建设项目“食品微生物学”课程实验教学大纲增加虚拟仿真实验教学系统建设与实践
【来源】教育教学论坛_2021年第46期
许艳阳、李玮茹、王雪松
【关键词】食源性病原菌；微生物检查；虚拟仿真技术；实验教学
【基金项目】2019年吉林大学本科生“创新示范课”建设项目“食品微生物学”（）； 2019吉林大学本科教学改革研究项目“食源性病原检测虚拟仿真实验教学体系建设与实践”（）
【作者简介】许艳阳（1972—），女，吉林公主岭人，博士，吉林大学食品科学与工程学院副教授，主要从事食品营养与安全研究；李薇茹（1992—），女，山西运城人，硕士，吉林大学食品科学与工程学院工程师，主要从事食品安全研究；王雪松（1978—），女，黑龙江双鸭山人，硕士，吉林大学生命科学学院讲师，主要从事生物安全研究。
【CLC号】G642【证件识别码】A【货号】1674-9324（2021）46-0125-04【收货日期】2021-05-25
《食品微生物学》是食品科学与食品安全专业的必修课。主要研究对象是与食品有关的有益和有害微生物，特别是形态结构、代谢活性、遗传变异、致病机制、实验室检测和防治措施等。符合食品安全国家标准食品微生物检验通则的二级以上生物安全实验室。因此，食品微生物学实验是一门食品学科的实践课，食源性病原体的检验必须在BSL-2生物安全实验室进行。近年来，虚拟仿真技术以其低成本、交互性强、超空间、高安全性等优点在教学中得到广泛应用[1]。因此，为完善实验教学内容，在实验学习时间不变的情况下，将虚拟仿真技术应用到食源性病原菌检测实验教学中，建立虚拟仿真实验系统和平台，利用线上线下的实验教学模式以培养实践能力和创新能力为目标，巩固食品微生物检验实验。理论知识，提高学生的实践能力。
一、《食品微生物学》课程实验大纲新增虚拟仿真项目
(一）实验课《食品微生物学》的教学目标与内容
《食品微生物学》课程的实验教学目标是使学生学习和理解食品微生物学的基本检测理论，掌握相关操作，并能够通过具体的实验操作和方法进行综合设计和探索性实验训练。训练。实验教学内容主要包括食源性细菌、霉菌和病毒的形态观察、分离培养、纯化鉴定、生理生化鉴定、菌种保存、血清分型等定性和定量实验。测试是一项综合性实验，可以连接微生物学的各个知识点，循序渐进地开展实验教学项目[2]。
(二）虚拟仿真技术辅助《食品微生物学》实验课教学系统
将虚拟仿真技术应用于《食品微生物学》实验课程的主要原则是：对于在现实条件下难以开发的综合性实验项目，进行虚拟仿真，培养动手能力，补一些重要的实验内容，并尽可能多地创作。满足教学要求的条件。因此，在明确课程目标的前提下，坚持“能实、虚实结合、虚实促实、虚实相补”的原则，构建虚拟仿真实验体系，形成线上线下相结合的混合型实验课程教学模式。 .
在本课程的实验教学中使用虚拟仿真技术是一种新的教学方法。新的教学内容增加了4个虚拟仿真实验。具体实验教学内容包括：实验一、食品微生物实验室的生物安全要求。进行实验前的生物安全培训，讲解食品微生物培养基的制备方法和灭菌操作，增加生物安全二级实验室结构和使用方法的模拟实验。第二个实验是观察食物微生物的形态，学习染色方法。对细菌、霉菌和酵母菌进行经典的革兰氏染色和显微镜观察，观看全自动革兰氏染色过程的视频，了解微生物的形态学检测方法。在第三个实验中，微生物的平板计数测试在物理实验室进行。如菌落总数的测定。实验4，细菌生理生化特性的鉴定，通过增加食品中沙门氏菌和金黄色葡萄球菌检测的虚拟模拟实验完成。实验5，食品中诺如病毒的检测项目，通过增加虚拟模拟实验，学习病毒的鉴定和分离培养方法。
二、虚拟仿真技术辅助《食品微生物学》实验课教学改革的意义
(一）有效加强生物安全教育
随着我国生物安全法的实施和实验室生物安全法规的出台，食源性病原体检测及相关行业行为的管理将更加严格。食源性病原菌科学研究、生物安全防护、食物中毒防治、动植物及进出口食品检验检疫等都是关系国计民生的重要方面，尤其是在特殊环境下，当前新冠肺炎疫情仍在持续。在此背景下，各类食品的冷链运输、食品安全检测与防控体系建设是涉及国家安全和公共卫生的重大问题，是提升国家生物安全治理能力的重要方面。食品安全教育提出新任务。生物安全教育与本课程息息相关，而《食品微生物学》是食品科学与安全专业中与生物安全最密切相关的课程，涵盖食品安全与人体健康。改革后的“食品微生物学”实验可以多层次加强学习和培训，是开展生物安全宣传教育的重要实践课程载体。
(二）提高实践教学质量，推动混合式实践教学模式改革
虚拟仿真实践教学是基于计算机虚拟仿真、网络、人机交互、多媒体等新技术，基于现实构建高度仿真的实验环境和对象，有效克服生物安全要求的局限性，提供安全无风险的环境。因此，食源性病原体的检测也成为虚拟模拟实验发展的重要方向。在新的教学计划中，增加了四个虚拟仿真实验，填补了实验教学内容的空白，同时提供了一个在线版本，方便在线学习，可以有效提高实践教学资源的质量，促进线上线下的结合。实践教学模式的改革。
(三）明确《食品微生物学》实验教学内容，促进实验教学资源共享
目前，虚拟仿真实验平台的建设是以单独的实验项目的形式进行的。每个实验中的一些知识点或步骤可能存在重复和空白问题。本着“练就补不足”的原则，根据每个实验项目的重点，避免重复，充分利用有限的教学资源提高质量，扩大使用范围，实现有效共享。
三、基于虚拟仿真技术的“食品微生物学”实验教学设计与开发
食源性病原体检测虚拟仿真实验教学设计的原则是利用虚拟仿真技术辅助BSL-2实验场景的实现。横向和纵向的优化组合”维度。“横向”是应用现代模拟实验，填补原有实验项目的空白，使训练体系更加完善；内容和实践技能的难度逐步增加，使实验课程结构更加合理，努力实现高水平、创新、挑战的教学目标。
(一）强调生物安全教育的重要性
生物安全培训的目的，一方面是为了让学生掌握生物安全知识，培养生物安全意识，另一方面是提高学生的专业能力和微生物检验岗位的责任感。从学习初期，加强食品微生物检验工作者的安全意识和生物防控能力，对培养食品微生物检验复合型人才具有重要作用。
1. 开展生物安全重要培训，增强生物安全意识。整合生物安全培训和实验项目，即“食品微生物实验室的生物安全与消毒灭菌”。掌握消毒杀菌的基本操作方法。由于食源性微生物检验实验的特殊性，应用虚拟仿真技术建立了生物安全二级虚拟仿真实验室，介绍了实验室环境、主要设备的原理和使用要求、人员防护、基本检验程序等。让学生身临其境地进入BSL-2实验室，并作为检查员操作相关设备，增加强烈的亲身体验感，增强学生的安全意识，加强生物安全防护技能培训，也为进入BSL做准备-3、BSL-4实验室做好心理准备，储备技能。一是开展生物安全培训。培训结束后，系统通过菜单选择在线完成，随机抽取评估题，测试学习者的学习效果。设备运行需进行操作考核，首先查看虚拟设备配备的操作手册，然后根据检查要求设置技术参数，启动设备，观察结果，系统自动记录操作者的交互操作记录，实时记录操作错误并给出评分。
2.遵循学习规律，逐步加强实践训练。生物安全培训的内容也很大，仅仅通过一次有限的培训是不可能全部掌握的。此外，还要加强对良好安全意识的培训。因此，生物安全培训需要循序渐进地进行。在食品中沙门氏菌检测虚拟模拟实验中，可增加BSL-2实验室人员及物品进出过程的教学内容，生物安全柜、超净工作台、紫外线灯、并且可以加强消毒剂。在食品中金黄色葡萄球菌检测虚拟实验中，检测环境为生物安全二级实验室，可开展生物安全操作培训，利用“食品中诺如病毒检测虚拟模拟实验”等项目进一步强化生物安全理念的实验平台。
(二）丰富《食品微生物学》实验内容，填补实验教学空白
确定“食品微生物学”实验项目内容的依据：（1）食品安全国家标准中食品微生物检验需要具备哪些必要的实践知识？按照哪些实验进行？这个客观需求？（2）实验需要什么样的实验环境条件？利用现有条件虚拟仿真实验教学系统是什么，在真实环境中可以进行什么样的实验？（3）将在哪些环境下进行实验）目前教学时数?食品微生物学实验教学）在教学的必修内容中，根据不能根据实际情况制定的实验内容，设计了虚拟模拟实验，以弥补实验教学的空白。
1.检测食物中细菌和真菌的含量。在原有的实验教学中，细菌和真菌实验占很大比例，主要集中在形态生理生化部分，病原菌试验基本为空白。因此增加了食源性病原菌的检测实验：综合实验中增加了食品中金黄色葡萄球菌虚拟模拟实验的内容，让学生了解预富集、富集、分离等检测方法和实验中的文化。培养学生的微生物操作技能。
2.食品中诺如病毒检测的内容。原实验教学中不能规定食源性病毒检测项目。因此增加了诺如病毒检测的虚拟模拟实验，增加了病毒核酸检测、病毒免疫检测等知识点。
根据需要补充的实验内容，进行相应的仿真实验软件的开发。将游戏理念融入应用设计的实训系统：运用视听教学与传播理论，开发游戏互动的虚拟教学资源软件，将虚拟仿真与多媒体技术相结合，形成视听与触觉的整体虚拟仿真感官。环境，让学生以贴身自然的方式感受虚拟物体并与之互动，进而体验身临其境的体验，就像玩游戏升级一样，增加了训练和学习的乐趣。
1.开发食品中沙门氏菌检测虚拟模拟实验。综合实验采用模块化设计的思路，保持一定的开放性，可以随时补充实验内容。通过电脑或手机完成，互动操作100余次，答题十余次，操作技能全面训练。以食品中沙门氏菌的检测为例：确定纵向实验步骤和横向多重实验结果。实验步骤主要包括培养基的制备和灭菌、固液食品的预处理、富集培养、疑似菌落的挑取、生化鉴定、血清分型等，每个步骤都包含多个实验操作。实验结果是根据学生操作的选择预先设计好的。 For , when a of , the or will in .首先根据实验的完整性确定实验步骤，然后根据实验结果的可能性得到多个实验结果，进一步形成实验的流程图并编写脚本。同时开发了网络版，学生通过网络在电脑上登录系统运行。每个实验项目都设计有学习版和评估版。学习版包含操作过程中的操作提示和说明；而评估版没有，只记录操作。完成后导入题库进行综合评估，给出最终分数。为了克服枯燥乏味的情绪，“游戏”设计了比现实更丰富的积分和成就等级奖励来激励学习者。
2.BSL-2 生物安全实验室虚拟模拟实验的开发。为加强生物安全教育和食品微生物学重要实验技能的培养，将BSL-2实验室的结构和使用设计为虚拟实验。
四、建立虚拟仿真技术新模式辅助《食品微生物学》实验课教学
(一）结合在线视频实现翻转课堂
对于每个虚拟模拟实验，都会在课前向学生发送一组标准演示视频。另外，学生可以通过软件操作指南掌握软件内容和实验操作，在虚拟仿真实验课前使用；使用视频可以节省课堂教学时间，将节省的时间用于实验操作，加强实践训练。既能解决实验课时数不足的问题，又能提高教学质量，实现翻转课堂的效果。
(二）《用现实填满虚拟》，支持虚拟仿真实验的发展
由于虚拟模拟实验并不能完全替代实际操作来培养学生的动手能力，实际操作应在以下几个方面进行补充，做到“以实补短”：(1）使用设备进行操作。例如在生物安全柜的虚拟模拟实验过程中，学生可以有条不紊地学习和操作，确保每个学生都能熟练使用设备。（2）使用常规食品代替阳性样品进行实际操作训练，例如用固体或液体食品代替阳性样品，让学生在虚拟模拟实验中学到的知识基础上，使用模拟样品进行重复模拟操作，不仅加强了生物安全意识，同时也训练操作技能。
五、结论
虚拟仿真实验教室比传统教室更加轻松愉快虚拟仿真实验教学系统是什么，但也存在一定的不足，需要进一步补充和改进。如果对学生的要求有所提高，需要提前预习，积极参与课堂活动，通过独立思考解决问题。虚拟实验对软硬件环境要求较高，尤其是网络环境和移动终端的使用效果有待提高。在现有的PC平台上，还需要进一步建设VR和AR平台，促进实验项目水平的提升。虽然利用虚拟仿真技术辅助《食品微生物学》实验教学设计还存在一些问题，但虚拟仿真实验项目是对实验教学内容的一个非常重要的补充，有助于提高学生的自我学习积极性-学习和实验技能，对其他学生有帮助。为相关实验教学提供参考。随着现代科学技术的快速发展，虚拟仿真实验教学资源仍需进一步扩充和完善，以推动实验教学改革，探索培养人才的实验教学新模式。