辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验教学项目建设

阎臻，李佛生，冯甦，杨鑫，张杰，赵 建

（四川大学生命科学学院，生物科学国家级实验教学示范中心，生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心，成都 610064）

0 引言

杀虫与灭菌是从事微生物学、食品科学和其他生命科学研究中必不可少的重要环节，同时也在医疗、食品和环境保护方面发挥着重要作用。微生物学实验课程涉及多种灭菌技术，并要求学生了解相应灭菌方法的原理和应用范围，学习不同灭菌技术的操作方法。在本科教学中主要讲授的方法有化学方法、生物制剂法以及物理方法，其中常用的物理方法有高温高压蒸汽法、干热法和紫外照射［1］。而一直常提及的利用γ射线或电子束进行的辐照灭菌方法，因为其装置和工艺的特殊性以及危险性，无法在实体实验教学中开设相关实验教学项目。但在实际生产中，该方法在微生物灭菌和生物材料的贮藏等方面发挥重要作用，是进出口水果、粮食、木材等产品的海关检疫与处理手段之一，常常用于杀灭进出口货物中的微生物和害虫［2］。目前，该方法属于民用非动力核技术，广泛应用于国民经济和社会生活的各个领域，全国辐射加工产业规模达1 093.5 亿元，未来辐照加工行业的产业规模将会进一步扩大［3］。因此，十分有必要让生物学相关专业，特别是生物技术专业的学生了解工业化辐照灭菌技术及辐照处理工艺。

然而，由于工业化辐照源钴60 或铯137 等是强放射性元素，危险性极大，需要专门的装置与配套设备和国家辐射安全许可证。另外，电子加速器在运行时也会产生强射线，且在进行辐照处理时需要专业人员并遵照国内外相关操作规定，所以传统的实验条件无法满足工业化辐照相关的硬软件要求，很难在学生的实验课程和实践教学中开展。

为了让学生更好学习辐照灭菌的方法，将虚拟仿真技术与实验教学有机融合，设计开发了工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验教学项目。本项目涵盖辐照消毒和灭菌处理过程的基本法规、处理流程、设备及辅助设施、处理后分析检验等实践内容，综合形成了一套完整的虚拟仿真实验，学生可通过PC，Pad 和智能手机端登录“工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验”在线学习实验的原理和视频等。同时基于VR虚拟现实技术和unity-3D 信息技术的交互，使学生在实验过程中以虚拟身份进入辐照场景，沉浸式实验操作提高学生的参与感［4-6］，弥补学生在辐照处理实践环节中缺失的相关实验和实践内容，达到“虚实结合、线上线下相统一”的实验教学效果［7-9］，为信息化时代生物学专业实验教学及教育改革提供了借鉴和参考。

1 工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验的设计理念与流程

从培养人才的实际需求出发，秉承“以学生为中心”的教学理念，采用问题式导入式教学方式［10-11］，针对辐照装置的专业性和辐照实验的高危险性设计了电子束和钴60-γ射线辐照技术的虚拟仿真实验教学项目，完成了现实课堂实验教学和科研实习中不能实现的辐照工艺的综合训练。

整个虚拟仿真实验流程分为实验准备、实验过程和实验评价3 个模块（见图1）。实验准备主要是讲解工业化辐照杀虫和灭菌中多种辐照源的异同、辐照剂量的划分和应用范围、辐照杀虫和灭菌的优点以及辐照产业的发展现状等，让学生掌握辐照杀虫和灭菌的原理，以及了解辐照行业的发展现状。实验过程包括辐照前处理、辐照处理过程和辐照处理后分析3 个阶段。①辐照前学生根据辐照处理的目的和产品类别，自主选择需要进行辐照的辐照源和辐照剂量。②学生利用软件中创建的虚拟身份进入辐照工厂，打开辐照源，并以“虚拟视角”观察辐照处理过程中的放射源，完成辐照杀虫和灭菌等步骤。通过虚拟仿真场景和3D-VR交互场景进行实验内容学习，并进行辐照后分析等步骤，让学生了解并掌握工业化辐照杀虫和灭菌的实验操作流程和方法。③实验评价模块主要针对相关知识点，设置问题进行考核并组织线下实验讨论和总结，及时了解学生学习掌握情况，并引导学生查阅相关文献进一步延展学习的广度和深度。

图1 工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验设计流程

2 虚拟仿真实验内容

2.1 实验准备模块

（1）辐照杀虫和灭菌的原理介绍。首先向学生展示了工业化辐照工厂的车间布局、机械构造、设备摆放和设置等基本知识。接着以视频动画的形式向学生讲解了不同辐照源在生活中的的应用场景［12-16］。重点介绍了辐照杀虫和灭菌的原理，即在合适的波长和辐照剂量下，电磁射线或电子加速器产生的辐照能够使产品中微生物及害虫DNA分子内部的化学键断裂，失去复制能力达到杀虫和灭菌等目的，从而保证产品质量安全。此部分的讲解将实验内容与学生的日常生活紧密结合，加深学生对于辐照应用的理解。

（2）辐照源的相关知识介绍。该模块首先向学生介绍了不同辐照源的主要异同，加深学生对电子束、X-射线和γ 射线产生的装置，束流方向、能量范围以及各自的局限性的了解（见表1）。然后向学生讲解电离辐照中所使用的国际单位的名称、定义及其具体的应用标准，以及工业化生产中辐照的剂量的中低剂量和高剂量标准，加深学生对辐照剂量的理解。同时，向学生介绍了辐照杀虫和灭菌的优势和国内外辐照处理技术的相关标准和规范。通过该模块的学习，学生能够进一步了解辐照食品、药品原料及医疗器械中各类微生物的限定标准。

表1 不同辐照源的特征

2.2 辐照前处理模块

该模块实验主要帮助学生学习不同辐照处理目的、产品类型、辐照源和辐照剂量的应用，学生可以根据辐照处理的目的利用VR手柄发出的镭射线进行交互，选择辐照杀虫或者灭菌（见图2）。同时，在软件界面上适配典型的产品类型的照片，加深学生对辐照处理对象的理解［见图2（a）］；并在辐照剂量选项中添加具体的剂量数字，以便后续的辐照剂量填写［见图2（b）］；学生只有选择合适的剂量才能进入后续的实验操作［见图2（c）］。该模块的学习能够帮助学生掌握不同辐照剂量的应用范围。

图2 辐照处理的目的和剂量选择实景图

2.3 辐照处理过程模块

（1）电子束辐照杀虫和灭菌实验场景。学生通过VR手柄的交互，输入正确的辐照剂量打开不同的辐照车间场景进行学习。在进入电子束辐照车间后，学生根据视野中蓝色字体的提示前往任务框中查看辐照［见图3（a）］，了解电子束辐照场所货物搬运和物品转运路线、辐照样品包装箱要求以及电子束辐照品的优先级等。学生根据蓝色任务框提示，利用手柄交互，模拟真实场景中的货物搬运，并以虚拟身份在车间场景中漫游，了解辐照车间的布置。实验模拟辐照车间的实际情况，在控制室入口处设置指纹刷卡装置，学生通过VR手柄进行交互，完成“身份验证”，进入辐照车间控制台开启辐照［见图3（b）］。这让学生在逼真的场景和交互操作中产生真实的学习体验，激发学生的学习兴趣。

图3 电子束辐照杀虫和灭菌生产车间实景图

辐照开启后，学生通过VR 交互带上盖格计数器和辐照剂量测定器，系统提示学生“辐照已开启，请人员撤出至安全区域”［见图4（a）］，加深学生对于安全辐照处理规范的理解。学生在退出辐照控制室后，以虚拟身份进入传送带内部沉浸式查看车间生产情况和电子束辐照的流程，同时系统会提示“禁止人员进入该区域，本教程仅以虚拟身份进入”［见图4（b）］。

图4 辐照开启后系统安全提示实景图

学生进入辐照车间内部后，可查看加速器发出射线的过程和传送带上运送辐照产品的真实场景［见图5（a）］。在结束电子束辐照核心区域的漫游后，学生再次以虚拟身份进入辐照控制室二楼，查看电子加速器管理区域，学习电子在加速器内部的运动方向和产生能量的原理［见图5（b）］。本实验项目将实验原理融入真实的实验场景中，利用沉浸式的教学方式加强学生对于电子束辐照杀虫和灭菌的应用场景、操作流程和原理的理解。

图5 电子束辐照处理车间内部实景图

（2）钴60-γ 射线辐照杀虫和灭菌实验场景。学生完成电子束辐照杀虫与灭菌实验后，系统自动转入钴60-γ 射线辐照杀虫和灭菌车间场景中［见图6（a）］。根据系统提示，学生利用VR 手柄的交互，模拟现实中货物搬运的操作，并以虚拟身份在场景中漫游，了解钴60-γ射线辐照处理的厂区布置。学生利用指纹刷卡验明身份后，进入控制室开启辐照［见图6（b）］，系统弹出“即将进行辐照处理，所有人员撤出至安全区域”的安全提醒，加深学生对辐照操作安全性的认识和理解。而且实验严格按照实际生产中的操作情况，提示学生需要通过VR 交互随身携带盖格计数器和辐照剂量测定仪，以“虚拟视角”在车间内漫游学习钴60-γ射线辐照场所传送装置以及货物运送的轨道布局等。

在实验过程中，一旦辐照开启，系统会提示学生“人类禁止进入该区域，本课程仅以虚拟身份进入”［见图6（c）］，使学生通过虚拟仿真的辐照车间了解工业化钴60-γ射线辐照技术的实验操作流程。学生以“虚拟视角”进入车间后，通过VR手柄的交互，将钴源棒从水井中移至辐照车间，学习辐照装置的内部构造［见图6（d）］。学生观察和学习完钴源棒的辐照过程后系统提示“虚拟视角结束，退出内部场景”，实验结束进入辐照处理后分析模块，同时比较工业化电子束辐照和钴60-γ射线辐照技术的异同。

图6 钴60-γ射线辐照车间实景图

2.4 辐照处理后分析模块

在辐照处理后分析模块，学生可以查看辐照实验相关的参考文献，思考题以及辐照处理后分析的相关知识点。同时，在线学习辐照样品吸收剂量的测定方法、处理后样品微生物含量的测定、食品／药品原料氧化指标的测定和药品中有效成分检测等，使学生了解辐照剂量与微生物杀灭效果的关系，了解辐照食品、药品原料及医疗器械中各类微生物的限定标准，认识辐照处理对食品货架期相关指标、感官品质和药品主要成分的作用。

3 虚拟仿真教学项目在微生物实验教学中的应用和评价

3.1 实验教学方法

（1）问题式教学方法。根据教学目标的需要，本实验采用了问题式导入教学内容，利用问题激发学生的学习兴趣［17］。实验操作过程中的题目格式均为单项选择题（见图7），学生可以通过VR 手柄进行交互答题，无论答案正确与否，在题目下方向学生展示答案解析，加强学生对题目中涉及知识点的深刻理解，培养学生的发散性思维［18］。在实验结束生成的实验报告中，详细分析了学生是否有效解决实验问题，有哪些错误实验操作，必须掌握哪些知识点等。

图7 工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验的实验学习评价标准

（2）沉浸式教学方法。基于unity-3D信息技术和VR虚拟现实技术，构建工业化电子束辐照和钴60-γ射线辐照杀虫和灭菌实验场景，通过沉浸式的实验操作环节和人机交互环节，引导学生思考与探究，掌握辐照杀虫和灭菌的原理。

（3）研讨式教学方法。结合线上学生虚拟仿真实验，设置“本次实验还有哪些可以改进的地方？针对不同的灭菌或者杀虫对象如何选择辐照源和剂量？针对不同处理对象的质量控制标准的异同？”等一系列问题，在线下课堂上组织学生展开研讨，逐步引导学生分析和解决问题。通过研讨式教学，有效提高了学生分析问题、解决问题的能力，为学生科研思维培养奠定了良好的基础。

3.2 实验教学评价考核

学生实验教学评价由线上操作报告和线下实验报告组成。学生通过学号登录工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验软件进行虚拟实验操作后，后台对学生实验操作的完成情况进行全过程统计和评价，并生成“线上操作报告”，报告内容包括以下4 个方面：实验操作的总体概况，包括实验成绩、用时时长、已完成内容和实验结论（重做实验或者通过实验）；知识点掌握情况（即实验过程中考核题目及学生的回答情况）；实验中答错题目的知识点解析和参考文献推荐，便于学生了解自己的学习情况，进一步的查缺补漏；最终，教师将学生的“线上操作报告”成绩与“线下实验报告”的成绩进行加权评定出学生在该虚拟仿真实验中的实验成绩，具体的评分标准及等级详见图7，以便更加全面地了解学生对实验项目涉及的知识点的掌握情况。

3.3 实验教学效果分析

针对2019 级和2020 级生物科学类专业263 名学生进行调查的使用反馈意见和建议结果显示，有99.24%的学生认为工业化辐照杀虫和灭菌实验仿真度高，有效帮助学习相关的实验原理和知识内容，说明虚拟仿真实验教学在学生中的认可度较高。

4 教学反思

4.1 工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验的创新性

在本科教学阶段的微生物实验课程中，常用的灭菌技术是湿热法、干热法和紫外照射1。工业化辐照杀虫与灭菌虚拟仿真实验的建设，弥补了学生在辐照处理实践环节中相关实验和实践内容的缺失，填补了国内高校尚无工业化辐照杀虫和灭菌实验课程的空白，拓展了学生对民用非动力核技术应用领域的认知，帮助学生认识先进灭菌技术对保障食品、药品原料及医疗器械安全的重要性，提高学生对保障食品安全重要性和必要性的意识。通过工业化辐照杀虫与灭菌虚拟仿真实验的应用，更新了传统实验教学的教学方式，学生能够沉浸在VR虚拟现实技术和unity-3D信息技术构建的高度仿真实验场景中，帮助学生既能保障安全又能便捷地获取缺失的实验知识，而且在本实验的教学过程中使用了学生喜欢的教学手段，还能保证良好的教学效果。同时，通过将形成性评价与终结性评价相结合，建立了全员、适时和多元化的评价体系，帮助学生自我评估学习效果。教师也对学生的实验过程进行全程跟踪，快速了解学生对相应知识点的掌握情况，全面、客观地评价了学生的学习效果，并通过平台的互动功能及时反馈给学生，有效提高了学生学习的积极性。

4.2 工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验的局限性

基于unity-3D和VR交互的工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验的真实性很强，但却不能完全等同于实体实验，理想条件下的虚拟仿真实验与实体实验还存在着一定的差距。学生在软件中进行辐照杀虫和灭菌等的虚拟操作的时候，并不一定会遇到实际实验中的问题，在一定程度上阻碍了学生发现问题、分析问题和解决问题能力的提升。另外，学生可以独立完成工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验的整个流程，但通过问卷结果发现，有71.4%的学生由于首次接触VR设备，对其操作不够熟练，在今后的教学中，应该加强学生对于虚拟仿真实验项目的培训、指导和锻炼。另外，随着电子信息技术的发展，软件的建模技术和制作方法更新较快，学生是否能迅速适应新的教学软件也是一个值得深思的问题。

5 结语

工业化辐照杀虫和灭菌虚拟仿真实验项目利用VR虚拟现实技术和unity-3D信息技术，将真实的工业化辐照场所结构、功能、操作规范等实验场景进行VR虚拟化。将线上虚拟实验教学与线下课程教学相结合，通过以虚拟身份的第一视角进入工业辐照场所，进行沉浸式、可扩展式的操作体验，完成辐照前准备、电子束辐照杀虫和灭菌实验、钴60-γ射线辐照杀虫和灭菌实验、辐照处理后分析等重点板块的实验内容，弥补课堂教学和科研实习中缺失的实验内容，培养学生运用多学科知识和技能进行工业化杀虫和灭菌操作。以虚拟仿真实验为基础的线上线下相结合的教学方式，充分发挥了“虚实结合”实验教学方式的优势，打破了传统实验教学对时间和空间的限制，拓展了实验教学的深度和广度，为信息化时代生物专业的实验教学及教育改革提供了借鉴和参考。