一旦損壞維修時間、成本也十分高。采用模擬仿真技術將每個實驗原理技術設置成獨立模塊，可讓學生快速地從視覺上掌握這些實驗技能。

（2） 解決學生對枯燥的技術原理的理解。在“食品生物技術”課程的教學中，許多原理、反應都是肉眼不可見的，通過模擬技術，將微觀世界以動畫形式展現在學生面前，可使學生很直觀地理解大多數的技術原理；也可讓學生在模塊下獨立自主進行操作，培養學生獨立思考解決問題的能力[4]。

（3）實現在課堂無法開設的內容轉化成虛擬實驗。學生在校期間的實踐機會非常少，且學校里不可能具備各類食品的生產車間。即使進入到工廠實習，也只是走馬觀花，對工廠的布局、車間、機器、管線、包裝等環節一無所知。系統可以將食品工廠（如乳酸發酵、酒釀造等）發酵車間進行模擬，使學生可以從三維角度進入車間，并對各個環節自行操作，對發酵食品的整個生產過程了如指掌。

此外，二維模擬仿真技術在考核、實驗指導和平臺交流等方面也具有重要的作用。①作為學生和技術人員的考核功能：通過服務器后臺調用題庫，并結合模擬仿真操作，讓學生通過模擬環境進行考核。②實驗指導功能：系統可以配備實驗指導、數據處理以及圖表生成、實驗報告、注意事項和試題庫等內容供學生使用。③交流平臺功能：系統可以設置交流平臺，使學生可以通過網上留言與教師交流，也可在學生間進行討論，同時也方便教師與學生互動，實現在課下對學生學習情況的掌握[5]。

2 三維全景虛擬現實技術在“食品生物技術”課程中的應用

三維全景虛擬現實（VR）技術是基于全景圖像的真實場景虛擬現實的一門技術。全景（Panorama）是把相機360度拍攝的一組或多組照片拼接成一個全景圖像，通過計算機技術實現全方位互動式觀看的真實場景還原展示方式，并可使用鼠標控制環視的方向，可左可右，可上可下，可前可后，可近可遠，更高級的可佩戴VR眼鏡，使學生感到就好像處在現實環境中，通過一副眼鏡瀏覽一切。

在“食品生物技術”課程中，涉及很多技術在食品工業中的應用，如單細胞蛋白的生產、乳酸菌制品的生產、葡萄糖氧化酶的固定化、奶酪中凝乳酶的應用、果膠酶在葡萄酒中的應用等。這些通過生物技術手段生產的食品在車間里的生產程序對于食品科學與工程的本科生來說是比較陌生的，很多學生由于不能身臨其境地感受到生產環境，而只能通過書本和圖片簡單地認識和理解教師教給的知識點。而采用VR技術可以讓學生看到原料車間、生產車間、貯藏車間里的每一個細節、質檢實驗室都需要哪些設備和檢驗步驟，可以通過模塊具體到對每一處細節進行講解，還可以通過系統模塊讓學生自己進行模擬操作，包括對原料的處理、發酵的過程、產品的包裝和新產品的研發等，可以給學生自我發揮的空間，讓學生通過VR技術真正地作為一名廠區的員工進行操控。在學習后，具備一定的實踐經驗和專業知識，對畢業后工作具有直接的幫助。

VR技術比模擬仿真技術會讓學生更深一層地體會到學習的樂趣。VR技術使學生在整個視野下都可以觀察到環境場景，也可以使學生通過鼠標或操縱轉置自行進行主觀對場景的設施進行操作。這比單純的二維動畫、二維顯示器下的三維圖像更加逼真，讓學生從視覺上觀察到的影像跟實際環境完全一致，而且還能通過系統完成現實環境條件下無法進行的事件，如對某一細節進行系統的講解、設備內部的構造、高溫高壓黑暗環境下的觀察、微觀結構的原理以及設備的維護等。

3 增強現實及混合現實技術在“食品生物技術”課程中的應用展望

上述講到的虛擬現實技術都是虛擬出來的，也就都是假的；而增強現實技術是把虛擬的東西疊加到現實的東西上，是計算機在現實影像上疊加相應的圖像技術，利用虛擬世界套入現實世界并與之進行互動，達到“增強”現實的目的。在“食品生物技術”課程中，這種技術可以應用在一些儀器設備的使用上，如倒置顯微鏡的使用步驟，包括開機、切片、調節光線、調節熒光、尋找圖像等具體操作可以通過手機屏幕，看到每一個步驟的具體操作過程在顯微鏡上的具體位置，對于使用者，這種增強現實技術是非常方便的。這種技術在未來食品生物技術實驗中的應用前景更加廣闊。

混合現實技術是比增強現實技術的面更寬、比虛擬現實技術更先進的一種技術。它是填補了從增強現實到增強虛擬之間的空缺，把增強現實和增強虛擬連在一起，它是先把真實的東西虛擬化，然后疊加到虛擬世界里。在“食品生物技術”課程中，這種技術可以應用在發酵設備的使用和發酵液的微觀變化上，在系統中可以實現對設備的使用，進一步進入到發酵液中，通過軟件放大發酵液到細胞層次，可以讓學生觀察到在發酵過程中細胞與細胞之間、細胞內部的代謝是如何發生變化的，發酵底物是如何被利用的，以及發酵產物是如何生成和分泌的等。這在現實中是無法完成的。這項技術正在發展中，它被看作是技術領域的下一場革命。因此，混合現實技術將是未來的發展方向。