徐艷陽，李薇茹，王雪松

（吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)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(xì)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(dǎo)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(zhì)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(dǎo)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(dāng)?shù)仁瞧涫澄镏卸镜闹饕?。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，金黃色葡萄球菌是重要的檢驗(yàn)指標(biāo)之一。

食源性致病菌檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是“食品微生物學(xué)”和“食品微生物檢驗(yàn)學(xué)”課程的重要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。2021-04-15起，中國實(shí)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(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。”同時(shí)，根據(jù)GB 4789.1—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 總則》中病原微生物的分離鑒定工作應(yīng)在二級或以上生物安全實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。因此，食品中金黃色葡萄球菌的檢驗(yàn)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，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)以低成本、強(qiáng)交互、超時(shí)空和高安全性等優(yōu)勢在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得了廣泛的應(yīng)用[1-2]。因此，設(shè)計(jì)了在實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)保持不變的情況下，將3D虛擬仿真技術(shù)用于食品中金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，研發(fā)制作了食品中金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，以提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，使學(xué)生掌握食品中金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)的基本理論知識，同時(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

1 虛擬仿真技術(shù)簡介及其優(yōu)勢

1.1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真一詞最早是由計(jì)算機(jī)科學(xué)家杰倫·拉尼爾在1987年使用的。虛擬仿真技術(shù)是一種流行的信息技術(shù)（IT），為了克服現(xiàn)實(shí)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(yàn)，達(dá)到“身臨其境”的效果。其具有以下4個(gè)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(yàn)。

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(jìn)行控制，虛擬環(huán)境也可以對人的操作作出實(shí)時(shí)的響應(yīng)。

虛幻性。系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是人們利用計(jì)算機(jī)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(shí)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(gè)方面：①虛擬出來的環(huán)境給人一種真實(shí)感，像生活在現(xiàn)實(shí)世界中一樣；②當(dāng)人們以自然的行為作用于系統(tǒng)環(huán)境中時(shí)，虛擬環(huán)境作出的響應(yīng)也符合客觀世界的相關(guān)規(guī)律。

1.2 建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指借助3D虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，高度模擬出與實(shí)際場景相似的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，憑借虛擬仿真平臺進(jìn)行金黃色葡萄球菌的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可以進(jìn)行動手交互操作和測試。其優(yōu)勢有：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，輔助學(xué)生理解理論知識，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)[5-6]，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。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。

1.3 建設(shè)3D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]。

2 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)GB 4789.10—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)》內(nèi)容，基于金黃色葡萄球菌的生物學(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)生通過金黃色葡萄球菌檢驗(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，加深對金黃色葡萄球菌檢驗(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

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：進(jìn)入實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備包括更衣、戴帽、戴手套、換鞋，準(zhǔn)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(diào)試。

設(shè)計(jì)虛擬模塊：將金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K系統(tǒng)里分為學(xué)習(xí)模塊和考核模塊，學(xué)習(xí)模塊包括定性和定量檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程，考核模塊包括實(shí)驗(yàn)操作、在線測試和考核評分等。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論。

虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的應(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，選擇食品中金黃色葡萄球菌檢驗(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。學(xué)生也可以用智能手機(jī)等設(shè)備登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，具體如圖1～圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)界面

2.3 實(shí)驗(yàn)特色

食品中金黃色葡萄球菌的檢驗(yàn)是“食品微生物學(xué)”和“食品微生物檢驗(yàn)學(xué)”課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作開始，應(yīng)用3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，還原真實(shí)的食品中金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)場景，使學(xué)生體驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和報(bào)告可以完整提供，不受時(shí)間和空間限制，節(jié)約耗材降低成本。

學(xué)生利用3D虛擬實(shí)驗(yàn)平臺完成金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)關(guān)鍵步驟的交互和重復(fù)操作，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的操作視頻和圖片，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊和選擇即可進(jìn)行，簡單方便、易于操作。這種實(shí)訓(xùn)對提高學(xué)生的實(shí)踐能力，進(jìn)一步驗(yàn)證金黃色葡萄球菌的檢驗(yàn)原理，提高邏輯思維能力有重要作用。

利用3D虛擬仿真技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)，安全性高，避免了學(xué)生感染金黃色葡萄球菌的風(fēng)險(xiǎn)，利用游戲引擎方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更有利于扎實(shí)地掌握金黃色葡萄球菌的檢驗(yàn)技術(shù)。

3 建立虛擬仿真實(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

“食品微生物學(xué)”和“食品微生物檢驗(yàn)學(xué)”是食品科學(xué)與工程和食品質(zhì)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(shí)驗(yàn)室的生物安全在高等學(xué)校教育中更要按規(guī)范操作，避免感染，確保學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全。同時(shí)，要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱教學(xué)學(xué)時(shí)不變的前提下，利用3D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，減少環(huán)境污染

食品中金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求在二級或以上的生物安全實(shí)驗(yàn)室完成，成本很高。在傳統(tǒng)的金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)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)。3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)，一次性制作投入，可以長期應(yīng)用。既可以節(jié)約大量試劑耗材，減少儀器設(shè)備的使用，又能減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

4 結(jié)語

將3D虛擬仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于食品中金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)驗(yàn)過程模塊化，對于金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)這類綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以解決實(shí)驗(yàn)條件、資源、時(shí)空等客觀條件的限制，改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)模式，豐富食品微生物檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)手段，而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力、分析和解決問題的能力，預(yù)防致病菌感染，保障實(shí)驗(yàn)室生物安全。因此，將3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段融入食品中金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為食品微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟了一條新途徑。