輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗教學項目建設

閻臻，李佛生，馮甦，楊鑫，張杰，趙 建

（四川大學生命科學學院，生物科學國家級實驗教學示范中心，生物科學與技術虛擬仿真實驗教學中心，成都 610064）

0 引言

殺蟲與滅菌是從事微生物學、食品科學和其他生命科學研究中必不可少的重要環節，同時也在醫療、食品和環境保護方面發揮著重要作用。微生物學實驗課程涉及多種滅菌技術，并要求學生了解相應滅菌方法的原理和應用范圍，學習不同滅菌技術的操作方法。在本科教學中主要講授的方法有化學方法、生物制劑法以及物理方法，其中常用的物理方法有高溫高壓蒸汽法、干熱法和紫外照射［1］。而一直常提及的利用γ射線或電子束進行的輻照滅菌方法，因為其裝置和工藝的特殊性以及危險性，無法在實體實驗教學中開設相關實驗教學項目。但在實際生產中，該方法在微生物滅菌和生物材料的貯藏等方面發揮重要作用，是進出口水果、糧食、木材等產品的海關檢疫與處理手段之一，常常用于殺滅進出口貨物中的微生物和害蟲［2］。目前，該方法屬于民用非動力核技術，廣泛應用于國民經濟和社會生活的各個領域，全國輻射加工產業規模達1 093.5 億元，未來輻照加工行業的產業規模將會進一步擴大［3］。因此，十分有必要讓生物學相關專業，特別是生物技術專業的學生了解工業化輻照滅菌技術及輻照處理工藝。

然而，由于工業化輻照源鈷60 或銫137 等是強放射性元素，危險性極大，需要專門的裝置與配套設備和國家輻射安全許可證。另外，電子加速器在運行時也會產生強射線，且在進行輻照處理時需要專業人員并遵照國內外相關操作規定，所以傳統的實驗條件無法滿足工業化輻照相關的硬軟件要求，很難在學生的實驗課程和實踐教學中開展。

為了讓學生更好學習輻照滅菌的方法，將虛擬仿真技術與實驗教學有機融合，設計開發了工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗教學項目。本項目涵蓋輻照消毒和滅菌處理過程的基本法規、處理流程、設備及輔助設施、處理后分析檢驗等實踐內容，綜合形成了一套完整的虛擬仿真實驗，學生可通過PC，Pad 和智能手機端登錄“工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗”在線學習實驗的原理和視頻等。同時基于VR虛擬現實技術和unity-3D 信息技術的交互，使學生在實驗過程中以虛擬身份進入輻照場景，沉浸式實驗操作提高學生的參與感［4-6］，彌補學生在輻照處理實踐環節中缺失的相關實驗和實踐內容，達到“虛實結合、線上線下相統一”的實驗教學效果［7-9］，為信息化時代生物學專業實驗教學及教育改革提供了借鑒和參考。

1 工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗的設計理念與流程

從培養人才的實際需求出發，秉承“以學生為中心”的教學理念，采用問題式導入式教學方式［10-11］，針對輻照裝置的專業性和輻照實驗的高危險性設計了電子束和鈷60-γ射線輻照技術的虛擬仿真實驗教學項目，完成了現實課堂實驗教學和科研實習中不能實現的輻照工藝的綜合訓練。

整個虛擬仿真實驗流程分為實驗準備、實驗過程和實驗評價3 個模塊（見圖1）。實驗準備主要是講解工業化輻照殺蟲和滅菌中多種輻照源的異同、輻照劑量的劃分和應用范圍、輻照殺蟲和滅菌的優點以及輻照產業的發展現狀等，讓學生掌握輻照殺蟲和滅菌的原理，以及了解輻照行業的發展現狀。實驗過程包括輻照前處理、輻照處理過程和輻照處理后分析3 個階段。①輻照前學生根據輻照處理的目的和產品類別，自主選擇需要進行輻照的輻照源和輻照劑量。②學生利用軟件中創建的虛擬身份進入輻照工廠，打開輻照源，并以“虛擬視角”觀察輻照處理過程中的放射源，完成輻照殺蟲和滅菌等步驟。通過虛擬仿真場景和3D-VR交互場景進行實驗內容學習，并進行輻照后分析等步驟，讓學生了解并掌握工業化輻照殺蟲和滅菌的實驗操作流程和方法。③實驗評價模塊主要針對相關知識點，設置問題進行考核并組織線下實驗討論和總結，及時了解學生學習掌握情況，并引導學生查閱相關文獻進一步延展學習的廣度和深度。

圖1 工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗設計流程

2 虛擬仿真實驗內容

2.1 實驗準備模塊

（1）輻照殺蟲和滅菌的原理介紹。首先向學生展示了工業化輻照工廠的車間布局、機械構造、設備擺放和設置等基本知識。接著以視頻動畫的形式向學生講解了不同輻照源在生活中的的應用場景［12-16］。重點介紹了輻照殺蟲和滅菌的原理，即在合適的波長和輻照劑量下，電磁射線或電子加速器產生的輻照能夠使產品中微生物及害蟲DNA分子內部的化學鍵斷裂，失去復制能力達到殺蟲和滅菌等目的，從而保證產品質量安全。此部分的講解將實驗內容與學生的日常生活緊密結合，加深學生對于輻照應用的理解。

（2）輻照源的相關知識介紹。該模塊首先向學生介紹了不同輻照源的主要異同，加深學生對電子束、X-射線和γ 射線產生的裝置，束流方向、能量范圍以及各自的局限性的了解（見表1）。然后向學生講解電離輻照中所使用的國際單位的名稱、定義及其具體的應用標準，以及工業化生產中輻照的劑量的中低劑量和高劑量標準，加深學生對輻照劑量的理解。同時，向學生介紹了輻照殺蟲和滅菌的優勢和國內外輻照處理技術的相關標準和規范。通過該模塊的學習，學生能夠進一步了解輻照食品、藥品原料及醫療器械中各類微生物的限定標準。

表1 不同輻照源的特征

2.2 輻照前處理模塊

該模塊實驗主要幫助學生學習不同輻照處理目的、產品類型、輻照源和輻照劑量的應用，學生可以根據輻照處理的目的利用VR手柄發出的鐳射線進行交互，選擇輻照殺蟲或者滅菌（見圖2）。同時，在軟件界面上適配典型的產品類型的照片，加深學生對輻照處理對象的理解［見圖2（a）］；并在輻照劑量選項中添加具體的劑量數字，以便后續的輻照劑量填寫［見圖2（b）］；學生只有選擇合適的劑量才能進入后續的實驗操作［見圖2（c）］。該模塊的學習能夠幫助學生掌握不同輻照劑量的應用范圍。

圖2 輻照處理的目的和劑量選擇實景圖

2.3 輻照處理過程模塊

（1）電子束輻照殺蟲和滅菌實驗場景。學生通過VR手柄的交互，輸入正確的輻照劑量打開不同的輻照車間場景進行學習。在進入電子束輻照車間后，學生根據視野中藍色字體的提示前往任務框中查看輻照［見圖3（a）］，了解電子束輻照場所貨物搬運和物品轉運路線、輻照樣品包裝箱要求以及電子束輻照品的優先級等。學生根據藍色任務框提示，利用手柄交互，模擬真實場景中的貨物搬運，并以虛擬身份在車間場景中漫游，了解輻照車間的布置。實驗模擬輻照車間的實際情況，在控制室入口處設置指紋刷卡裝置，學生通過VR手柄進行交互，完成“身份驗證”，進入輻照車間控制臺開啟輻照［見圖3（b）］。這讓學生在逼真的場景和交互操作中產生真實的學習體驗，激發學生的學習興趣。

圖3 電子束輻照殺蟲和滅菌生產車間實景圖

輻照開啟后，學生通過VR 交互帶上蓋格計數器和輻照劑量測定器，系統提示學生“輻照已開啟，請人員撤出至安全區域”［見圖4（a）］，加深學生對于安全輻照處理規范的理解。學生在退出輻照控制室后，以虛擬身份進入傳送帶內部沉浸式查看車間生產情況和電子束輻照的流程，同時系統會提示“禁止人員進入該區域，本教程僅以虛擬身份進入”［見圖4（b）］。

圖4 輻照開啟后系統安全提示實景圖

學生進入輻照車間內部后，可查看加速器發出射線的過程和傳送帶上運送輻照產品的真實場景［見圖5（a）］。在結束電子束輻照核心區域的漫游后，學生再次以虛擬身份進入輻照控制室二樓，查看電子加速器管理區域，學習電子在加速器內部的運動方向和產生能量的原理［見圖5（b）］。本實驗項目將實驗原理融入真實的實驗場景中，利用沉浸式的教學方式加強學生對于電子束輻照殺蟲和滅菌的應用場景、操作流程和原理的理解。

圖5 電子束輻照處理車間內部實景圖

（2）鈷60-γ 射線輻照殺蟲和滅菌實驗場景。學生完成電子束輻照殺蟲與滅菌實驗后，系統自動轉入鈷60-γ 射線輻照殺蟲和滅菌車間場景中［見圖6（a）］。根據系統提示，學生利用VR 手柄的交互，模擬現實中貨物搬運的操作，并以虛擬身份在場景中漫游，了解鈷60-γ射線輻照處理的廠區布置。學生利用指紋刷卡驗明身份后，進入控制室開啟輻照［見圖6（b）］，系統彈出“即將進行輻照處理，所有人員撤出至安全區域”的安全提醒，加深學生對輻照操作安全性的認識和理解。而且實驗嚴格按照實際生產中的操作情況，提示學生需要通過VR 交互隨身攜帶蓋格計數器和輻照劑量測定儀，以“虛擬視角”在車間內漫游學習鈷60-γ射線輻照場所傳送裝置以及貨物運送的軌道布局等。

在實驗過程中，一旦輻照開啟，系統會提示學生“人類禁止進入該區域，本課程僅以虛擬身份進入”［見圖6（c）］，使學生通過虛擬仿真的輻照車間了解工業化鈷60-γ射線輻照技術的實驗操作流程。學生以“虛擬視角”進入車間后，通過VR手柄的交互，將鈷源棒從水井中移至輻照車間，學習輻照裝置的內部構造［見圖6（d）］。學生觀察和學習完鈷源棒的輻照過程后系統提示“虛擬視角結束，退出內部場景”，實驗結束進入輻照處理后分析模塊，同時比較工業化電子束輻照和鈷60-γ射線輻照技術的異同。

圖6 鈷60-γ射線輻照車間實景圖

2.4 輻照處理后分析模塊

在輻照處理后分析模塊，學生可以查看輻照實驗相關的參考文獻，思考題以及輻照處理后分析的相關知識點。同時，在線學習輻照樣品吸收劑量的測定方法、處理后樣品微生物含量的測定、食品／藥品原料氧化指標的測定和藥品中有效成分檢測等，使學生了解輻照劑量與微生物殺滅效果的關系，了解輻照食品、藥品原料及醫療器械中各類微生物的限定標準，認識輻照處理對食品貨架期相關指標、感官品質和藥品主要成分的作用。

3 虛擬仿真教學項目在微生物實驗教學中的應用和評價

3.1 實驗教學方法

（1）問題式教學方法。根據教學目標的需要，本實驗采用了問題式導入教學內容，利用問題激發學生的學習興趣［17］。實驗操作過程中的題目格式均為單項選擇題（見圖7），學生可以通過VR 手柄進行交互答題，無論答案正確與否，在題目下方向學生展示答案解析，加強學生對題目中涉及知識點的深刻理解，培養學生的發散性思維［18］。在實驗結束生成的實驗報告中，詳細分析了學生是否有效解決實驗問題，有哪些錯誤實驗操作，必須掌握哪些知識點等。

圖7 工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗的實驗學習評價標準

（2）沉浸式教學方法。基于unity-3D信息技術和VR虛擬現實技術，構建工業化電子束輻照和鈷60-γ射線輻照殺蟲和滅菌實驗場景，通過沉浸式的實驗操作環節和人機交互環節，引導學生思考與探究，掌握輻照殺蟲和滅菌的原理。

（3）研討式教學方法。結合線上學生虛擬仿真實驗，設置“本次實驗還有哪些可以改進的地方？針對不同的滅菌或者殺蟲對象如何選擇輻照源和劑量？針對不同處理對象的質量控制標準的異同？”等一系列問題，在線下課堂上組織學生展開研討，逐步引導學生分析和解決問題。通過研討式教學，有效提高了學生分析問題、解決問題的能力，為學生科研思維培養奠定了良好的基礎。

3.2 實驗教學評價考核

學生實驗教學評價由線上操作報告和線下實驗報告組成。學生通過學號登錄工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗軟件進行虛擬實驗操作后，后臺對學生實驗操作的完成情況進行全過程統計和評價，并生成“線上操作報告”，報告內容包括以下4 個方面：實驗操作的總體概況，包括實驗成績、用時時長、已完成內容和實驗結論（重做實驗或者通過實驗）；知識點掌握情況（即實驗過程中考核題目及學生的回答情況）；實驗中答錯題目的知識點解析和參考文獻推薦，便于學生了解自己的學習情況，進一步的查缺補漏；最終，教師將學生的“線上操作報告”成績與“線下實驗報告”的成績進行加權評定出學生在該虛擬仿真實驗中的實驗成績，具體的評分標準及等級詳見圖7，以便更加全面地了解學生對實驗項目涉及的知識點的掌握情況。

3.3 實驗教學效果分析

針對2019 級和2020 級生物科學類專業263 名學生進行調查的使用反饋意見和建議結果顯示，有99.24%的學生認為工業化輻照殺蟲和滅菌實驗仿真度高，有效幫助學習相關的實驗原理和知識內容，說明虛擬仿真實驗教學在學生中的認可度較高。

4 教學反思

4.1 工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗的創新性

在本科教學階段的微生物實驗課程中，常用的滅菌技術是濕熱法、干熱法和紫外照射1。工業化輻照殺蟲與滅菌虛擬仿真實驗的建設，彌補了學生在輻照處理實踐環節中相關實驗和實踐內容的缺失，填補了國內高校尚無工業化輻照殺蟲和滅菌實驗課程的空白，拓展了學生對民用非動力核技術應用領域的認知，幫助學生認識先進滅菌技術對保障食品、藥品原料及醫療器械安全的重要性，提高學生對保障食品安全重要性和必要性的意識。通過工業化輻照殺蟲與滅菌虛擬仿真實驗的應用，更新了傳統實驗教學的教學方式，學生能夠沉浸在VR虛擬現實技術和unity-3D信息技術構建的高度仿真實驗場景中，幫助學生既能保障安全又能便捷地獲取缺失的實驗知識，而且在本實驗的教學過程中使用了學生喜歡的教學手段，還能保證良好的教學效果。同時，通過將形成性評價與終結性評價相結合，建立了全員、適時和多元化的評價體系，幫助學生自我評估學習效果。教師也對學生的實驗過程進行全程跟蹤，快速了解學生對相應知識點的掌握情況，全面、客觀地評價了學生的學習效果，并通過平臺的互動功能及時反饋給學生，有效提高了學生學習的積極性。

4.2 工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗的局限性

基于unity-3D和VR交互的工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗的真實性很強，但卻不能完全等同于實體實驗，理想條件下的虛擬仿真實驗與實體實驗還存在著一定的差距。學生在軟件中進行輻照殺蟲和滅菌等的虛擬操作的時候，并不一定會遇到實際實驗中的問題，在一定程度上阻礙了學生發現問題、分析問題和解決問題能力的提升。另外，學生可以獨立完成工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗的整個流程，但通過問卷結果發現，有71.4%的學生由于首次接觸VR設備，對其操作不夠熟練，在今后的教學中，應該加強學生對于虛擬仿真實驗項目的培訓、指導和鍛煉。另外，隨著電子信息技術的發展，軟件的建模技術和制作方法更新較快，學生是否能迅速適應新的教學軟件也是一個值得深思的問題。

5 結語

工業化輻照殺蟲和滅菌虛擬仿真實驗項目利用VR虛擬現實技術和unity-3D信息技術，將真實的工業化輻照場所結構、功能、操作規范等實驗場景進行VR虛擬化。將線上虛擬實驗教學與線下課程教學相結合，通過以虛擬身份的第一視角進入工業輻照場所，進行沉浸式、可擴展式的操作體驗，完成輻照前準備、電子束輻照殺蟲和滅菌實驗、鈷60-γ射線輻照殺蟲和滅菌實驗、輻照處理后分析等重點板塊的實驗內容，彌補課堂教學和科研實習中缺失的實驗內容，培養學生運用多學科知識和技能進行工業化殺蟲和滅菌操作。以虛擬仿真實驗為基礎的線上線下相結合的教學方式，充分發揮了“虛實結合”實驗教學方式的優勢，打破了傳統實驗教學對時間和空間的限制，拓展了實驗教學的深度和廣度，為信息化時代生物專業的實驗教學及教育改革提供了借鑒和參考。