“食品生物技術(shù)”課程模擬仿真建設(shè)與實(shí)踐教學(xué)改革

史海粟，武俊瑞，李冬男，鄭 艷，李春強(qiáng)，張 琦，張佰清

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110866）

“食品生物技術(shù)”理論教學(xué)內(nèi)容以基因工程、發(fā)酵工程、酶工程、細(xì)胞工程和蛋白質(zhì)工程技術(shù)為主線，圍繞基因工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用、發(fā)酵工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用、細(xì)胞工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用和酶工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用四大基本模塊，系統(tǒng)講解食品生物技術(shù)的基本原理及應(yīng)用，利用沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)校食品學(xué)院的優(yōu)勢(shì)，突出食品產(chǎn)業(yè)與生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的緊密結(jié)合[1]。在內(nèi)容的組織上突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，形成層次分明的立體知識(shí)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生在掌握基本概念、基本理論、基本技術(shù)的同時(shí)，又能了解生物技術(shù)學(xué)科發(fā)展的前沿，熟悉食品生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)工程應(yīng)用狀況。在多年的教學(xué)工作中，形成了比較鮮明的課程特色[2]。

1 二維模擬仿真技術(shù)在“食品生物技術(shù)”課程中的應(yīng)用

二維模擬仿真技術(shù)是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級(jí)的仿真技術(shù)。近年來，模擬仿真技術(shù)不僅已在城市建設(shè)、場(chǎng)館仿真、樣板房模擬、室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)仿真、道路橋梁設(shè)計(jì)、地質(zhì)災(zāi)害、應(yīng)急預(yù)案等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，而且在高等學(xué)校的課堂中也得到教師和學(xué)生的認(rèn)可，使教學(xué)更生動(dòng)、更直觀，并提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力。

1.1 二維模擬仿真技術(shù)應(yīng)用在“食品生物技術(shù)”課程中具有重要意義

“食品生物技術(shù)”課程是食品科學(xué)與工程專業(yè)的必修課程，在教學(xué)中該課程主要包括基因工程、發(fā)酵工程、酶工程、細(xì)胞工程和蛋白質(zhì)工程方面的知識(shí)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的教學(xué)只能通過板書、幻燈片等手段來完成，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能使學(xué)生充分掌握這些知識(shí)點(diǎn)，尤其課程中包括很多技術(shù)需要實(shí)驗(yàn)來完成，以及涉及到分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，其原理從宏觀上是不可見的，因此，很難直觀地開展課堂教學(xué)和保證每個(gè)學(xué)生都完全理解技術(shù)原理，也難以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，制約了對(duì)高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。

二維模擬仿真教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)可以完成人類肉眼看不到或借助高科技手段也難以達(dá)到的教學(xué)目的，在“食品生物技術(shù)”課程中涉及微觀世界，如基因擴(kuò)增、基因改造是如何完成的，發(fā)酵罐等大型設(shè)備是如何使用的，細(xì)胞融合的實(shí)驗(yàn)技術(shù)是如何操作的，等等。因此，模擬仿真教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值[3]。

1.2 二維模擬仿真技術(shù)在“食品生物技術(shù)”課程中的建設(shè)內(nèi)容

1.2.1 基因工程

基因工程這一章是“食品生物技術(shù)”課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，模擬仿真技術(shù)可以應(yīng)用于多方面：基因在微觀世界是如何擴(kuò)增的，將基因擴(kuò)增的元素，如DNA片段、引物、脫氧核苷酸、核酸聚合酶等，以動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，直觀、生動(dòng)、形象地使學(xué)生理解和掌握基因擴(kuò)增的過程；《表達(dá)載體的構(gòu)建》是基因工程這一章學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容，載體質(zhì)粒和目的基因在限制性內(nèi)切酶的作用下是如何切割的，二者是如何正確識(shí)別的，如何在DNA連接酶的作用下連接的，這些過程通過動(dòng)畫模擬可以使學(xué)生在很短的時(shí)間內(nèi)掌握這個(gè)難點(diǎn)，并加深學(xué)生對(duì)此問題的印象；目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的過程在電鏡下可能會(huì)被觀察到，但實(shí)驗(yàn)的成本、實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備時(shí)間、儀器的使用，以及實(shí)驗(yàn)過程中遇到的一系列問題，而通過模擬目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞的過程，既降低了實(shí)驗(yàn)成本，也使學(xué)生清楚地看到這個(gè)過程；在基因的調(diào)控中，乳糖操縱子的阻遏和誘導(dǎo)過程是比較難理解的，但通過模擬技術(shù)將這2個(gè)過程以動(dòng)畫形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，可以輕松理解該過程的原理。

對(duì)于以上實(shí)驗(yàn)的操作過程也可以通過模擬技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)，如基因擴(kuò)增儀的操作步驟，化學(xué)轉(zhuǎn)化或點(diǎn)轉(zhuǎn)化儀的使用步驟，以及基因組、RNA的提取步驟，核酸電泳的操作步驟等。該系統(tǒng)中各模塊具有非常逼真精細(xì)的模擬現(xiàn)場(chǎng)和操作單元，學(xué)生可親自動(dòng)手操作，對(duì)變性、退火、延伸的時(shí)間和溫度的設(shè)置，提取基因組、RNA后濃度的檢測(cè)，瓊脂糖凝膠的配制，電泳槽的安裝和使用等，同時(shí)該系統(tǒng)可以學(xué)生的操作過程和結(jié)果進(jìn)行客觀的考核與評(píng)定。

1.2.2 發(fā)酵工程

在發(fā)酵工程這一章中，發(fā)酵罐的使用是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。例如，對(duì)于乳酸菌的發(fā)酵和單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)可以采用模擬仿真技術(shù)模擬其發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn)。發(fā)酵工藝流程包含菌種介紹、滅菌、培養(yǎng)基配制、接種、發(fā)酵工藝操作、發(fā)酵罐的操作（包括發(fā)酵罐的構(gòu)造、設(shè)備的連接、各參數(shù)的設(shè)置及操控、裝液量、接種量、補(bǔ)料等），以及后續(xù)發(fā)酵產(chǎn)物的分離提取純化等技術(shù)。該系統(tǒng)中各模塊之間可以關(guān)聯(lián)，每個(gè)模塊內(nèi)也可以相互關(guān)聯(lián)：在學(xué)習(xí)發(fā)酵罐的使用時(shí)，發(fā)酵罐裝液量或接種量對(duì)于各參數(shù)的影響，以及前期滅菌、培養(yǎng)基配制等對(duì)發(fā)酵過程的影響，溶解氧、溫度、pH值等發(fā)酵過程中重要參數(shù)是如何通過溶解氧電極、溫度電極、pH值電極實(shí)現(xiàn)的，以及發(fā)酵罐使用時(shí)需要注意的事項(xiàng)，如消泡劑是否添加，怎樣檢查是否漏液、密封性是否良好，怎樣避免取樣后染菌等。這些步驟及注意事項(xiàng)學(xué)生在親自動(dòng)手操作之后，會(huì)有感性的認(rèn)識(shí)，在系統(tǒng)中也可以設(shè)置考核模塊，對(duì)上述步驟進(jìn)行逐一考核，對(duì)不合格的學(xué)生進(jìn)行重新考核，考核系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)性設(shè)置。

1.2.3 酶工程

酶工程這一章主要要求學(xué)生掌握固定化酶和酶分子改造的內(nèi)容。酶的固定化有很多方法，如吸附法、包埋法、共價(jià)結(jié)合法和交聯(lián)法，給學(xué)生講授這些方法時(shí)可以采用模擬仿真技術(shù)，將各種固定化方法中酶和載體的連接方式以動(dòng)畫形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生從微觀上了解固定化酶的分子結(jié)構(gòu)，從而更深刻地掌握各種固定化酶的方法。酶分子改造的種類有很多種，其中氨基酸置換改造、核苷酸置換改造、功能區(qū)域交換改造和酶的定向進(jìn)化改造是要求學(xué)生重點(diǎn)掌握的，這些方法都是以基因突變?yōu)榍疤岬模梢圆捎媚M仿真技術(shù)，將基因突變的整個(gè)過程以動(dòng)畫形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生在輕松掌握基因突變的原理的基礎(chǔ)上，充分理解這些酶分子改造的方法；也可以采用模擬仿真技術(shù)，模擬重組酶構(gòu)建的整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過程，可以設(shè)置突變引物設(shè)計(jì)的模塊，基因工程單元的模塊、蛋白質(zhì)提取模塊、蛋白膠的配制及蛋白電泳的操控模塊，以及Western blotting的操作模塊，這些實(shí)驗(yàn)步驟在實(shí)際操作時(shí)需要準(zhǔn)備大量的試劑耗材和前期的準(zhǔn)備工作，實(shí)驗(yàn)過程中的等待時(shí)間，還需要凝膠成像儀、電泳儀、基因擴(kuò)增儀等各種分子生物學(xué)儀器來完成。而采用模擬仿真技術(shù)來完成這些實(shí)驗(yàn)，既可以節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)成本，也可以大大縮短準(zhǔn)備時(shí)間和實(shí)際操作時(shí)間，讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握酶分子改造的方法。

1.2.4 細(xì)胞工程

細(xì)胞工程這一章需要學(xué)生了解動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)過程，掌握細(xì)胞融合的原理及技術(shù)。采用模擬仿真技術(shù)，可以建立模擬細(xì)胞房，在模塊中可以設(shè)置細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，如生物安全柜、CO2培養(yǎng)箱、倒置顯微鏡、冷藏設(shè)備、消毒滅菌設(shè)施、水純化裝置等，這些儀器的擺放位置、使用方法、注意事項(xiàng)等內(nèi)容可以通過系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)：打開生物安全柜前，需要帶好手套、穿好實(shí)驗(yàn)服、戴好口罩、使用酒精擦拭臺(tái)面、接種等操作，CO2培養(yǎng)箱堅(jiān)決不能培養(yǎng)微生物，倒置顯微鏡的使用步驟，從液氮罐中取放樣品的步驟、使用滅菌鍋對(duì)玻璃器皿的滅菌、水純化裝置的原理等，這些模塊足以讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)了解細(xì)胞房的構(gòu)造、儀器的操作和掌握主要的實(shí)驗(yàn)步驟。系統(tǒng)設(shè)置動(dòng)物的解剖模擬實(shí)驗(yàn)，將解剖的具體步驟設(shè)置成一模塊。細(xì)胞融合技術(shù)也是這一章的重點(diǎn)，可以通過系統(tǒng)了解細(xì)胞融合這一過程的原理和微觀過程。對(duì)以上這些模塊都可以進(jìn)行考核和測(cè)驗(yàn)，讓學(xué)生自己學(xué)習(xí)后通過考核模塊自行考試。

1.2.5 蛋白質(zhì)工程

在蛋白質(zhì)工程這一章中，學(xué)生需要了解蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)的獲得需要對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行提取、純化、結(jié)晶和X衍射、電鏡觀察等步驟。這些實(shí)驗(yàn)步驟都是高成本的，也是相當(dāng)耗時(shí)的，采用模擬仿真技術(shù)將這些步驟制作成獨(dú)立的模塊，在授課過程中進(jìn)行逐一講解，提取、純化蛋白質(zhì)的每個(gè)步驟讓學(xué)生通過系統(tǒng)中的模塊自己進(jìn)行操作，將純化的蛋白質(zhì)導(dǎo)入電鏡模塊，通過設(shè)置電鏡參數(shù)，觀測(cè)到清晰的三維結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬和分析。

1.3 二維模擬仿真技術(shù)在“食品生物技術(shù)”課程中的作用及功能

（1）解決成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、耗能大的實(shí)驗(yàn)。在“食品生物技術(shù)”課程中，很多實(shí)驗(yàn)技術(shù)屬于分子生物學(xué)領(lǐng)域，其實(shí)驗(yàn)成本巨大、實(shí)驗(yàn)等待時(shí)間長(zhǎng)、間隔時(shí)間長(zhǎng)短不一、大型儀器設(shè)備耗能大，且一旦損壞維修時(shí)間、成本也十分高。采用模擬仿真技術(shù)將每個(gè)實(shí)驗(yàn)原理技術(shù)設(shè)置成獨(dú)立模塊，可讓學(xué)生快速地從視覺上掌握這些實(shí)驗(yàn)技能。

（2） 解決學(xué)生對(duì)枯燥的技術(shù)原理的理解。在“食品生物技術(shù)”課程的教學(xué)中，許多原理、反應(yīng)都是肉眼不可見的，通過模擬技術(shù)，將微觀世界以動(dòng)畫形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，可使學(xué)生很直觀地理解大多數(shù)的技術(shù)原理；也可讓學(xué)生在模塊下獨(dú)立自主進(jìn)行操作，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考解決問題的能力[4]。

（3）實(shí)現(xiàn)在課堂無法開設(shè)的內(nèi)容轉(zhuǎn)化成虛擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在校期間的實(shí)踐機(jī)會(huì)非常少，且學(xué)校里不可能具備各類食品的生產(chǎn)車間。即使進(jìn)入到工廠實(shí)習(xí)，也只是走馬觀花，對(duì)工廠的布局、車間、機(jī)器、管線、包裝等環(huán)節(jié)一無所知。系統(tǒng)可以將食品工廠（如乳酸發(fā)酵、酒釀造等）發(fā)酵車間進(jìn)行模擬，使學(xué)生可以從三維角度進(jìn)入車間，并對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)自行操作，對(duì)發(fā)酵食品的整個(gè)生產(chǎn)過程了如指掌。

此外，二維模擬仿真技術(shù)在考核、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和平臺(tái)交流等方面也具有重要的作用。①作為學(xué)生和技術(shù)人員的考核功能：通過服務(wù)器后臺(tái)調(diào)用題庫(kù)，并結(jié)合模擬仿真操作，讓學(xué)生通過模擬環(huán)境進(jìn)行考核。②實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)功能：系統(tǒng)可以配備實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、數(shù)據(jù)處理以及圖表生成、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、注意事項(xiàng)和試題庫(kù)等內(nèi)容供學(xué)生使用。③交流平臺(tái)功能：系統(tǒng)可以設(shè)置交流平臺(tái)，使學(xué)生可以通過網(wǎng)上留言與教師交流，也可在學(xué)生間進(jìn)行討論，同時(shí)也方便教師與學(xué)生互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在課下對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的掌握[5]。

2 三維全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“食品生物技術(shù)”課程中的應(yīng)用

三維全景虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)是基于全景圖像的真實(shí)場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)的一門技術(shù)。全景（Panorama）是把相機(jī)360度拍攝的一組或多組照片拼接成一個(gè)全景圖像，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位互動(dòng)式觀看的真實(shí)場(chǎng)景還原展示方式，并可使用鼠標(biāo)控制環(huán)視的方向，可左可右，可上可下，可前可后，可近可遠(yuǎn)，更高級(jí)的可佩戴VR眼鏡，使學(xué)生感到就好像處在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，通過一副眼鏡瀏覽一切。

在“食品生物技術(shù)”課程中，涉及很多技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用，如單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)、乳酸菌制品的生產(chǎn)、葡萄糖氧化酶的固定化、奶酪中凝乳酶的應(yīng)用、果膠酶在葡萄酒中的應(yīng)用等。這些通過生物技術(shù)手段生產(chǎn)的食品在車間里的生產(chǎn)程序?qū)τ谑称房茖W(xué)與工程的本科生來說是比較陌生的，很多學(xué)生由于不能身臨其境地感受到生產(chǎn)環(huán)境，而只能通過書本和圖片簡(jiǎn)單地認(rèn)識(shí)和理解教師教給的知識(shí)點(diǎn)。而采用VR技術(shù)可以讓學(xué)生看到原料車間、生產(chǎn)車間、貯藏車間里的每一個(gè)細(xì)節(jié)、質(zhì)檢實(shí)驗(yàn)室都需要哪些設(shè)備和檢驗(yàn)步驟，可以通過模塊具體到對(duì)每一處細(xì)節(jié)進(jìn)行講解，還可以通過系統(tǒng)模塊讓學(xué)生自己進(jìn)行模擬操作，包括對(duì)原料的處理、發(fā)酵的過程、產(chǎn)品的包裝和新產(chǎn)品的研發(fā)等，可以給學(xué)生自我發(fā)揮的空間，讓學(xué)生通過VR技術(shù)真正地作為一名廠區(qū)的員工進(jìn)行操控。在學(xué)習(xí)后，具備一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，對(duì)畢業(yè)后工作具有直接的幫助。

VR技術(shù)比模擬仿真技術(shù)會(huì)讓學(xué)生更深一層地體會(huì)到學(xué)習(xí)的樂趣。VR技術(shù)使學(xué)生在整個(gè)視野下都可以觀察到環(huán)境場(chǎng)景，也可以使學(xué)生通過鼠標(biāo)或操縱轉(zhuǎn)置自行進(jìn)行主觀對(duì)場(chǎng)景的設(shè)施進(jìn)行操作。這比單純的二維動(dòng)畫、二維顯示器下的三維圖像更加逼真，讓學(xué)生從視覺上觀察到的影像跟實(shí)際環(huán)境完全一致，而且還能通過系統(tǒng)完成現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件下無法進(jìn)行的事件，如對(duì)某一細(xì)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)的講解、設(shè)備內(nèi)部的構(gòu)造、高溫高壓黑暗環(huán)境下的觀察、微觀結(jié)構(gòu)的原理以及設(shè)備的維護(hù)等。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“食品生物技術(shù)”課程中的應(yīng)用展望

上述講到的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都是虛擬出來的，也就都是假的；而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是把虛擬的東西疊加到現(xiàn)實(shí)的東西上，是計(jì)算機(jī)在現(xiàn)實(shí)影像上疊加相應(yīng)的圖像技術(shù)，利用虛擬世界套入現(xiàn)實(shí)世界并與之進(jìn)行互動(dòng)，達(dá)到“增強(qiáng)”現(xiàn)實(shí)的目的。在“食品生物技術(shù)”課程中，這種技術(shù)可以應(yīng)用在一些儀器設(shè)備的使用上，如倒置顯微鏡的使用步驟，包括開機(jī)、切片、調(diào)節(jié)光線、調(diào)節(jié)熒光、尋找圖像等具體操作可以通過手機(jī)屏幕，看到每一個(gè)步驟的具體操作過程在顯微鏡上的具體位置，對(duì)于使用者，這種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是非常方便的。這種技術(shù)在未來食品生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用前景更加廣闊。

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)是比增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的面更寬、比虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更先進(jìn)的一種技術(shù)。它是填補(bǔ)了從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)到增強(qiáng)虛擬之間的空缺，把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬連在一起，它是先把真實(shí)的東西虛擬化，然后疊加到虛擬世界里。在“食品生物技術(shù)”課程中，這種技術(shù)可以應(yīng)用在發(fā)酵設(shè)備的使用和發(fā)酵液的微觀變化上，在系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的使用，進(jìn)一步進(jìn)入到發(fā)酵液中，通過軟件放大發(fā)酵液到細(xì)胞層次，可以讓學(xué)生觀察到在發(fā)酵過程中細(xì)胞與細(xì)胞之間、細(xì)胞內(nèi)部的代謝是如何發(fā)生變化的，發(fā)酵底物是如何被利用的，以及發(fā)酵產(chǎn)物是如何生成和分泌的等。這在現(xiàn)實(shí)中是無法完成的。這項(xiàng)技術(shù)正在發(fā)展中，它被看作是技術(shù)領(lǐng)域的下一場(chǎng)革命。因此，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是未來的發(fā)展方向。