食品中金黃色葡萄菌檢驗3D虛擬仿真實驗研究＊

徐艷陽，李薇茹，王雪松

（吉林大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130022）

金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）隸屬于微球菌科的葡萄球菌屬，其細胞呈球形，排列呈葡萄串狀，是無芽孢、兼性厭氧的革蘭氏陽性菌。在溫度適宜、營養(yǎng)豐富的條件下，該菌能產(chǎn)生金黃色脂溶性色素，使平板菌落呈金黃色。金黃色葡萄球菌是一種常見的病原菌，廣泛分布于自然界、健康人的皮膚和鼻咽部等，可導致人類皮膚和和軟組織感染、敗血癥、骨髓炎和肺炎等多種疾病。該菌在適宜的基質和環(huán)境條件下可產(chǎn)生腸毒素，人類攝入被金黃色葡萄球菌腸毒素污染的食品后可導致食物中毒。食品被攜帶或感染金黃色葡萄球菌的牲畜、養(yǎng)殖人員、食品加工人員以及污染食品在加工過程中的處理不當?shù)仁瞧涫澄镏卸镜闹饕颉Ｔ谑称钒踩珯z驗中，尤其是動物源性食品的微生物檢驗中，金黃色葡萄球菌是重要的檢驗指標之一。

食源性致病菌檢驗實驗是“食品微生物學”和“食品微生物檢驗學”課程的重要實驗項目。2021-04-15起，中國實施了《中華人民共和國生物安全法》。其中第45條規(guī)定：“國家根據(jù)對病原微生物的生物安全防護水平，對病原微生物實驗室實行分等級管理。從事病原微生物實驗活動應當在相應等級的實驗室進行。”同時，根據(jù)GB 4789.1—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 總則》中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，食品中金黃色葡萄球菌的檢驗應在BSL-2或以上生物安全實驗室中進行。

目前食源性致病菌檢驗的實驗教學中，正面臨這些生物安全規(guī)范的要求，同時實際工作中還不具備符合要求的實驗室環(huán)境，涉及高風險、高成本、高消耗及大型綜合訓練等運行困難的問題。近年來，隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展，虛擬仿真技術以低成本、強交互、超時空和高安全性等優(yōu)勢在實驗教學中獲得了廣泛的應用[1-2]。因此，設計了在實驗教學學時保持不變的情況下，將3D虛擬仿真技術用于食品中金黃色葡萄球菌檢驗的實驗教學中，研發(fā)制作了食品中金黃色葡萄球菌檢驗的虛擬仿真實驗軟件，以提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力為目標，使學生掌握食品中金黃色葡萄球菌檢驗的基本理論知識，同時提高學生的實踐能力。

1 虛擬仿真技術簡介及其優(yōu)勢

1.1 虛擬仿真技術

虛擬仿真一詞最早是由計算機科學家杰倫·拉尼爾在1987年使用的。虛擬仿真技術是一種流行的信息技術（IT），為了克服現(xiàn)實世界的空間和物理約束，通過創(chuàng)建與人類感官系統(tǒng)交互的虛擬空間，提供一種間接的體驗，達到“身臨其境”的效果。其具有以下4個基本特征[3-4]。

沉浸性。在虛擬仿真系統(tǒng)中，用戶可以獲得視覺、聽覺、觸覺等各種感官上的感知，沉浸于其中、身臨其境的體驗。

交互性。在虛擬仿真系統(tǒng)中，環(huán)境可以作用于人，人也可以對環(huán)境通過聲音、肢體動作等來進行控制，虛擬環(huán)境也可以對人的操作作出實時的響應。

虛幻性。系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是人們利用計算機工具模擬出來的。既可以模擬過去存在于客觀世界中的環(huán)境，也可以模擬現(xiàn)在實際存在的環(huán)境，還可以模擬現(xiàn)在不存在但是在將來可能出現(xiàn)的環(huán)境，甚至還可以模擬現(xiàn)在不存在但是人們想象出來的環(huán)境。

逼真性。主要體現(xiàn)在2個方面：①虛擬出來的環(huán)境給人一種真實感，像生活在現(xiàn)實世界中一樣；②當人們以自然的行為作用于系統(tǒng)環(huán)境中時，虛擬環(huán)境作出的響應也符合客觀世界的相關規(guī)律。

1.2 建立虛擬仿真實驗的優(yōu)勢

3D虛擬仿真實驗是指借助3D虛擬現(xiàn)實、人機交互、數(shù)據(jù)庫等技術，高度模擬出與實際場景相似的虛擬實驗環(huán)境，憑借虛擬仿真平臺進行金黃色葡萄球菌的檢驗實驗，并進行仿真實驗教學，還可以進行動手交互操作和測試。其優(yōu)勢有：①充分調動學生的積極性，提高學習興趣。虛擬實驗是利用游戲設定的方式，讓學生進入教學情境，最大限度地激發(fā)學生的學習興趣，并引導自主學習。②提高學生實踐能力。利用人機實時交互，學生親自動手操作，完成在線實驗內容，實驗操作風險低。而且可反復進行實驗操作，輔助學生理解理論知識，培養(yǎng)實踐能力。③改進傳統(tǒng)實驗教學模式。虛擬實驗擁有沉浸式教學、強交互性操作等特點，更智能地實現(xiàn)實驗教學[5-6]，同時培養(yǎng)學生科學的思維方式，提高學生分析問題、解決問題的能力。④節(jié)約實驗資源。虛擬實驗不受實驗基礎設施、儀器設備和耗材等條件的影響，最大限度地降低實驗成本。

1.3 建設3D虛擬仿真實驗的特點

利用虛擬仿真技術重新構建傳統(tǒng)的教學內容，通過多維度的視聽體驗、可視化的效果展示、身臨其境的介入感、沉浸感，吸引學生的注意力，顯著提高學生的學習興趣[7]。

2 虛擬仿真實驗設計及應用

2.1 實驗背景

根據(jù)GB 4789.10—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 金黃色葡萄球菌檢驗》內容，基于金黃色葡萄球菌的生物學特性，在減少感染風險、確保學生安全的背景下，設計實驗方法，讓學生通過金黃色葡萄球菌檢驗的虛擬仿真實驗平臺，模擬真實實驗環(huán)境，將實驗材料、實驗儀器設備、實驗步驟方法有機結合，在電腦上可以多次重復、交互操作，提高學生動手實踐的能力，加深對金黃色葡萄球菌檢驗原理的理解，提高實驗教學效果。

2.2 實驗內容

實驗準備：進入實驗前的準備包括更衣、戴帽、戴手套、換鞋，準備營養(yǎng)瓊脂、Baird-Parker培養(yǎng)基、血培養(yǎng)基、革蘭氏染色液、BHI培養(yǎng)物和肉湯培養(yǎng)物等試劑，配制培養(yǎng)基、倒平板、玻璃器皿清洗、高壓殺菌，儀器調試。

設計虛擬模塊：將金黃色葡萄球菌檢驗虛擬實驗模塊系統(tǒng)里分為學習模塊和考核模塊，學習模塊包括定性和定量檢驗的實驗目的、實驗原理、實驗過程，考核模塊包括實驗操作、在線測試和考核評分等。

實驗操作：①配制培養(yǎng)基，包括Baird-Parker培養(yǎng)基、BHI培養(yǎng)基、肉湯培養(yǎng)基，經(jīng)高壓蒸汽滅菌后，倒平板及試管備用；②食品樣品的前處理，包括固體和液體樣品；③增菌培養(yǎng)和分離培養(yǎng)；④生化鑒定；⑤實驗結果及討論。

虛擬實驗軟件的應用：學生可通過用戶登錄模塊登錄虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，輸入用戶名和密碼登錄，選擇食品中金黃色葡萄球菌檢驗虛擬仿真實驗項目，獲取實驗指導書，熟悉實驗流程后進行虛擬實驗，完成并提交報告后，教師可在線批改并發(fā)布實驗成績。學生也可以用智能手機等設備登錄虛擬仿真實驗平臺，具體如圖1～圖3所示。

圖3 實驗界面

2.3 實驗特色

食品中金黃色葡萄球菌的檢驗是“食品微生物學”和“食品微生物檢驗學”課程的實驗項目，從實驗前的準備工作開始，應用3D虛擬仿真實驗，還原真實的食品中金黃色葡萄球菌檢驗場景，使學生體驗身臨其境的感覺，呈現(xiàn)樣品前處理、增菌培養(yǎng)、分離培養(yǎng)、生化鑒定等實驗過程，實驗結果和報告可以完整提供，不受時間和空間限制，節(jié)約耗材降低成本。

學生利用3D虛擬實驗平臺完成金黃色葡萄球菌檢驗關鍵步驟的交互和重復操作，結合實驗的操作視頻和圖片，通過鼠標點擊和選擇即可進行，簡單方便、易于操作。這種實訓對提高學生的實踐能力，進一步驗證金黃色葡萄球菌的檢驗原理，提高邏輯思維能力有重要作用。

利用3D虛擬仿真技術開展實驗，安全性高，避免了學生感染金黃色葡萄球菌的風險，利用游戲引擎方式激發(fā)學生的學習興趣，更有利于扎實地掌握金黃色葡萄球菌的檢驗技術。

3 建立虛擬仿真實驗的意義

3.1 避免生物感染，保障實驗室的生物安全

“食品微生物學”和“食品微生物檢驗學”是食品科學與工程和食品質量與安全專業(yè)必修的重要課程。食品中的金黃色葡萄球菌屬于食源性致病菌。隨著《中華人民共和國生物安全法》的施行，實驗室的生物安全在高等學校教育中更要按規(guī)范操作，避免感染，確保學生實驗安全。同時，要在實驗教學大綱教學學時不變的前提下，利用3D虛擬實驗平臺，使學生在身臨其境、實時互動中掌握知識，改進教學質量。

3.2 避免重復采購試劑和耗材，減少環(huán)境污染

食品中金黃色葡萄球菌檢驗的實驗環(huán)境要求在二級或以上的生物安全實驗室完成，成本很高。在傳統(tǒng)的金黃色葡萄球菌檢驗實驗教學方式中，從試劑、耗材、儀器設備的招標采購，每年都要花費較多的實驗經(jīng)費。3D虛擬仿真實驗項目的開發(fā)，一次性制作投入，可以長期應用。既可以節(jié)約大量試劑耗材，減少儀器設備的使用，又能減少資源浪費和環(huán)境污染。

4 結語

將3D虛擬仿真技術、多媒體技術和網(wǎng)絡技術用于食品中金黃色葡萄球菌檢驗虛擬仿真實驗的開發(fā)，將實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡化、實驗過程模塊化，對于金黃色葡萄球菌檢驗這類綜合性實驗教學，不僅可以解決實驗條件、資源、時空等客觀條件的限制，改進傳統(tǒng)教學模式，豐富食品微生物檢驗實驗的教學手段，而且可以激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的動手能力、創(chuàng)新能力、分析和解決問題的能力，預防致病菌感染，保障實驗室生物安全。因此，將3D虛擬仿真實驗教學手段融入食品中金黃色葡萄球菌檢驗的實驗教學，為食品微生物學實驗教學開辟了一條新途徑。