食品中沙門氏菌檢驗虛擬仿真實驗研究

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施，我國的生物安全防護工作越來越被重視，在食品微生物檢驗實驗教學中，針對食源性致病菌實驗教學面臨的生物安全問題，將以3D仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托的計算機虛擬技術用于食品中沙門氏菌檢驗的實驗教學，設計樣品前處理、增菌、分離培養、生化鑒定和血清學分型虛擬實驗，還原真實實驗的教學要求、實驗原理、操作步驟及互動感受，避免食源性致病菌的實驗室感染，提高學生的動手能力和學習熱情，完善實驗教學管理體系。

關鍵詞：沙門氏菌檢驗;虛擬仿真實驗;食源性致病菌;實驗教學

沙門氏菌屬（Salmonella）是腸桿菌科的一個大屬，至今已發現2 500多個血清型，是在形態結構、培養和生化特性方面極其相似的一群革蘭氏陰性腸道桿菌。1900年為紀念豬霍亂桿菌的發現者——美國細菌學家D.E.Salmon，將此類細菌命名為沙門氏菌。它與食品安全和人類的健康息息相關，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。根據各國的資料統計表明沙門氏菌引發的食物中毒在細菌性食物中毒中占據首位，是食品公共衛生的重要問題。在食品安全檢驗中，尤其是動物源性食品的微生物檢驗中，沙門氏菌是重要的檢驗指標之一。

食品微生物檢驗學是食品專業的必修課程，食源性致病菌檢驗是必檢項目。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條規定：“國家根據對病原微生物的生物安全防護水平，對病原微生物實驗室實行分等級管理。從事病原微生物實驗活動應當在相應等級的實驗室進行”。根據《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《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 總則》（GB 4789.1—2016），食品中沙門氏菌的分離、鑒定工作應在BSL-2或以上生物安全實驗室中進行。

目前食源性致病菌檢驗的實驗教學中，正面臨這些生物安全規范的要求，同時實際工作中還不具備符合要求的實驗室環境，涉及高風險、高成本、高消耗及大型綜合訓練等運行困難的問題。近年來，虛擬仿真技術以低成本、強交互、超時空和安全性高等優勢在實驗教學中獲得了廣泛的應用。

1 虛擬仿真技術的優勢

虛擬仿真技術是一種創建和體驗虛擬環境的計算機仿真技術，利用交互式三維動態視景和實體行為的系統仿真達到“身臨其境”的效果[3-4]。

1.1 建立虛擬實驗的優勢

（1）充分調動學生的積極性，提高學習興趣。虛擬實驗是利用游戲設定的方式，讓學生進入教學情境，最大限度地激發學生的學習興趣，并引導自主學習。

（2）提高學生實踐能力。利用人機實時交互，學生親自動手操作，完成在線實驗內容，實驗操作風險低。而且可反復進行實驗操作，輔助理解理論知識，培養實踐能力。

（3）改進傳統實驗教學模式。虛擬實驗擁有沉浸式教學、強交互性操作等特點，更智能地實現實驗教學，同時培養學生科學的思維方式，提高學生分析問題、解決問題的能力[5-6]。

（4）節約實驗資源。虛擬實驗不受實驗基礎設施、儀器設備和耗材等條件的影響，最大限度地降低實驗成本。

1.2 建設虛擬仿真實驗的特點

利用虛擬仿真技術重新構建傳統的教學內容，通過多維度的視聽體驗、可視化的效果展示、身臨其境的介入感、沉浸感，吸引學生的注意力，顯著提高學生的學習興趣[7-8]。

2 食品中沙門氏菌檢驗虛擬仿真實驗設計及應用

2.1 實驗背景

根據《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 沙門氏菌檢驗》（GB 4789.4—2016）內容，基于沙門氏菌的生物學特性，在減少感染風險、確保學生安全的背景下，設計實驗方法。讓學生通過沙門氏菌檢驗的虛擬仿真實驗平臺，模擬真實實驗環境，將實驗材料、實驗儀器設備、實驗步驟方法有機結合，在電腦上可以多次重復、交互操作，提高學生動手實踐的能力，加深對沙門氏菌檢驗原理的理解，提高實驗教學效果。

2.2 實驗內容

（1）實驗準備。包括更衣、帶帽、帶手套、換鞋，準備試劑及耗材、營養瓊脂、BS培養基、XLD培養基、HE培養基等試劑，配制培養基、玻璃器皿清洗、高壓殺菌，儀器調試。

（2）設計虛擬模塊。將虛擬實驗模塊系統分為學習模塊和考核模塊，學習模塊包括實驗目的、原理、過程，考核模塊包括實驗操作、在線測試和考核評分等。

（3）實驗操作。①配制培養基：BS培養基、XLD培養基、HE培養基，經高壓蒸汽滅菌后，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增菌培養和分離培養。④生化鑒定。⑤血清分型鑒定。⑥實驗結果及討論。

（4）虛擬實驗軟件應用。學生可通過用戶登錄模塊登錄虛擬仿真實驗教學系統，輸入用戶名和密碼登錄并選擇食品中沙門氏菌檢驗虛擬仿真實驗項目，獲取實驗指導書，熟悉實驗流程后進行虛擬實驗，完成并提交報告后，教師可在線批改并發布實驗成績。

2.3 食品中沙門氏菌檢驗虛擬仿真實驗的特色

（1）本實驗項目從實驗前的準備開始，應用虛擬仿真技術，還原真實的食品中沙門氏菌檢驗場景，呈現樣品前處理、增菌培養、分離鑒定、血清分型等過程，實驗結果和報告可以完整提供，不受時間空間限制，節約資源。

（2）通過鼠標點擊和選擇即可完成關鍵步驟的交互操作，簡單易操作，對提高學生的實踐能力、驗證檢驗原理、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險，同時利用游戲引擎方式激發學生的學習興趣。

3 建立食品中沙門氏菌檢驗虛擬仿真實驗的意義

3.1 避免生物感染，保障實驗室的生物安全

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，更要遵守規范操作，避免感染，確保學生實驗安全。同時，為了在實驗教學大綱教學學時不變的前提下，利用虛擬實驗平臺，使學生在身臨其境、實時互動中掌握知識，改進教學質量。

3.2 避免重復采購試劑和耗材，減少污染

沙門氏菌檢驗的實驗環境要求在BSL-2或以上的生物安全實驗室完成，成本很高。在傳統的實驗教學方式中，從試劑、耗材、儀器設備的招標采購，每年都要花費較多的實驗經費。虛擬仿真實驗的開發，一次性制作投入，可以長期應用。

4 結語

將虛擬仿真技術與傳統教學模式相結合，不僅能解決傳統教學中基礎設施和教學設備不足的問題，還能有效提高學生的學習效率和教學效果，對學生理論知識的掌握和實踐能力的提高均具有非常積極的作用。虛擬仿真實驗教學將成為未來食品專業教學的重要途徑。

參考文獻

[1]王佳弘，席文杰，董麗麗，等.虛擬仿真技術在護理教育中的應用與挑戰[J].中華護理雜志，2020，55（3）：401-404.

[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]于軍，楊丹聃，張鈺.醫學致病性腸道桿菌屬虛擬仿真實驗研究[J].中文科技期刊數據庫（全文版）醫藥衛生，2019（3）：208-209.

[4]倪芳，劉洋，熊強，等.“互聯網+”發酵工程實操與虛擬仿真中試實驗室平臺的建設與探索[J].微生物學通報，2020，47（11）：3725-3732.

[5]許飛，聶志妍，金磊，等.“高效價兔抗綿羊紅細胞抗體的制備與檢測”虛擬仿真實驗項目的設計與探索[J].中國免疫學雜志，2021，37（2）：231-234.

基金項目：吉林大學本科教學改革研究項目（2019XYB143）;吉林大學本科“創新示范課程”建設項目（201944）。

作者簡介：王作昭（1979—），男，漢族，河北保定人，博士，高級實驗師。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：食品營養與安全。E-mail：xuyy@jlu.edu.cn。