食品中沙門氏菌檢驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究

王作昭 李薇茹 王雪松 陳艷 張鐵華 徐艷陽

摘 要：隨著我國生物安全法的制定和實(shí)施，我國的生物安全防護(hù)工作越來越被重視，在食品微生物檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，針對食源性致病菌實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的生物安全問題，將以3D仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托的計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)用于食品中沙門氏菌檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)樣品前處理、增菌、分離培養(yǎng)、生化鑒定和血清學(xué)分型虛擬實(shí)驗(yàn)，還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求、實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟及互動感受，避免食源性致病菌的實(shí)驗(yàn)室感染，提高學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)熱情，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系。

關(guān)鍵詞：沙門氏菌檢驗(yàn);虛擬仿真實(shí)驗(yàn);食源性致病菌;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

沙門氏菌屬（Salmonella）是腸桿菌科的一個(gè)大屬，至今已發(fā)現(xiàn)2 500多個(gè)血清型，是在形態(tài)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)和生化特性方面極其相似的一群革蘭氏陰性腸道桿菌。1900年為紀(jì)念豬霍亂桿菌的發(fā)現(xiàn)者——美國細(xì)菌學(xué)家D.E.Salmon，將此類細(xì)菌命名為沙門氏菌。它與食品安全和人類的健康息息相關(guān)，是引起人類食物感染和食物中毒的重要致病菌，是最常見的食源性疾病的病原微生物。根據(jù)各國的資料統(tǒng)計(jì)表明沙門氏菌引發(fā)的食物中毒在細(xì)菌性食物中毒中占據(jù)首位，是食品公共衛(wèi)生的重要問題。在食品安全檢驗(yàn)中，尤其是動物源性食品的微生物檢驗(yàn)中，沙門氏菌是重要的檢驗(yàn)指標(biāo)之一。

食品微生物檢驗(yàn)學(xué)是食品專業(yè)的必修課程，食源性致病菌檢驗(yàn)是必檢項(xiàng)目。我國的《中華人民共和國生物安全法》自2021年4月15日起施行。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(hù)水平，對病原微生物實(shí)驗(yàn)室實(shí)行分等級管理。從事病原微生物實(shí)驗(yàn)活動應(yīng)當(dāng)在相應(yīng)等級的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行”。根據(jù)《人間傳染的病原微生物名錄》，腸道致病微生物屬高致病性病原微生物[1-2]。根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 總則》（GB 4789.1—2016），食品中沙門氏菌的分離、鑒定工作應(yīng)在BSL-2或以上生物安全實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

目前食源性致病菌檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，正面臨這些生物安全規(guī)范的要求，同時(shí)實(shí)際工作中還不具備符合要求的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，涉及高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、高消耗及大型綜合訓(xùn)練等運(yùn)行困難的問題。近年來，虛擬仿真技術(shù)以低成本、強(qiáng)交互、超時(shí)空和安全性高等優(yōu)勢在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

1 虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)是一種創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬環(huán)境的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，利用交互式三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真達(dá)到“身臨其境”的效果[3-4]。

1.1 建立虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

（1）充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)習(xí)興趣。虛擬實(shí)驗(yàn)是利用游戲設(shè)定的方式，讓學(xué)生進(jìn)入教學(xué)情境，最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并引導(dǎo)自主學(xué)習(xí)。

（2）提高學(xué)生實(shí)踐能力。利用人機(jī)實(shí)時(shí)交互，學(xué)生親自動手操作，完成在線實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)操作風(fēng)險(xiǎn)低。而且可反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，輔助理解理論知識，培養(yǎng)實(shí)踐能力。

（3）改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。虛擬實(shí)驗(yàn)擁有沉浸式教學(xué)、強(qiáng)交互性操作等特點(diǎn)，更智能地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力[5-6]。

（4）節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源。虛擬實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施、儀器設(shè)備和耗材等條件的影響，最大限度地降低實(shí)驗(yàn)成本。

1.2 建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

利用虛擬仿真技術(shù)重新構(gòu)建傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容，通過多維度的視聽體驗(yàn)、可視化的效果展示、身臨其境的介入感、沉浸感，吸引學(xué)生的注意力，顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[7-8]。

2 食品中沙門氏菌檢驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)背景

根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 沙門氏菌檢驗(yàn)》（GB 4789.4—2016）內(nèi)容，基于沙門氏菌的生物學(xué)特性，在減少感染風(fēng)險(xiǎn)、確保學(xué)生安全的背景下，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法。讓學(xué)生通過沙門氏菌檢驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟方法有機(jī)結(jié)合，在電腦上可以多次重復(fù)、交互操作，提高學(xué)生動手實(shí)踐的能力，加深對沙門氏菌檢驗(yàn)原理的理解，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。包括更衣、帶帽、帶手套、換鞋，準(zhǔn)備試劑及耗材、營養(yǎng)瓊脂、BS培養(yǎng)基、XLD培養(yǎng)基、HE培養(yǎng)基等試劑，配制培養(yǎng)基、玻璃器皿清洗、高壓殺菌，儀器調(diào)試。

（2）設(shè)計(jì)虛擬模塊。將虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K系統(tǒng)分為學(xué)習(xí)模塊和考核模塊，學(xué)習(xí)模塊包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、過程，考核模塊包括實(shí)驗(yàn)操作、在線測試和考核評分等。

（3）實(shí)驗(yàn)操作。①配制培養(yǎng)基：BS培養(yǎng)基、XLD培養(yǎng)基、HE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：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血清分型鑒定。⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論。

（4）虛擬實(shí)驗(yàn)軟件應(yīng)用。學(xué)生可通過用戶登錄模塊登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，輸入用戶名和密碼登錄并選擇食品中沙門氏菌檢驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，獲取實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，熟悉實(shí)驗(yàn)流程后進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，完成并提交報(bào)告后，教師可在線批改并發(fā)布實(shí)驗(yàn)成績。

2.3 食品中沙門氏菌檢驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特色

（1）本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備開始，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，還原真實(shí)的食品中沙門氏菌檢驗(yàn)場景，呈現(xiàn)樣品前處理、增菌培養(yǎng)、分離鑒定、血清分型等過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和報(bào)告可以完整提供，不受時(shí)間空間限制，節(jié)約資源。

（2）通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊和選擇即可完成關(guān)鍵步驟的交互操作，簡單易操作，對提高學(xué)生的實(shí)踐能力、驗(yàn)證檢驗(yàn)原理、提高邏輯思維能力有重要作用。

（3）安全性高，避免了感染沙門氏菌的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)利用游戲引擎方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 建立食品中沙門氏菌檢驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的意義

3.1 避免生物感染，保障實(shí)驗(yàn)室的生物安全

食品中沙門氏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，生物安全在高等教育中，更要遵守規(guī)范操作，避免感染，確保學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全。同時(shí)，為了在實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱教學(xué)學(xué)時(shí)不變的前提下，利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，使學(xué)生在身臨其境、實(shí)時(shí)互動中掌握知識，改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量。

3.2 避免重復(fù)采購試劑和耗材，減少污染

沙門氏菌檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求在BSL-2或以上的生物安全實(shí)驗(yàn)室完成，成本很高。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式中，從試劑、耗材、儀器設(shè)備的招標(biāo)采購，每年都要花費(fèi)較多的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，一次性制作投入，可以長期應(yīng)用。

4 結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)模式相結(jié)合，不僅能解決傳統(tǒng)教學(xué)中基礎(chǔ)設(shè)施和教學(xué)設(shè)備不足的問題，還能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果，對學(xué)生理論知識的掌握和實(shí)踐能力的提高均具有非常積極的作用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將成為未來食品專業(yè)教學(xué)的重要途徑。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：吉林大學(xué)本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2019XYB143）;吉林大學(xué)本科“創(chuàng)新示范課程”建設(shè)項(xiàng)目（201944）。

作者簡介：王作昭（1979—），男，漢族，河北保定人，博士，高級實(shí)驗(yàn)師。研究方向：食品安全。

通信作者：徐艷陽（1972—），女，吉林公主嶺人，博士，副教授，研究方向：食品營養(yǎng)與安全。E-mail：xuyy@jlu.edu.cn。