食品中沙门氏菌检验虚拟仿真实验研究

王作昭 李薇茹 王雪松 陈艳 张铁华 徐艳阳

摘 要：随着我国生物安全法的制定和实施，我国的生物安全防护工作越来越被重视，在食品微生物检验实验教学中，针对食源性致病菌实验教学面临的生物安全问题，将以3D仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托的计算机虚拟技术用于食品中沙门氏菌检验的实验教学，设计样品前处理、增菌、分离培养、生化鉴定和血清学分型虚拟实验，还原真实实验的教学要求、实验原理、操作步骤及互动感受，避免食源性致病菌的实验室感染，提高学生的动手能力和学习热情，完善实验教学管理体系。

关键词：沙门氏菌检验;虚拟仿真实验;食源性致病菌;实验教学

沙门氏菌属（Salmonella）是肠杆菌科的一个大属，至今已发现2 500多个血清型，是在形态结构、培养和生化特性方面极其相似的一群革兰氏阴性肠道杆菌。1900年为纪念猪霍乱杆菌的发现者——美国细菌学家D.E.Salmon，将此类细菌命名为沙门氏菌。它与食品安全和人类的健康息息相关，是引起人类食物感染和食物中毒的重要致病菌，是最常见的食源性疾病的病原微生物。根据各国的资料统计表明沙门氏菌引发的食物中毒在细菌性食物中毒中占据首位，是食品公共卫生的重要问题。在食品安全检验中，尤其是动物源性食品的微生物检验中，沙门氏菌是重要的检验指标之一。

食品微生物检验学是食品专业的必修课程，食源性致病菌检验是必检项目。我国的《中华人民共和国生物安全法》自2021年4月15日起施行。其中第45條规定：“国家根据对病原微生物的生物安全防护水平，对病原微生物实验室实行分等级管理。从事病原微生物实验活动应当在相应等级的实验室进行”。根据《人间传染的病原微生物名录》，肠道致病微生物属高致病性病原微生物[1-2]。根据《食品安全国家标准 食品微生物学检验 总则》（GB 4789.1—2016），食品中沙门氏菌的分离、鉴定工作应在BSL-2或以上生物安全实验室中进行。

目前食源性致病菌检验的实验教学中，正面临这些生物安全规范的要求，同时实际工作中还不具备符合要求的实验室环境，涉及高风险、高成本、高消耗及大型综合训练等运行困难的问题。近年来，虚拟仿真技术以低成本、强交互、超时空和安全性高等优势在实验教学中获得了广泛的应用。

1 虚拟仿真技术的优势

虚拟仿真技术是一种创建和体验虚拟环境的计算机仿真技术，利用交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真达到“身临其境”的效果[3-4]。

1.1 建立虚拟实验的优势

（1）充分调动学生的积极性，提高学习兴趣。虚拟实验是利用游戏设定的方式，让学生进入教学情境，最大限度地激发学生的学习兴趣，并引导自主学习。

（2）提高学生实践能力。利用人机实时交互，学生亲自动手操作，完成在线实验内容，实验操作风险低。而且可反复进行实验操作，辅助理解理论知识，培养实践能力。

（3）改进传统实验教学模式。虚拟实验拥有沉浸式教学、强交互性操作等特点，更智能地实现实验教学，同时培养学生科学的思维方式，提高学生分析问题、解决问题的能力[5-6]。

（4）节约实验资源。虚拟实验不受实验基础设施、仪器设备和耗材等条件的影响，最大限度地降低实验成本。

1.2 建设虚拟仿真实验的特点

利用虚拟仿真技术重新构建传统的教学内容，通过多维度的视听体验、可视化的效果展示、身临其境的介入感、沉浸感，吸引学生的注意力，显著提高学生的学习兴趣[7-8]。

2 食品中沙门氏菌检验虚拟仿真实验设计及应用

2.1 实验背景

根据《食品安全国家标准 食品微生物学检验 沙门氏菌检验》（GB 4789.4—2016）内容，基于沙门氏菌的生物学特性，在减少感染风险、确保学生安全的背景下，设计实验方法。让学生通过沙门氏菌检验的虚拟仿真实验平台，模拟真实实验环境，将实验材料、实验仪器设备、实验步骤方法有机结合，在电脑上可以多次重复、交互操作，提高学生动手实践的能力，加深对沙门氏菌检验原理的理解，提高实验教学效果。

2.2 实验内容

（1）实验准备。包括更衣、带帽、带手套、换鞋，准备试剂及耗材、营养琼脂、BS培养基、XLD培养基、HE培养基等试剂，配制培养基、玻璃器皿清洗、高压杀菌，仪器调试。

（2）设计虚拟模块。将虚拟实验模块系统分为学习模块和考核模块，学习模块包括实验目的、原理、过程，考核模块包括实验操作、在线测试和考核评分等。

（3）实验操作。①配制培养基：BS培养基、XLD培养基、HE培养基，经高压蒸汽灭菌后，倒平板及试管备用。②食品样品的前处理：固体和液体样品。③增菌培养和分离培养。④生化鉴定。⑤血清分型鉴定。⑥实验结果及讨论。

（4）虚拟实验软件应用。学生可通过用户登录模块登录虚拟仿真实验教学系统，输入用户名和密码登录并选择食品中沙门氏菌检验虚拟仿真实验项目，获取实验指导书，熟悉实验流程后进行虚拟实验，完成并提交报告后，教师可在线批改并发布实验成绩。

2.3 食品中沙门氏菌检验虚拟仿真实验的特色

（1）本实验项目从实验前的准备开始，应用虚拟仿真技术，还原真实的食品中沙门氏菌检验场景，呈现样品前处理、增菌培养、分离鉴定、血清分型等过程，实验结果和报告可以完整提供，不受时间空间限制，节约资源。

（2）通过鼠标点击和选择即可完成关键步骤的交互操作，简单易操作，对提高学生的实践能力、验证检验原理、提高逻辑思维能力有重要作用。

（3）安全性高，避免了感染沙门氏菌的风险，同时利用游戏引擎方式激发学生的学习兴趣。

3 建立食品中沙门氏菌检验虚拟仿真实验的意义

3.1 避免生物感染，保障实验室的生物安全

食品中沙门氏菌属于食源性致病菌。随着《中华人民共和国生物安全法》的施行，生物安全在高等教育中，更要遵守规范操作，避免感染，确保学生实验安全。同时，为了在实验教学大纲教学学时不变的前提下，利用虚拟实验平台，使学生在身临其境、实时互动中掌握知识，改进教学质量。

3.2 避免重复采购试剂和耗材，减少污染

沙门氏菌检验的实验环境要求在BSL-2或以上的生物安全实验室完成，成本很高。在传统的实验教学方式中，从试剂、耗材、仪器设备的招标采购，每年都要花费较多的实验经费。虚拟仿真实验的开发，一次性制作投入，可以长期应用。

4 结语

将虚拟仿真技术与传统教学模式相结合，不仅能解决传统教学中基础设施和教学设备不足的问题，还能有效提高学生的学习效率和教学效果，对学生理论知识的掌握和实践能力的提高均具有非常积极的作用。虚拟仿真实验教学将成为未来食品专业教学的重要途径。

参考文献

[1]王佳弘，席文杰，董丽丽，等.虚拟仿真技术在护理教育中的应用与挑战[J].中华护理杂志，2020，55（3）：401-404.

[2]杨闽楠，邢效瑞，王光西，等.医学微生物学虚拟仿真实验平台建设初探[J].基础医学教育，2018，20（2）：137-140.

[3]于军，杨丹聃，张钰.医学致病性肠道杆菌属虚拟仿真实验研究[J].中文科技期刊数据库（全文版）医药卫生，2019（3）：208-209.

[4]倪芳，刘洋，熊强，等.“互联网+”发酵工程实操与虚拟仿真中试实验室平台的建设与探索[J].微生物学通报，2020，47（11）：3725-3732.

[5]许飞，聂志妍，金磊，等.“高效价兔抗绵羊红细胞抗体的制备与检测”虚拟仿真实验项目的设计与探索[J].中国免疫学杂志，2021，37（2）：231-234.

基金项目：吉林大学本科教学改革研究项目（2019XYB143）;吉林大学本科“创新示范课程”建设项目（201944）。

作者简介：王作昭（1979—），男，汉族，河北保定人，博士，高级实验师。研究方向：食品安全。

通信作者：徐艳阳（1972—），女，吉林公主岭人，博士，副教授，研究方向：食品营养与安全。E-mail：xuyy@jlu.edu.cn。