“ARTP誘變篩選大腸埃希氏菌營養缺陷型”虛擬仿真實驗的構建

郝魯江，韓寧，張杰，祝文興，遲玉霞，王俊明，王婧臻

摘要：“ARTP誘變篩選大腸埃希氏菌營養缺陷型”虛擬實驗教學項目的課程軟件基于安全、成熟、易用、高性能、先進的虛擬仿真平臺架構進行構建。項目具有“實驗內容涵蓋誘變育種全周期”“避免不良實驗結果影響后續實驗”“有效縮短實際實驗周期”等優勢。虛擬實驗過程由“虛擬環境+虛擬儀器+虛擬試劑”構成。實驗包含4大模塊，誘變處理、營養缺陷型濃縮、營養缺陷型檢出、營養缺陷型鑒定以及6個主要操作步驟及29個具體操作步驟。學生可通過自主式、案例式的在線學習，掌握等離子體（ARTP）誘變技術的基本原理;學習營養缺陷型菌株的概念及重要意義;學習了解營養缺陷型菌種篩選、鑒定的原理及常用方法;系統學習、掌握通過ARTP技術誘變大腸桿菌并篩選、鑒定其營養缺陷型的方法及操作等實驗目的。

關鍵詞：微生物學;虛擬仿真;常壓室溫等離子體;誘變育種

中圖分類號：G642.423 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）01-0387-03

為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高[2012]4號）精神，根據《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》，開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，教育部自2013年起建設1500個國家級虛擬仿真實驗教學中心。教育信息化程度是評價高校辦學質量的重要指標，教學資源的建設，尤其是軟件的開發和建設，也是名校建設的重中之重，《齊魯工業大學十三五發展規劃（草案）》將發展教學資源建設，籌備國家虛擬仿真實驗教學中心列為教改的重要工作。

《微生物學》《微生物學實驗》是我校開課歷史最久、開課專業最多的重要專業基礎課，基礎微生物學實驗以驗證性真實實驗為主，虛擬仿真實驗教學資源是真實實驗教學資源的重要補充，是人才培養計劃和實驗教學大綱要求必須開展的實驗項目。虛擬仿真實驗教學資源模擬高危險、高污染環境開展虛擬仿真實驗，模擬開展真實實驗教學中高消耗、高成本的實驗項目，達到了真實實驗的實驗效果，彌補了真實實驗教學的不足。

一、虛擬仿真實驗教學的使用目的

以“ARTP（Atmospheric and Room Temperature Plasma，常壓室溫等離子體）誘變篩選大腸埃希氏菌營養缺陷型”實驗為例，ARTP設備昂貴，無法在本科生的基礎實驗中大量購置、使用;ARTP設備操作環境要求高，有一定危險，不適宜本科生實驗使用。以虛擬仿真的手段模擬設備功能，替代實際操作的也能很好地滿足學生學習實驗原理，掌握實驗方法和技能的目標。遺傳誘變育種廣泛應用在基礎生物學研究及生產育種工作中。本實驗的設計選取了ARTP誘變這一新技術，以常用的大腸桿菌（大腸埃西氏菌）作為誘變菌株，在虛擬仿真環境中通過案例式教學學習實驗的原理并采用交互操作的方式完成實驗過程。能夠良好地實現學習、掌握等離子體（ARTP）誘變技術的基本原理;學習營養缺陷型菌株的概念及重要意義;學習了解營養缺陷型菌種篩選、鑒定的原理及常用方法;系統學習、掌握通過ARTP技術誘變大腸桿菌并篩選、鑒定其營養缺陷型的方法及操作等實驗目的。

二、虛擬仿真實驗教學方法的實施過程

流程概述：學生用戶登錄—系統授權開放登錄用戶指定的實驗項目—用戶點選項目—驗證通過激活模塊應用—模塊應用與平臺發生數據交互—用戶結束實驗項目—模塊應用完成數據傳輸后關閉結束。

通過平臺學生用戶的登錄點擊操作，激活運行指定模塊應用。模塊在激活啟動、運行中和運行結束等各個環節中需要保持和平臺的緊密交互，通過數據交互、數據傳輸來完成所有模塊功能中產生的數據同步到平臺，保證平臺數據的有效性和完整性。

案例式教學中，以典型的常見菌——大腸埃希氏菌為誘變菌株，通過關于原理的動畫向同學介紹整個實驗的步驟、流程和基本操作;之后，以流程圖的方式列出各實驗步驟;學生點擊各實驗步驟，進入該步驟的操作界面;依據對話框的文字提示，選取實驗中的試劑、藥品、耗材，并按提示進行操作;各步驟實驗結果截屏作為完成該步驟的結果;各實驗步驟依次完成后結束實驗。

學生在虛擬環境中進行的實驗，可以通過授課教師的實時監控在線進行評價及答疑;同學們在課后可提交實驗報告、選擇實驗相關的問題。教師綜合評定實驗成績。學習過程體現了以案例為基礎的互動式，自主式學習的特點。

目前，國內外尚未見通過ARTP技術誘變篩選大腸桿菌營養缺陷型菌株的虛擬實驗教學軟件，該軟件的開發及應用具有自主知識產權，創新突出。軟件可以很好地體現實驗內容涵蓋誘變育種全周期、避免不良實驗結果影響后續實驗、有效縮短實際實驗周期過長等優勢。

三、虛擬仿真實驗教學方法的實施效果

虛擬仿真實驗教學資源與真實實驗教學資源相結合，進一步完善了實驗教學體系。使學生對真實實驗難以開展的實驗項目的實驗機理、反應規律、實驗現象有了更深入的了解，能夠更加全面地掌握微生物相關知識。使用微生物學3D虛擬互動仿真軟件（ARTP誘變篩選大腸埃希氏菌營養缺陷型），能夠具備以下實施效果。

1.仿真展示，讓使用者能在虛擬環境中產生強烈的沉浸感。體現真實世界與虛擬現實的高度融合。

2.3D虛擬互動仿真軟件可緩解實驗設備（ARTP）套數不足，讓學生有足夠的時間在仿真設備上操作，減輕對大型、昂貴設備的損壞。有利于形成虛擬實驗教學的專門課堂。

3.大型儀器（ARTP）實驗仿真軟件特點：去除了繁雜的實驗準備工作，節省了大量人力、物力，使代課老師和實驗準備教師從開放實驗中解放出來，真正做到輕松教學、快樂學習。

4.全面的知識講解：每一個仿真儀器對應于一個知識課件，課件里有全面的知識體系，包含儀器相關操作和組成介紹等。豐富的原理展示：原理部分采用Flash動畫，使學生通俗易懂。

5.校園培訓網絡通過網絡平臺整合虛擬教學資源，形成教、學、研一體的教學軟件系統;教師很輕松的安排教學內容、掌握教學成效、統計成績;學生可以不受時間空間限制，只要有網絡的地方就可以動手做實驗。

6.通過開展在線教學服務或技術支持等，積極發揮對專業類實驗教學信息化建設的示范引領作用。

四、虛擬仿真實驗步驟及方法簡述

（一）實驗步驟（共計29步）

實驗流程分為誘變處理、營養缺陷型濃縮、營養缺陷型檢查、營養缺陷型鑒定4個模塊（圖1）。

6個主要操作步驟及29步具體操作步驟包括：（1）菌懸液制備（6步）：超凈工作臺的滅菌，接種培養，移取菌液，離心和制備菌懸液;（2）誘變處理（6步）：菌懸液的分制，移至誘變機，設置ARTP參數，載片轉移，制備、稀釋菌懸液;（3）誘變后處理（2步）：離心收集誘變菌種，重新制備菌懸液;（4）檢出缺陷型菌株（4步）：基本培養基和完全培養基上涂布，恒溫培養，點種培養，篩選出缺陷型菌株;（5）復證（2步）：挑選菌株進行劃線培養，營養缺陷型的復證;（6）生長譜鑒定（9步）：選擇已知的缺陷菌株，菌液配制及移取，離心，菌液制備，再次離心，菌液制備，涂布培養，檢測缺陷菌株。

（二）實驗方法

整個實驗采用三維交互操作的形式完成。按照項目的操作提示，使用者從右上角的工具欄中選擇相應的操作器材并按提示完成三維交互操作（圖2、圖3）。

五、考核要求

目前虛擬仿真教學平臺具備的三種考核方式如下。

1.在線答疑。學生可在線提交關于實驗原理及操作的問題，授課教師在后臺查看并回答解疑。

2.學生實驗報告的批改。學生可網絡上傳Word或者PDF格式的實驗報告，授課教師可在線查看，批改及打分。實驗報告的成績評定以學生報告中是否完成了全部實驗步驟，各實驗步驟的結果是否準確作為依據。

3.在線測試。選課同學可在課程題庫中答題，選擇題、填空題自動打分，得出成績。授課教師批改實驗報告后完成成績統計和評定。

成績構成為：10%在線答疑表現及成績+60%實驗報告成績+30%在線測試成績=100分

虛擬仿真教學平臺及實驗軟件在設計上充分考慮了同學們互動式、自主式教學的需要：學生可以通過教學平臺提交實驗報告，提出課程問題;教師可在線批改實驗報告、回答學生提問。形成教與學的良性互動。學生按照軟件的操作提示可以自主順利完成全部實驗操作過程，還可以不受操作次數的限制反復練習強化對實驗技術的掌握，軟件的各主要步驟都包含實驗結果，方便同學們驗證實驗結論。

美國印第安納大學和普渡大學印第安納波利斯聯合分校的普通化學課、普渡大學和佛羅里達國際大學的生物學導論課都采取了同伴領導的團隊學習模式和工作坊協作方式，并將電子教材、交互式多媒體課件、虛擬仿真軟件、網絡實驗室以及視頻資料等整合于在線學習環境之中[1]。國內西南醫科大學[2]、武漢科技大學[3]的教師對微生物學虛擬實驗平臺建設進行了研究;南京農業大學[4]、南華大學[5]、山西師范大學[6]的教師們探討了微生物虛擬仿真實驗教學的模式;安徽醫科大學構建了霍亂弧菌的感染與診斷[7]及腸道致病菌分離與鑒定[8]等虛擬仿真實驗并在教學中加以應用。相信伴隨著更多微生物學虛擬仿真實驗項目的建設及教學模式的研究，將對提高微生物學實驗效果起到良好的推動和促進作用。

參考文獻：

[1]王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015，34（5）：214-219.

[2]楊閩楠，邢效瑞，王光西，等.醫學微生物學虛擬仿真實驗平臺建設初探[J].基礎醫學教育，2018，20（2）：137-140.

[3]于志君，鄧海英，江珍玉.虛擬仿真實驗教學結合傳統實驗教學在醫學微生物教學中的應用研究[J].世界最新醫學信息文摘，2018，18（100）：309-310.

[4]錢猛，崔瑾，成丹，等.南京農業大學微生物學虛擬仿真實驗教學模式的探索[J].微生物學通報，2016，43（4）：861-866.

[5]李忠玉，趙飛駿，朱翠明，等.基于虛擬環境下的醫學微生物學實驗教學模式研究[J].教育教學論壇，2017，（45）：279-280.

[6]王思宇，徐建國，張麗紅，等.微生物學虛擬仿真實驗教學模式初構[J].高教學刊，2018，（22）：104-106.

[7]呂樹娟，蘆寶靜，劉伯玉，等.霍亂弧菌的感染與診斷虛擬仿真實驗的創建與應用[J].基礎醫學教育，2018，20（7）：581-583.

[8]王曉楠，李京培，唐媛媛，等.腸道致病菌分離與鑒定虛擬仿真實驗教學系統建設與實踐[J].基礎醫學教育，2018，20（10）：904-907.

Design and Manufacture of Virtual Simulation Experiment "Screening for the Nutritional Deficiency Type of Escherichia Coli Induced by ARTP Mutagenesis"

HAO Lu-jiang，HAN Ning，ZHANG Jie，ZHU Wen-xing，CHI Yu-xia，WANG Jun-ming，WANG Jing-zhen

（School of Bioengineering，Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences），Ji'nan，Shandong 250353，China）

Abstract：The design and manufacture of virtual simulation experiment "Screening for the nutritional deficiency type of Escherichia coli induced by ARTP mutagenesis" base on safe，mature，easy to use，high performance，advanced virtual simulation platform.The advantages of the project include "the experiment content covers the whole period of mutagenesis breeding"，"avoid adverse experiment results affecting subsequent experiments"，and "effectively shorten the actual experiment period".The process of virtual experiment consists of "virtual environment + virtual instrument + virtual reagent".The experiment consists of four modules：mutagenesis treatment，nutrient deficiency type concentration，nutrient deficiency type detection，and nutrient deficiency type identification，and 6 main operation steps and 29 specific operation steps.Students can master the basic principles of the plasma （ARTP） mutagenesis technology through independent and case-based online learning.To learn the concept and significance of nutritional deficiency strain;to learn the principles and common methods of screening and identification of nutrient deficient strains;to systematically study and master the methods and operation of screening and identifying the nutrition-deficient type of E.coli mutagenesis through ARTP technology.

Key words：microbiology;virtual simulation experiment;ARTP;mutation breeding