虛擬仿真技術輔助“食品微生物學”實驗教學研究

徐艷陽，李薇茹，王雪松

[摘 要] 食源性疾病是當今世界最廣泛的公共衛生問題之一。對食源性致病菌的檢驗是“食品微生物學”課程的重要實驗項目。鑒于當前食源性致病菌檢驗實驗難以開展的局限性，將虛擬仿真技術用于輔助實驗教學，在開展生物安全教育、補充實驗教學內容、更新實驗教學手段等方面進行改革。與傳統實驗教學相比，這項教學改革有利于提高學生學習興趣、豐富實驗教學內容，鍛煉學生綜合實驗能力，為促進高校虛擬仿真實驗教學體系的建設和實驗教學模式改革提供參考。

[關鍵詞] 食源性致病菌;微生物檢驗;虛擬仿真技術;實驗教學

[基金項目] 2019年度吉林大學本科“創新示范課程”建設項目“食品微生物學”（201944）;2019年度吉林大學本科教學改革研究項目“食源性致病菌檢驗虛擬仿真實驗教學系統建設與實踐”（2019XYB143）

[作者簡介] 徐艷陽（1972—），女，吉林公主嶺人，博士，吉林大學食品科學與工程學院副教授，主要從事食品營養與安全研究;李薇茹（1992—），女，山西運城人，碩士，吉林大學食品科學與工程學院工程師，主要從事食品安全研究;王雪松（1978—），女，黑龍江雙鴨山人，碩士，吉林大學生命科學學院講師，主要從事生物安全研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）46-0125-04? ?[收稿日期] 2021-05-25

“食品微生物學”是食品科學和食品安全專業的必修課程，主要研究對象為與食品相關的有益和有害微生物，尤其是導致食物中毒的食源性致病菌形態結構、代謝活動、遺傳變異、致病機理、實驗室檢驗及預防控制措施等。根據《食品安全國家標準食品微生物學檢驗總則》病原微生物的分離鑒定工作應在二級或以上生物安全實驗室進行。因此，食品微生物學實驗作為食品學科實踐類課程，食源性致病菌的檢驗須在BSL-2級生物安全實驗室開展。近年來，虛擬仿真技術以低成本、強交互、超時空和高安全性等優勢在教學中獲得了廣泛的應用[1]，因此，改進實驗教學內容，在實驗學時保持不變的情況下，將虛擬仿真技術用于食源性致病菌檢驗實驗教學，建立虛擬仿真實驗系統和平臺，利用線上線下相結合的實驗教學模式，以培養實踐能力和創新能力為目標，鞏固食品微生物檢驗實驗的理論知識，提高學生的實踐動手能力。

一、“食品微生物學”課程實驗教學大綱增加虛擬仿真項目

（一）“食品微生物學”實驗課程的教學目標和內容

“食品微生物學”課程的實驗教學目標是通過具體的實驗操作和訓練讓學生學習和理解食品微生物的基本檢驗理論、掌握相關的操作，能夠進行綜合設計和探究性實驗訓練。實驗教學內容主要包括食源性細菌、霉菌和病毒的形態學觀察、分離培養、純化鑒定、生理生化鑒定、菌種保存、血清分型等的定性和定量實驗，其中食源性致病菌的檢驗屬于綜合性實驗，能夠把微生物學的各知識點串聯起來，既相互聯系又循序漸進地開展實驗教學項目[2]，對于提高學生綜合實驗技能、分析問題和解決問題能力具有重要的意義。

（二）虛擬仿真技術輔助“食品微生物學”實驗課程教學體系

將虛擬仿真技術用于“食品微生物學”實驗課程的首要原則是：針對現實條件難以開出的綜合實驗項目，進行虛擬仿真，訓練動手能力，彌補部分重要實驗的內容，盡量創造所需條件來滿足教學要求。所以在明晰課程目標的前提下，堅持“能實不虛、虛實結合，以虛促實、以實補虛”的原則，構建虛擬仿真實驗系統，形成線上線下結合的混合式實驗課程教學模式。

將虛擬仿真技術用于本課程的實驗教學是一種新的教學手段，新教學內容增加4個虛擬仿真實驗。具體的實驗教學內容包括：實驗一，食品微生物實驗室的生物安全要求。在實驗前先進行生物安全的培訓，并講解食品微生物培養基的配制方法及滅菌操作，增加生物安全二級實驗室結構和如何使用的仿真實驗。實驗二，觀察食品微生物的形態和學習染色方法。對細菌、霉菌和酵母進行經典的革蘭氏染色及顯微觀察，同時視頻觀看全自動革蘭氏染色過程，學習微生物的形態學檢測方法。實驗三，微生物的平板計數檢驗在實體實驗室進行。如菌落總數的測定。實驗四，細菌的生理生化特征鑒定實驗，通過增設食品中沙門氏菌和金黃色葡萄球菌檢驗虛擬仿真實驗完成。實驗五，食品中諾如病毒的檢驗項目，通過增設虛擬仿真實驗，學習病毒的鑒定和分離培養方法。

二、虛擬仿真技術輔助“食品微生物學”實驗課程教學改革的意義

（一）切實加強生物安全教育

隨著我國生物安全法的實施，實驗室生物安全相關法規的出臺，對食源性致病菌檢驗及相關的行業行為的管理將更加嚴格。食源性致病菌的科學研究、生物安全的防護、食物中毒的防控和動植物及進出口食品的檢驗檢疫等都是關系國計民生的重要方面，尤其在當前新冠肺炎疫情持續存在的特殊環境背景下，各類食品的冷鏈運輸、食品安全檢驗和防控體系的建設，是涉及國家安全和公眾健康的重大問題，對于提高國家生物安全治理能力是非常重要的方面，這給食品微生物學和食品安全教育提出了新任務。生物安全教育與本課程密切相關，“食品微生物學”是食品科學與安全專業課程中與生物安全最密切相關的課程，涉及食品安全和人體健康。改革后的“食品微生物學”實驗能夠從多個層次來強化學習和實訓，是開展生物安全宣傳和教育的重要實踐課程載體。

（二）提高實踐教學質量，促進混合式實踐教學模式改革

虛擬仿真實踐教學是基于計算機虛擬仿真、網絡、人機交互及多媒體等新技術，構建基于現實的高度模擬的實驗環境和對象，可有效克服生物安全要求的限制，在安全、無風險的條件下開展實驗，因此食源性致病菌檢驗也成為虛擬仿真實驗開發的重要方向。在新的教學方案中，通過增設四個虛擬仿真實驗來填補實驗教學內容的空白，同時提供網絡版方便在線學習，高效地提升實踐教學資源的質量，促進線上與線下相結合的混合式實踐教學模式的改革。

（三）明確“食品微生物學”實驗教學內容，促進實驗教學資源共享

目前虛擬仿真實驗平臺的建設以單獨實驗項目形式進行，各實驗中部分知識點或步驟可能存在重復和空白問題，根據實驗課程內容，按照“虛實結合、能實不虛，以虛促實、以實補虛”的原則，根據各實驗項目的側重點，避免重復，充分利用有限的教學資源提高質量，擴大其使用范圍，實現有效共享。

三、基于虛擬仿真技術的“食品微生物學”實驗教學設計及研發

食源性致病菌檢驗虛擬仿真實驗教學設計的原則是以虛擬仿真技術輔助實現BSL-2級實驗場景，前提是先進行生物安全培訓，培訓合格，然后對實驗教學的內容進行“橫向、縱向”兩個維度的優化組合。“橫向”是應用現代仿真實驗來填補原實驗項目的空白，使實訓體系更完善;“縱向”是將虛擬仿真技術用于設計型、綜合型和研究型等不同類型的實驗項目中，實驗內容和實踐技能的難度逐漸遞增，使實驗課程結構更合理，努力達到具有高階性、創新性和挑戰度的教學目標。

（一）突出生物安全教育的重要性

生物安全培訓的目的一方面是使學生掌握生物安全知識、培養生物安全意識，另一方面是提高學生對微生物檢驗崗位的職業勝任力和責任感。從學習的初始階段，強化食品微生物檢驗工作者的安全意識和生物防控能力，這對培養食品微生物檢驗的復合型人才具有重要的作用。

1.開展生物安全的重要培訓，強化生物安全意識。把生物安全培訓和實驗項目進行整合，即“食品微生物實驗室的生物安全及消毒滅菌”，其教學目標是使學生在食品微生物實驗室建立良好的生物安全意識，培養優秀的操作習慣，并掌握消毒、滅菌的基本操作方法。由于食源性微生物檢驗實驗的特殊性，應用虛擬仿真技術，建立生物安全二級虛擬仿真實驗室，介紹實驗室環境、主要設備的原理及使用要求、人員防護、基本檢驗流程等，讓學生感受沉浸式進入BSL-2實驗室，并作為檢驗人，進行相關儀器設備的操作，增加強烈的親身體驗感，使學生增強安全意識，強化訓練生物安全防護技能，同時也為進入BSL-3、BSL-4實驗室做好心理準備和技能儲備。首先進行生物安全培訓，培訓后通過菜單選擇在線完成系統，隨機抽取考核試題來檢驗學習者的成效。對設備操作時須經過操作考核，先自行查看虛擬設備配備的操作手冊，然后根據檢驗要求設置技術參數、啟動設備，觀察結果，系統自動記錄操作者的交互操作記錄，實時記錄操作錯誤并給出成績。

2.遵循學習規律，循序漸進地反復強化實踐訓練。生物安全培訓的內容也較多，僅通過一次有限的訓練是無法全部掌握的。另外，還需要強化良好安全意識的養成訓練。因此，需要循序漸進地開展生物安全培訓。在食品中沙門氏菌檢驗虛擬仿真實驗中，可以增加BSL-2實驗室驗人員和物品進出流程的教學內容，強化生物安全柜、超凈工作臺、紫外燈、消毒劑的使用知識。在食品中金黃色葡萄球菌檢驗虛擬實驗中，檢驗環境為生物安全二級實驗室，可以開展生物安全操作的訓練，而且利用實驗平臺中“食品中諾如病毒檢驗的虛擬仿真實驗”等項目來進一步強化生物安全理念。

（二）豐富“食品微生物學”實驗內容，填補實驗教學空白

“食品微生物學”實驗項目內容的確定依據：（1）食品安全國家標準中關于食品微生物檢驗需要的必備實踐知識有哪些？根據這種客觀需求確定應該開展哪些實驗？（2）實驗需要的實驗環境條件是什么？現實環境中利用已有條件可以開出哪些實驗？（3）在目前的教學學時內將開展哪些實驗？食品微生物學實驗教學的必修內容中，根據實際條件不能開出的實驗內容設計虛擬仿真實驗，彌補實驗教學的空白。

1.食品中細菌和真菌檢驗實驗內容。在原實驗教學中，細菌和真菌實驗所占比例較大，主要集中于形態和生理生化部分，致病菌檢驗基本處于空白。因此，增設食源性致病菌的檢驗實驗：在綜合性實驗中增加食品中金黃色葡萄球菌虛擬仿真實驗內容，使學生在實驗中了解前增菌、增菌和分離培養等檢測方法，綜合訓練學生的微生物操作技能。

2.食品中諾如病毒檢驗實驗內容。食源性病毒的檢驗項目實驗在原實驗教學中都是不能開出的。因此，增設諾如病毒檢驗的虛擬仿真實驗，增加病毒核酸檢測、病毒免疫檢測等知識點。

（三）基于游戲引擎的虛擬仿真技術，開發虛擬仿真實驗

根據確定需要補充的實驗內容，開展相應仿真實驗軟件的開發。應用設計融入游戲理念的實訓系統：利用視聽教育學理論和傳播學理論，開發游戲交互式的虛擬教學資源軟件，通過虛擬仿真與多媒體技術結合，形成模擬現實的視、聽、觸覺感官整體虛擬環境，使學生以親身、自然的方式感受虛擬的客體，并與之互動，進而體驗身臨其境，像玩游戲升級一樣，增加訓練和學習的趣味性。

1.食品中沙門氏菌檢驗虛擬仿真實驗的開發。綜合性實驗采取模塊化設計的思路，保持一定的開放性，可以隨時補充實驗內容。通過電腦或手機完成，進行交互式操作百余次，回答問題十余次，綜合實訓操作技能。以食品中沙門氏菌檢驗為例：確定縱向的實驗步驟和橫向的多個實驗結果。實驗步驟主要包括培養基配制和殺菌、固液食品的前處理、增菌培養、疑似菌落的挑取、生化鑒定、血清學分型等，其中每一步又包含多個實驗操作。實驗結果是根據學生操作的選擇情況進行預先設計，例如選擇沙門氏菌的疑似菌落時，選擇的正確或錯誤分別會得到不同的實驗結果。首先根據實驗的完整性確定實驗步驟，然后依據實驗結果的可能性獲得多個實驗結果，進一步形成實驗的流程圖，并撰寫腳本。同時開發網絡版，學生通過網絡在電腦上登錄系統運行。每個實驗項目均設計學習版和考核版，其中學習版在操作過程中含有操作提示和說明;而考核版沒有，僅記錄操作，完成后導入題庫進行綜合考核，給出最終成績。為了克服枯燥、乏味的情緒，在“游戲”中設計比現實更豐富的積分、成就等級獎勵來激勵學習者。

2.BSL-2生物安全實驗室虛擬仿真實驗的開發。為了強化生物安全教育和食品微生物學重要實驗技能的訓練，將BSL-2實驗室的結構和使用進行虛擬實驗設計。

四、建立虛擬仿真技術輔助“食品微生物學”實驗課程教學的新模式

（一）與網絡視頻結合使用，實現翻轉課堂

每個虛擬仿真實驗根據內容發一組標準示范視頻，在課前提供給學生。另外，學生可以利用軟件操作指南，熟練掌握軟件內容和實驗操作，在虛擬仿真實驗課前使用;使用視頻，能夠節省課堂教學時間，把節約的時間用于實驗操作，強化實踐訓練。既能解決實驗課時的短缺，又能提升教學質量，實現翻轉課堂的效果。

（二）“以實補虛”，支撐虛擬仿真實驗的開展

由于虛擬仿真實驗不能完全替代實際操作對學生實踐動手能力的培養，因此，在以下方面補充實際操作，達到“以實補虛”：（1）利用設備操作。例如在進行生物安全柜虛擬仿真實驗時，可以讓學生有序的進行學習操作，保證每個學生能熟練使用設備。（2）應用常規的食品替代陽性樣品進行實際操作訓練。例如用固體或液體食品替代陽性樣品，讓學生根據在虛擬仿真實驗中學到的內容，利用仿真樣品進行反復模擬操作，既強化生物安全意識又同時訓練操作技能。

五、結語

虛擬仿真實驗課堂比傳統課堂更輕松愉悅，但也存在一定的不足，需要進一步補充和完善。如對學生的要求提高，需要提前預習，積極參與課堂活動，通過自主思考來解決問題。虛擬實驗對硬件和軟件環境的要求較高，尤其網絡環境和移動端的使用效果需要改進，在現有PC平臺中需進一步建設VR、AR平臺，推進實驗項目水平的提升。盡管虛擬仿真技術用于輔助“食品微生物學”實驗教學設計還存在一些問題，但虛擬仿真實驗項目對實驗教學內容是非常重要的補充，有助于提高學生自主學習的積極性和實驗技能，為其他相關實驗教學提供參考。隨著現代科技的快速發展，虛擬仿真實驗教學資源仍需進一步拓展和完善，以促進實驗教學改革，探索培養人才的實驗教學新模式。

參考文獻

[1]王艷鳳，趙國星，劉暢，等.虛擬仿真技術助力下的“醫學微生物學”實驗課程教學方案設計和實踐[J].微生物學通報，2021，48（1）：295-305.

[2]錢猛，崔瑾，成丹，等.南京農業大學微生物學虛擬仿真實驗教學模式的探索[J].微生物學通報，2016，43（4）：861-866.

Experimental Teaching Research of Food Microbiology Course Assisted by Virtual Simulation Technology

XU Yan-yanga， LI Wei-rua， WANG Xue-songb

（a. College of Food Science and Engineering， b. School of Life Sciences， Jilin University， Changchun， Jilin 130062， China）

Abstract： Food-borne disease is one of the most widespread public health problems in the world today. The inspection of food-borne pathogenic bacteria is an important experimental project of Food Microbiology course. In view of the limitations of food-borne pathogenic bacteria testing experiment， virtual simulation technology is used to assist experimental teaching， and the reforms are carried out in the aspects of developing bio-safety education， enriching experimental teaching content， and updating experimental teaching methods. Compared with traditional experimental teaching， this teaching reform is conducive to improving students’ learning interest， enriching experimental teaching content， training students’ comprehensive experimental ability， and provides a reference for promoting the construction of virtual simulation experimental teaching system and the reform of experimental teaching model in universities.

Key words： food-borne pathogenic bacteria; determination of microorganisms; virtual simulation technology; experimental teaching