虚拟仿真技术辅助“食品微生物学”实验教学研究

徐艳阳，李薇茹，王雪松

[摘 要] 食源性疾病是当今世界最广泛的公共卫生问题之一。对食源性致病菌的检验是“食品微生物学”课程的重要实验项目。鉴于当前食源性致病菌检验实验难以开展的局限性，将虚拟仿真技术用于辅助实验教学，在开展生物安全教育、补充实验教学内容、更新实验教学手段等方面进行改革。与传统实验教学相比，这项教学改革有利于提高学生学习兴趣、丰富实验教学内容，锻炼学生综合实验能力，为促进高校虚拟仿真实验教学体系的建设和实验教学模式改革提供参考。

[关键词] 食源性致病菌;微生物检验;虚拟仿真技术;实验教学

[基金项目] 2019年度吉林大学本科“创新示范课程”建设项目“食品微生物学”（201944）;2019年度吉林大学本科教学改革研究项目“食源性致病菌检验虚拟仿真实验教学系统建设与实践”（2019XYB143）

[作者简介] 徐艳阳（1972—），女，吉林公主岭人，博士，吉林大学食品科学与工程学院副教授，主要从事食品营养与安全研究;李薇茹（1992—），女，山西运城人，硕士，吉林大学食品科学与工程学院工程师，主要从事食品安全研究;王雪松（1978—），女，黑龙江双鸭山人，硕士，吉林大学生命科学学院讲师，主要从事生物安全研究。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）46-0125-04   [收稿日期] 2021-05-25

“食品微生物学”是食品科学和食品安全专业的必修课程，主要研究对象为与食品相关的有益和有害微生物，尤其是导致食物中毒的食源性致病菌形态结构、代谢活动、遗传变异、致病机理、实验室检验及预防控制措施等。根据《食品安全国家标准食品微生物学检验总则》病原微生物的分离鉴定工作应在二级或以上生物安全实验室进行。因此，食品微生物学实验作为食品学科实践类课程，食源性致病菌的检验须在BSL-2级生物安全实验室开展。近年来，虚拟仿真技术以低成本、强交互、超时空和高安全性等优势在教学中获得了广泛的应用[1]，因此，改进实验教学内容，在实验学时保持不变的情况下，将虚拟仿真技术用于食源性致病菌检验实验教学，建立虚拟仿真实验系统和平台，利用线上线下相结合的实验教学模式，以培养实践能力和创新能力为目标，巩固食品微生物检验实验的理论知识，提高学生的实践动手能力。

一、“食品微生物学”课程实验教学大纲增加虚拟仿真项目

（一）“食品微生物学”实验课程的教学目标和内容

“食品微生物学”课程的实验教学目标是通过具体的实验操作和训练让学生学习和理解食品微生物的基本检验理论、掌握相关的操作，能够进行综合设计和探究性实验训练。实验教学内容主要包括食源性细菌、霉菌和病毒的形态学观察、分离培养、纯化鉴定、生理生化鉴定、菌种保存、血清分型等的定性和定量实验，其中食源性致病菌的检验属于综合性实验，能够把微生物学的各知识点串联起来，既相互联系又循序渐进地开展实验教学项目[2]，对于提高学生综合实验技能、分析问题和解决问题能力具有重要的意义。

（二）虚拟仿真技术辅助“食品微生物学”实验课程教学体系

将虚拟仿真技术用于“食品微生物学”实验课程的首要原则是：针对现实条件难以开出的综合实验项目，进行虚拟仿真，训练动手能力，弥补部分重要实验的内容，尽量创造所需条件来满足教学要求。所以在明晰课程目标的前提下，坚持“能实不虚、虚实结合，以虚促实、以实补虚”的原则，构建虚拟仿真实验系统，形成线上线下结合的混合式实验课程教学模式。

將虚拟仿真技术用于本课程的实验教学是一种新的教学手段，新教学内容增加4个虚拟仿真实验。具体的实验教学内容包括：实验一，食品微生物实验室的生物安全要求。在实验前先进行生物安全的培训，并讲解食品微生物培养基的配制方法及灭菌操作，增加生物安全二级实验室结构和如何使用的仿真实验。实验二，观察食品微生物的形态和学习染色方法。对细菌、霉菌和酵母进行经典的革兰氏染色及显微观察，同时视频观看全自动革兰氏染色过程，学习微生物的形态学检测方法。实验三，微生物的平板计数检验在实体实验室进行。如菌落总数的测定。实验四，细菌的生理生化特征鉴定实验，通过增设食品中沙门氏菌和金黄色葡萄球菌检验虚拟仿真实验完成。实验五，食品中诺如病毒的检验项目，通过增设虚拟仿真实验，学习病毒的鉴定和分离培养方法。

二、虚拟仿真技术辅助“食品微生物学”实验课程教学改革的意义

（一）切实加强生物安全教育

随着我国生物安全法的实施，实验室生物安全相关法规的出台，对食源性致病菌检验及相关的行业行为的管理将更加严格。食源性致病菌的科学研究、生物安全的防护、食物中毒的防控和动植物及进出口食品的检验检疫等都是关系国计民生的重要方面，尤其在当前新冠肺炎疫情持续存在的特殊环境背景下，各类食品的冷链运输、食品安全检验和防控体系的建设，是涉及国家安全和公众健康的重大问题，对于提高国家生物安全治理能力是非常重要的方面，这给食品微生物学和食品安全教育提出了新任务。生物安全教育与本课程密切相关，“食品微生物学”是食品科学与安全专业课程中与生物安全最密切相关的课程，涉及食品安全和人体健康。改革后的“食品微生物学”实验能够从多个层次来强化学习和实训，是开展生物安全宣传和教育的重要实践课程载体。

（二）提高实践教学质量，促进混合式实践教学模式改革

虚拟仿真实践教学是基于计算机虚拟仿真、网络、人机交互及多媒体等新技术，构建基于现实的高度模拟的实验环境和对象，可有效克服生物安全要求的限制，在安全、无风险的条件下开展实验，因此食源性致病菌检验也成为虚拟仿真实验开发的重要方向。在新的教学方案中，通过增设四个虚拟仿真实验来填补实验教学内容的空白，同时提供网络版方便在线学习，高效地提升实践教学资源的质量，促进线上与线下相结合的混合式实践教学模式的改革。

（三）明确“食品微生物学”实验教学内容，促进实验教学资源共享

目前虚拟仿真实验平台的建设以单独实验项目形式进行，各实验中部分知识点或步骤可能存在重复和空白问题，根据实验课程内容，按照“虚实结合、能实不虚，以虚促实、以实补虚”的原则，根据各实验项目的侧重点，避免重复，充分利用有限的教学资源提高质量，扩大其使用范围，实现有效共享。

三、基于虚拟仿真技术的“食品微生物学”实验教学设计及研发

食源性致病菌检验虚拟仿真实验教学设计的原则是以虚拟仿真技术辅助实现BSL-2级实验场景，前提是先进行生物安全培训，培训合格，然后对实验教学的内容进行“横向、纵向”两个维度的优化组合。“横向”是应用现代仿真实验来填补原实验项目的空白，使实训体系更完善;“纵向”是将虚拟仿真技术用于设计型、综合型和研究型等不同类型的实验项目中，实验内容和实践技能的难度逐渐递增，使实验课程结构更合理，努力达到具有高阶性、创新性和挑战度的教学目标。

（一）突出生物安全教育的重要性

生物安全培训的目的一方面是使学生掌握生物安全知识、培养生物安全意识，另一方面是提高学生对微生物检验岗位的职业胜任力和责任感。从学习的初始阶段，强化食品微生物检验工作者的安全意识和生物防控能力，这对培养食品微生物检验的复合型人才具有重要的作用。

1.开展生物安全的重要培训，强化生物安全意识。把生物安全培训和实验项目进行整合，即“食品微生物实验室的生物安全及消毒灭菌”，其教学目标是使学生在食品微生物实验室建立良好的生物安全意识，培养优秀的操作习惯，并掌握消毒、灭菌的基本操作方法。由于食源性微生物检验实验的特殊性，应用虚拟仿真技术，建立生物安全二级虚拟仿真实验室，介绍实验室环境、主要设备的原理及使用要求、人员防护、基本检验流程等，让学生感受沉浸式进入BSL-2实验室，并作为检验人，进行相关仪器设备的操作，增加强烈的亲身体验感，使学生增强安全意识，强化训练生物安全防护技能，同时也为进入BSL-3、BSL-4实验室做好心理准备和技能储备。首先进行生物安全培训，培训后通过菜单选择在线完成系统，随机抽取考核试题来检验学习者的成效。对设备操作时须经过操作考核，先自行查看虚拟设备配备的操作手册，然后根据检验要求设置技术参数、启动设备，观察结果，系统自动记录操作者的交互操作记录，实时记录操作错误并给出成绩。

2.遵循学习规律，循序渐进地反复强化实践训练。生物安全培训的内容也较多，仅通过一次有限的训练是无法全部掌握的。另外，还需要强化良好安全意识的养成训练。因此，需要循序渐进地开展生物安全培训。在食品中沙门氏菌检验虚拟仿真实验中，可以增加BSL-2实验室验人员和物品进出流程的教学内容，强化生物安全柜、超净工作台、紫外灯、消毒剂的使用知识。在食品中金黄色葡萄球菌检验虚拟实验中，检验环境为生物安全二级实验室，可以开展生物安全操作的训练，而且利用实验平台中“食品中诺如病毒检验的虚拟仿真实验”等项目来进一步强化生物安全理念。

（二）丰富“食品微生物学”实验内容，填补实验教学空白

“食品微生物学”实验项目内容的确定依据：（1）食品安全国家标准中关于食品微生物检验需要的必备实践知识有哪些？根据这种客观需求确定应该开展哪些实验？（2）实验需要的实验环境条件是什么？现实环境中利用已有条件可以开出哪些实验？（3）在目前的教学学时内将开展哪些实验？食品微生物学实验教学的必修内容中，根据实际条件不能开出的实验内容设计虚拟仿真实验，弥补实验教学的空白。

1.食品中细菌和真菌检验实验内容。在原实验教学中，细菌和真菌实验所占比例较大，主要集中于形态和生理生化部分，致病菌检验基本处于空白。因此，增设食源性致病菌的检验实验：在综合性实验中增加食品中金黄色葡萄球菌虚拟仿真实验内容，使学生在实验中了解前增菌、增菌和分离培养等检测方法，综合训练学生的微生物操作技能。

2.食品中诺如病毒检验实验内容。食源性病毒的检验项目实验在原实验教学中都是不能开出的。因此，增设诺如病毒检验的虚拟仿真实验，增加病毒核酸检测、病毒免疫检测等知识点。

（三）基于游戏引擎的虚拟仿真技术，开发虚拟仿真实验

根据确定需要补充的实验内容，开展相应仿真实验软件的开发。应用设计融入游戏理念的实训系统：利用视听教育学理论和传播学理论，开发游戏交互式的虚拟教学资源软件，通过虚拟仿真与多媒体技术结合，形成模拟现实的视、听、触觉感官整体虚拟环境，使学生以亲身、自然的方式感受虚拟的客体，并与之互动，进而体验身临其境，像玩游戏升级一样，增加训练和学习的趣味性。

1.食品中沙门氏菌检验虚拟仿真实验的开发。综合性实验采取模块化设计的思路，保持一定的开放性，可以随时补充实验内容。通过电脑或手机完成，进行交互式操作百余次，回答问题十余次，综合实训操作技能。以食品中沙门氏菌检验为例：确定纵向的实验步骤和横向的多个实验结果。实验步骤主要包括培养基配制和杀菌、固液食品的前处理、增菌培养、疑似菌落的挑取、生化鉴定、血清学分型等，其中每一步又包含多个实验操作。实验结果是根据学生操作的选择情况进行预先设计，例如选择沙门氏菌的疑似菌落时，选择的正确或错误分别会得到不同的实验结果。首先根据实验的完整性确定实验步骤，然后依据实验结果的可能性获得多个实验结果，进一步形成实验的流程图，并撰写脚本。同时开发网络版，学生通过网络在电脑上登录系统运行。每个实验项目均设计学习版和考核版，其中学习版在操作过程中含有操作提示和说明;而考核版没有，仅记录操作，完成后导入题库进行综合考核，给出最终成绩。为了克服枯燥、乏味的情绪，在“游戏”中设计比现实更丰富的积分、成就等级奖励来激励学习者。

2.BSL-2生物安全實验室虚拟仿真实验的开发。为了强化生物安全教育和食品微生物学重要实验技能的训练，将BSL-2实验室的结构和使用进行虚拟实验设计。

四、建立虛拟仿真技术辅助“食品微生物学”实验课程教学的新模式

（一）与网络视频结合使用，实现翻转课堂

每个虚拟仿真实验根据内容发一组标准示范视频，在课前提供给学生。另外，学生可以利用软件操作指南，熟练掌握软件内容和实验操作，在虚拟仿真实验课前使用;使用视频，能够节省课堂教学时间，把节约的时间用于实验操作，强化实践训练。既能解决实验课时的短缺，又能提升教学质量，实现翻转课堂的效果。

（二）“以实补虚”，支撑虚拟仿真实验的开展

由于虚拟仿真实验不能完全替代实际操作对学生实践动手能力的培养，因此，在以下方面补充实际操作，达到“以实补虚”：（1）利用设备操作。例如在进行生物安全柜虚拟仿真实验时，可以让学生有序的进行学习操作，保证每个学生能熟练使用设备。（2）应用常规的食品替代阳性样品进行实际操作训练。例如用固体或液体食品替代阳性样品，让学生根据在虚拟仿真实验中学到的内容，利用仿真样品进行反复模拟操作，既强化生物安全意识又同时训练操作技能。

五、结语

虚拟仿真实验课堂比传统课堂更轻松愉悦，但也存在一定的不足，需要进一步补充和完善。如对学生的要求提高，需要提前预习，积极参与课堂活动，通过自主思考来解决问题。虚拟实验对硬件和软件环境的要求较高，尤其网络环境和移动端的使用效果需要改进，在现有PC平台中需进一步建设VR、AR平台，推进实验项目水平的提升。尽管虚拟仿真技术用于辅助“食品微生物学”实验教学设计还存在一些问题，但虚拟仿真实验项目对实验教学内容是非常重要的补充，有助于提高学生自主学习的积极性和实验技能，为其他相关实验教学提供参考。随着现代科技的快速发展，虚拟仿真实验教学资源仍需进一步拓展和完善，以促进实验教学改革，探索培养人才的实验教学新模式。

参考文献

[1]王艳凤，赵国星，刘畅，等.虚拟仿真技术助力下的“医学微生物学”实验课程教学方案设计和实践[J].微生物学通报，2021，48（1）：295-305.

[2]钱猛，崔瑾，成丹，等.南京农业大学微生物学虚拟仿真实验教学模式的探索[J].微生物学通报，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