食品中金黃色葡萄菌檢驗3D虛擬仿真實驗研究＊

徐艷陽，李薇茹，王雪松

（吉林大學食品科學與工程學院，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、營養豐富的條件下，該菌能產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。該菌在適宜的基質和環境條件下可產生腸毒素，人類攝入被金黃色葡萄球菌腸毒素污染的食品后可導致食物中毒。食品被攜帶或感染金黃色葡萄球菌的牲畜、養殖人員、食品加工人員以及污染食品在加工過程中的處理不當等是其食物中毒的主要原因。在食品安全檢驗中，尤其是動物源性食品的微生物檢驗中，金黃色葡萄球菌是重要的檢驗指標之一。

食源性致病菌檢驗實驗是“食品微生物學”和“食品微生物檢驗學”課程的重要實驗項目。2021-04-15起，中國實施了《中華人民共和國生物安全法》。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。”同時，根據GB 4789.1—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 總則》中病原微生物的分離鑒定工作應在二級或以上生物安全實驗室進行。因此，食品中金黃色葡萄球菌的檢驗應在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，隨著現代計算機技術的發展，虛擬仿真技術以低成本、強交互、超時空和高安全性等優勢在實驗教學中獲得了廣泛的應用[1-2]。因此，設計了在實驗教學學時保持不變的情況下，將3D虛擬仿真技術用于食品中金黃色葡萄球菌檢驗的實驗教學中，研發制作了食品中金黃色葡萄球菌檢驗的虛擬仿真實驗軟件，以提高學生的實踐能力和創新能力為目標，使學生掌握食品中金黃色葡萄球菌檢驗的基本理論知識，同時提高學生的實踐能力。

1 虛擬仿真技術簡介及其優勢

1.1 虛擬仿真技術

虛擬仿真一詞最早是由計算機科學家杰倫·拉尼爾在1987年使用的。虛擬仿真技術是一種流行的信息技術（IT），為了克服現實世界的空間和物理約束，通過創建與人類感官系統交互的虛擬空間，提供一種間接的體驗，達到“身臨其境”的效果。其具有以下4個基本特征[3-4]。

沉浸性。在虛擬仿真系統中，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。

交互性。在虛擬仿真系統中，環境可以作用于人，人也可以對環境通過聲音、肢體動作等來進行控制，虛擬環境也可以對人的操作作出實時的響應。

虛幻性。系統中的環境是虛幻的，是人們利用計算機工具模擬出來的。既可以模擬過去存在于客觀世界中的環境，也可以模擬現在實際存在的環境，還可以模擬現在不存在但是在將來可能出現的環境，甚至還可以模擬現在不存在但是人們想象出來的環境。

逼真性。主要體現在2個方面：①虛擬出來的環境給人一種真實感，像生活在現實世界中一樣；②當人們以自然的行為作用于系統環境中時，虛擬環境作出的響應也符合客觀世界的相關規律。

1.2 建立虛擬仿真實驗的優勢

3D虛擬仿真實驗是指借助3D虛擬現實、人機交互、數據庫等技術，高度模擬出與實際場景相似的虛擬實驗環境，憑借虛擬仿真平臺進行金黃色葡萄球菌的檢驗實驗，并進行仿真實驗教學，還可以進行動手交互操作和測試。其優勢有：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，輔助學生理解理論知識，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[5-6]，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。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。

1.3 建設3D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]。

2 虛擬仿真實驗設計及應用

2.1 實驗背景

根據GB 4789.10—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 金黃色葡萄球菌檢驗》內容，基于金黃色葡萄球菌的生物學特性，在減少感染風險、確保學生安全的背景下，設計實驗方法，讓學生通過金黃色葡萄球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，加深對金黃色葡萄球菌檢驗原理的理解，提高實驗教學效果。

2.2 實驗內容

實驗準備：進入實驗前的準備包括更衣、戴帽、戴手套、換鞋，準備營養瓊脂、Baird-Parker培養基、血培養基、革蘭氏染色液、BHI培養物和肉湯培養物等試劑，配制培養基、倒平板、玻璃器皿清洗、高壓殺菌，儀器調試。

設計虛擬模塊：將金黃色葡萄球菌檢驗虛擬實驗模塊系統里分為學習模塊和考核模塊，學習模塊包括定性和定量檢驗的實驗目的、實驗原理、實驗過程，考核模塊包括實驗操作、在線測試和考核評分等。

實驗操作：①配制培養基，包括Baird-Parker培養基、BHI培養基、肉湯培養基，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，包括固體和液體樣品；③增菌培養和分離培養；④生化鑒定；⑤實驗結果及討論。

虛擬實驗軟件的應用：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，選擇食品中金黃色葡萄球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。學生也可以用智能手機等設備登錄虛擬仿真實驗平臺，具體如圖1～圖3所示。

圖3 實驗界面

2.3 實驗特色

食品中金黃色葡萄球菌的檢驗是“食品微生物學”和“食品微生物檢驗學”課程的實驗項目，從實驗前的準備工作開始，應用3D虛擬仿真實驗，還原真實的食品中金黃色葡萄球菌檢驗場景，使學生體驗身臨其境的感覺，呈現樣品前處理、增菌培養、分離培養、生化鑒定等實驗過程，實驗結果和報告可以完整提供，不受時間和空間限制，節約耗材降低成本。

學生利用3D虛擬實驗平臺完成金黃色葡萄球菌檢驗關鍵步驟的交互和重復操作，結合實驗的操作視頻和圖片，通過鼠標點擊和選擇即可進行，簡單方便、易于操作。這種實訓對提高學生的實踐能力，進一步驗證金黃色葡萄球菌的檢驗原理，提高邏輯思維能力有重要作用。

利用3D虛擬仿真技術開展實驗，安全性高，避免了學生感染金黃色葡萄球菌的風險，利用游戲引擎方式激發學生的學習興趣，更有利于扎實地掌握金黃色葡萄球菌的檢驗技術。

3 建立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

“食品微生物學”和“食品微生物檢驗學”是食品科學與工程和食品質量與安全專業必修的重要課程。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，實驗室的生物安全在高等學校教育中更要按規范操作，避免感染，確保學生實驗安全。同時，要在實驗教學大綱教學學時不變的前提下，利用3D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，減少環境污染

食品中金黃色葡萄球菌檢驗的實驗環境要求在二級或以上的生物安全實驗室完成，成本很高。在傳統的金黃色葡萄球菌檢驗實驗教學方式中，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。3D虛擬仿真實驗項目的開發，一次性制作投入，可以長期應用。既可以節約大量試劑耗材，減少儀器設備的使用，又能減少資源浪費和環境污染。

4 結語

將3D虛擬仿真技術、多媒體技術和網絡技術用于食品中金黃色葡萄球菌檢驗虛擬仿真實驗的開發，將實驗系統網絡化、實驗過程模塊化，對于金黃色葡萄球菌檢驗這類綜合性實驗教學，不僅可以解決實驗條件、資源、時空等客觀條件的限制，改進傳統教學模式，豐富食品微生物檢驗實驗的教學手段，而且可以激發學生的學習興趣，提高學生的動手能力、創新能力、分析和解決問題的能力，預防致病菌感染，保障實驗室生物安全。因此，將3D虛擬仿真實驗教學手段融入食品中金黃色葡萄球菌檢驗的實驗教學，為食品微生物學實驗教學開辟了一條新途徑。