三維建模在微生物虛擬仿真檢驗開發中的應用研究

摘"要：基于“食品微生物檢驗”課程的教學現狀，為了提升學生的學習體驗和實踐能力，開發了專用于微生物檢驗教學的虛擬仿真軟件。該軟件的開發涉及多個技術領域，本文重點研究三維建模技術在微生物檢驗虛擬仿真教學開發中的應用方法及建模資源在教學中的再利用與創新。通過分析三維建模的優勢及可視化表現形式，探討三維模型和視頻構建的策略與流程，為微生物檢驗課程提供新的教學資源和學習方法，幫助學生直觀理解相關理論與實踐技能，展示三維建模技術在教學實踐與教育資源創新中的潛力。

關鍵詞：三維建模技術；教學資源；可視化

“食品微生物檢驗”課程是食品質量與安全專業的重要組成部分，旨在通過理論與實驗操作結合，使學生掌握微生物檢驗的基本理論和操作技能。然而，實踐教學面臨多重挑戰：（1）實驗技能掌握需要大量的時間與反復練習，現有的課程安排常難以滿足。（2）理論基礎薄弱的學生在實驗操作中容易出現錯誤，實驗結果不穩定，影響教學效果。（3）傳統教學空間和資源的限制削弱了教學的連貫性，理論與實踐難以完全結合。（4）實驗室資源的不足，尤其是先進設備和必要材料的缺乏，限制了學生實驗操作的頻率，影響了教學質量和學生實踐能力的提升。

虛擬仿真技術的引入為“食品微生物檢驗”實踐教學提供了新的可能性。學生可以通過虛擬環境重復實驗，不受資源或課時限制，提升了教學的靈活性和可達性。因此，通過探索三維建模技術在“食品微生物檢驗”虛擬仿真教學中的應用優勢及效果，為微生物檢驗課程提供創新的教學模式和資源，提升教育質量和效果，探討三維技術在教育中的潛力和未來發展方向。

一、食品微生物虛擬仿真檢驗教學開發簡述

虛擬仿真技術結合了虛擬現實技術和增強現實技術，提供即時的體驗與反饋。利用虛擬仿真技術可以在實體操作環境中生成虛擬檢驗儀器，允許學生在虛實融合的平臺上進行實驗操作，從而熟練掌握實驗技能，降低實際實驗中的錯誤率，增強學習效果。

虛擬仿真檢驗開發需要滿足以下需求：（1）真實還原實驗操作環境，包括設備和實驗材料的擺放與使用。（2）提供標準化操作流程，模擬實際檢驗工具，提高操作規范性。（3）采用交互式教學元素，如文本、圖像和音視頻，提供詳細的操作說明，增強學生對理論和技能的理解。（4）實現即時反饋和操作糾正，幫助學習者準確掌握檢驗流程，提升學習效率。

二、三維建模在食品微生物虛擬仿真檢驗教學開發中的優勢

虛擬仿真教學中，仿真效果的真實度直接影響用戶體驗及教學效果。3ds"Max軟件以其對物體幾何形態和材質屬性的高度還原能力，能夠精確構建“食品微生物檢驗”所需的三維模型，如培養箱、移液槍等，提供逼真的視覺效果。所以，3ds"Max成為食品微生物虛擬仿真檢驗教學的首選工具，尤其在增強現實感、節約資源成本、增強兼容性方面具有顯著優勢。

（一）增強現實感

3ds"Max通過高精度的建模，能確保設備和儀器模型的形態、比例與真實物體一致，并能呈現復雜結構的細節。例如，在模擬三角瓶模型時，能夠精確地再現表面的數字刻度以及玻璃材質的反射與折射效果，利用UVW展開和材質編輯器，賦予模型極高仿真度的紋理效果，提升模型的真實感。

（二）節約資源成本

通過對檢測儀器的虛擬三維可視化，學習者可以在仿真系統中進行虛擬操作，掌握具體的檢驗流程及設備操作方法，減少對實際耗材和設備的依賴。此外，隨著3ds"Max和實驗儀器的不斷迭代更新，可以實現儀器設備細節的及時更新和優化，保證實驗檢驗模型保持最新狀態，確保教學資源的高質量和可重復使用，降低實驗材料成本。

（三）兼容性強

3ds"Max導出的“.fbx”文件兼容后期開發軟件，同時支持渲染效果圖、視頻及序列圖片，支持多種輸出選項，使復雜的三維數據信息能夠在不同的軟件平臺間有效傳輸，提高模型資源的流動性和應用開發的靈活性，為教學內容的多維度擴展提供了更多可能性。

三、三維建模在食品微生物虛擬仿真檢驗教學開發中的應用分析

為滿足微生物虛擬仿真檢驗教學的需求，研究以金黃色葡萄球菌平板計數法作為案例，采用三維建模技術，依據國家檢測標準及專業教師的操作指引進行虛擬構建。

（一）三維建模的虛擬視化分析

在“食品微生物檢驗”的虛擬仿真軟件開發的框架內，三維建模技術在以下幾個方面得到了展示和應用。

（1）實驗儀器的選擇與展示：通過三維實體模型庫及其交互操作，詳細展示實驗儀器，全面觀察儀器的細節，識別并選取適合特定實驗檢驗的儀器。此模塊強調模型細節的準確性，需要利用高級建模技術精確復原實驗儀器結構，增強用戶對其外觀和功能的認知。

（2）實驗過程的儀器使用：虛擬操作儀器推進實驗流程，該過程結合三維模型和軟件集成，實現實驗操作的精確模擬，是虛擬檢驗教育的核心。

（3）儀器使用的視頻教學：通過視頻形式展示儀器的外觀和操作技巧，作為隨時可訪問的學習資源，幫助學習者多角度掌握操作技能，可利用軟件的動畫制作功能完成并導出有關視頻。

（二）三維模型與教學視頻內容的制作分類

構建三維模型和教學視頻是提升實驗操作精確度和學習效率的關鍵。在金黃色葡萄球菌檢驗中，整個操作過程可分為準備、消毒、樣品稀釋、接種、培養、觀察、測驗及清理等階段，每階段所用儀器需要通過3ds"Max構建三維模型，并利用動畫制作功能制作展示儀器操作的動態視頻，輸出教學視頻。

1.模型制作分類

根據模型的數量和綜合功能，將模型分為單體模型與組合模型兩大類。

單體模型側重于對單一對象的模擬，其結構相對簡單，便于快速構建與理解。如一個獨立的鑷子或記號筆模型，主要通過直觀展示工具的外觀結構，展示基本功能及使用方法。

組合模型則是基于實驗檢測的具體需求，通過將多個單體模型依據特定的規則或邏輯進行組合，模擬復雜操作流程。如組合一個裝有酒精棉球的玻璃瓶模型，其包含棉球、酒精瓶和玻璃瓶等，按照邏輯順序，先打開裝棉球的瓶子，用鑷子夾起棉球放入無菌玻璃瓶中，打開酒精瓶倒適量酒精至無菌玻璃瓶中，直到棉球充分吸收酒精且瓶中不再有明顯液體流動為止，這個過程包含多個模型的交互使用。

2.教學視頻制作分類

根據單體模型和組合模型的特點，將教學視頻內容分為單體模型教學視頻和組合模型教學視頻。

單體模型教學視頻基于單體模型，展示儀器的展示基本操作和維護方法，其教學視頻可直接借助3ds"Max軟件的動畫功能制作完成，增強學習者對實驗儀器操作細節的準確理解與深入掌握，讓學習者能夠精確執行各儀器的基礎操作。

組合模型教學視頻基于組合模型，展示不同的單個模型在交互過程中得到的組合模型的完整操作步驟和背后原理，其教學視頻則需要在后期開發階段添加動態效果，以確保視頻能夠細致反映實驗的具體細節和過程動態，幫助學習者系統理解實驗流程，從而增強學習的全面性和深入性。

（三）模型及教學視頻構建流程

使用3ds"Max軟件構建檢驗儀器的三維模型及動態教學視頻，包括單體模型、復雜組合模型及簡單教學視頻。整個過程遵循系統化流程，確保能夠準確無誤地完成從概念設計到最終成品的每個步驟。

1.模型構建流程

三維模型構建是實現虛擬仿真和視覺效果展示的基礎，根據模型使用的特性與預期目標，構建流程大致可分為以下幾個關鍵階段。

（1）概念設計階段：明確模型的基本功能、結構特征和預期用途，通過搜集相關的視覺參考資料（如圖紙、實物照片等），為模型提供直觀的設計參照，確保后續建模能夠精確反映實驗儀器的真實應用需求。

（2）基礎建模階段：此階段需要構建儀器模型的基本形態，通過調整幾何形狀的頂點、邊緣和面等基本元素，搭建出儀器的初步框架，重點在于準確捕捉儀器的整體比例和基本結構，為后續細節的精確呈現打下基礎。

（3）模型細化階段：在基礎框架上，應用高級建模技術（如擠出、細分等）添加更多細節元素，增強模型的視覺層次感和復雜度，提升模型的真實感。

（4）結構優化階段：通過去除模型中不必要的頂點和邊緣，優化模型的網格結構，提高模型的處理效率和渲染速度。

（5）UVW展開與紋理優化階段：對模型執行UVW展開命令，優化模型的紋理布局，確保模型的關鍵細節能夠獲得足夠的紋理分辨率，為模型的真實質感表達提供基礎。

（6）紋理材質設置階段：根據儀器模型的實際使用需求，選擇并應用合適的紋理貼圖，并通過材質編輯器進行參數設置，以實現模型外觀高度真實的效果。

（7）導出：將完成的儀器模型導出為兼容性良好的“.fbx”格式文件，以便在后續的開發中實現無縫集成利用。

2.教學視頻構建流程

3ds"Max軟件提供了一個集模型構建與動畫制作于一體的綜合工作環境，在完成模型的概念設計、基礎建模、模型細化、結構優化、UVW展開及紋理材質設置等階段后，動畫制作進入專有的流程。

（1）規劃動畫階段：根據儀器的使用方法和操作流程，細致規劃動畫所需要展示的各項操作內容、儀器的最佳展示角度、動畫關鍵幀的設置及預期動畫的視覺效果。

（2）設置關鍵幀：利用軟件的時間軸和時間配置工具，設定動畫的幀率及起始幀和結束幀。通過激活自動關鍵幀模式，軟件將自動記錄任何對象的移動、旋轉、縮放等變化作為關鍵幀，也可以手動設置關鍵幀，精確控制動畫的運動軌跡和操作細節。

（3）調整曲線編輯器：使用曲線編輯器對動畫的運動路徑和速度進行微調，確保視頻準確反映儀器操作的具體步驟和技術細節，提升動畫的流暢性。

（4）導出動畫：根據動畫的最終用途和特定需求，選擇合適的視頻格式進行導出，并調整導出參數，保證動畫文件的質量。

（5）檢查導出文件：在動畫導出后，利用播放或編輯軟件對動畫文件進行全面檢查，確保動畫無誤且能夠準確、全面地展現儀器操作流程和技術要點，滿足教學需求。

通過這一精細化、系統化的建模及動畫制作流程，提高模型制作的精確性和專業性，有效展示實驗器材及操作技巧。三維建模技術不僅為虛擬仿真的開發提供了精確的實驗器材基礎，也確保了虛擬仿真軟件視覺效果的真實性和精確性，為教學環境提供了新的視覺學習資源，使教學內容更具靈活性和多樣性。

（四）資源的再利用與創新

1.輔助課程學習

三維模型能直接展示儀器的復雜結構與外觀，使學習者能從多個角度觀察學習，有助于學生克服傳統學習材料在空間結構理解上的困難。三維模型作為新的電子學習資源，能激發學生主動學習和探索新知識的動力。

視頻資源通過展現操作過程，提供了動態的學習視角，視覺化的學習材料更易于被大腦記憶，能夠根據學習者的個別需求（如播放速度的調整、難易程度選擇）進行個性化的課程教學設計。與傳統的靜態圖像和文本描述相比，視頻資源在教學設備及資源有限的教學環境下尤為有效，可加強知識學習效果及體驗。

2.在線平臺的集成學習

將三維模型和教學視頻資源整合至在線學習平臺，如超星學習通、U+平臺。學生可以在任何時間和地點重復觀看，更能提供與實踐檢驗相匹配的數字器材資源，使得高品質的教育資源更易于獲得。借助平臺的功能，設計跨學科學習模塊，整合食品科學、公共衛生、營養學等相關學科領域。利用這些模型資源開展跨學科的實踐互動項目，不僅能促進學生理解器材在不同學科領域中的應用，促進不同領域之間的知識交流與融合，還增強了學習的實踐性和綜合性，有助于拓寬學生的知識視野，激發學生的創新思維和解決問題的能力。

3.數字教育資源的創新融合

在數字媒體專業技術的支持下，加強與其他專業領域的協同合作。例如，使用After"Effects軟件制作科普視頻，不僅豐富了教育資源的趣味性，同時也增強了公眾對食品安全和實驗儀器認知的廣度和深度。此外，鼓勵學生跨專業參與教學資源的創作與再利用制作，提升教學過程的互動性、實用性及創新性，促進學生的主動學習，激發學生的創新思維及研究技能的發展，進一步擴展教育資源的應用領域和影響力，增加了教育資源的可達性和持續性。

結語

依托項目開發，在微生物檢驗虛擬仿真教學中，三維模型與視頻資源的應用能深化學生對理論和實驗技能的理解，促進跨學科間的互動，并實現資源的重復利用。數字資源的可編輯性與可復制性為個性化教學提供了可能，互聯網技術的介入拓寬了教學資源的訪問范圍與時間，提升了學習的靈活性和可達性，為微生物檢驗教學資源的創新及其他學科的實踐教學革新提供了參考。

教學資源的開發需要朝向更高效、更互動、更精確的方向發展，這不僅是實現多元教育目標的必然趨勢，也是促進教育資源共享與優化的關鍵。

參考文獻：

［1］石新麗，秦臻，于琨，等.虛擬實驗室教學模式在《病原生物學》實驗教學中的應用探索［J］.重慶醫學，2015，44（10）：14251426.

［2］王麗，趙力超.跨學科協同教學與WIKI系統融合的教育模式探索：以“食品微生物檢驗學”課程為例［J］.微生物學通報，2018，45（3）：589597.

［3］熊宏齊.國家虛擬仿真實驗教學項目的新時代教學特征［J］.實驗技術與管理，2019，36（9）：14.

［4］毛露甜，黃雁，王曉晗，等.基于多維度育人的食品微生物檢驗專題實驗的教學探索與實踐［J］.微生物學通報，2019，46（12）：34973506.

［5］曾獻春，郭莉娟，孫豐慧，等.“食品微生物學”與“食品微生物學檢驗”對接鑲嵌式教學方式初探［J］.微生物學通報，2020，47（04）：11261132.

［6］謝雨軒，岳麗紅，楊春敏，等.“德學五進”教育理念在《食品微生物檢驗》混合式教學中的探索與實踐［J］.中國食品工業，2022（19）：114121.

基金項目：2020年廣東省本科高校教學質量與教學改革工程項目實驗教學示范中心《數字媒體虛擬仿真實驗教學中心》；2023—2024學年校級質量工程（虛擬仿真實驗室）項目“基于混合現實技術的食品微生物檢驗的虛擬仿真開發”（項目編號：XNFZSYS202301）；2023年廣東省高等教育教學改革項目“基于混合現實的食品類專業虛擬仿真實驗教學體系建設”（項目編號：1101）；廣州工商學院高等教育教學改革項目（專任教師專項）“基于虛擬現實技術的沉浸式教學模式的研究與實踐”（項目編號：ZL20221020）

作者簡介：劉欣茹（1997—"），女，漢族，湖北隨州人，碩士研究生，助教，研究方向：數字媒體技術。