“ARTP誘變篩選大腸埃希氏菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建

郝魯江，韓寧，張杰，祝文興，遲玉霞，王俊明，王婧臻

摘要：“ARTP誘變篩選大腸埃希氏菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型”虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的課程軟件基于安全、成熟、易用、高性能、先進(jìn)的虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建。項(xiàng)目具有“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋誘變育種全周期”“避免不良實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)”“有效縮短實(shí)際實(shí)驗(yàn)周期”等優(yōu)勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程由“虛擬環(huán)境+虛擬儀器+虛擬試劑”構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)包含4大模塊，誘變處理、營(yíng)養(yǎng)缺陷型濃縮、營(yíng)養(yǎng)缺陷型檢出、營(yíng)養(yǎng)缺陷型鑒定以及6個(gè)主要操作步驟及29個(gè)具體操作步驟。學(xué)生可通過(guò)自主式、案例式的在線學(xué)習(xí)，掌握等離子體（ARTP）誘變技術(shù)的基本原理;學(xué)習(xí)營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的概念及重要意義;學(xué)習(xí)了解營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌種篩選、鑒定的原理及常用方法;系統(tǒng)學(xué)習(xí)、掌握通過(guò)ARTP技術(shù)誘變大腸桿菌并篩選、鑒定其營(yíng)養(yǎng)缺陷型的方法及操作等實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

關(guān)鍵詞：微生物學(xué);虛擬仿真;常壓室溫等離子體;誘變育種

中圖分類號(hào)：G642.423 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）01-0387-03

為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》（教高[2012]4號(hào)）精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，教育部自2013年起建設(shè)1500個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。教育信息化程度是評(píng)價(jià)高校辦學(xué)質(zhì)量的重要指標(biāo)，教學(xué)資源的建設(shè)，尤其是軟件的開(kāi)發(fā)和建設(shè)，也是名校建設(shè)的重中之重，《齊魯工業(yè)大學(xué)十三五發(fā)展規(guī)劃（草案）》將發(fā)展教學(xué)資源建設(shè)，籌備國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心列為教改的重要工作。

《微生物學(xué)》《微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)》是我校開(kāi)課歷史最久、開(kāi)課專業(yè)最多的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，基礎(chǔ)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性真實(shí)實(shí)驗(yàn)為主，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源是真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的重要補(bǔ)充，是人才培養(yǎng)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求必須開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源模擬高危險(xiǎn)、高污染環(huán)境開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，模擬開(kāi)展真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中高消耗、高成本的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，達(dá)到了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果，彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的使用目的

以“ARTP（Atmospheric and Room Temperature Plasma，常壓室溫等離子體）誘變篩選大腸埃希氏菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型”實(shí)驗(yàn)為例，ARTP設(shè)備昂貴，無(wú)法在本科生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中大量購(gòu)置、使用;ARTP設(shè)備操作環(huán)境要求高，有一定危險(xiǎn)，不適宜本科生實(shí)驗(yàn)使用。以虛擬仿真的手段模擬設(shè)備功能，替代實(shí)際操作的也能很好地滿足學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)方法和技能的目標(biāo)。遺傳誘變育種廣泛應(yīng)用在基礎(chǔ)生物學(xué)研究及生產(chǎn)育種工作中。本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)選取了ARTP誘變這一新技術(shù)，以常用的大腸桿菌（大腸埃西氏菌）作為誘變菌株，在虛擬仿真環(huán)境中通過(guò)案例式教學(xué)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的原理并采用交互操作的方式完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。能夠良好地實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、掌握等離子體（ARTP）誘變技術(shù)的基本原理;學(xué)習(xí)營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的概念及重要意義;學(xué)習(xí)了解營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌種篩選、鑒定的原理及常用方法;系統(tǒng)學(xué)習(xí)、掌握通過(guò)ARTP技術(shù)誘變大腸桿菌并篩選、鑒定其營(yíng)養(yǎng)缺陷型的方法及操作等實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)施過(guò)程

流程概述：學(xué)生用戶登錄—系統(tǒng)授權(quán)開(kāi)放登錄用戶指定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目—用戶點(diǎn)選項(xiàng)目—驗(yàn)證通過(guò)激活模塊應(yīng)用—模塊應(yīng)用與平臺(tái)發(fā)生數(shù)據(jù)交互—用戶結(jié)束實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目—模塊應(yīng)用完成數(shù)據(jù)傳輸后關(guān)閉結(jié)束。

通過(guò)平臺(tái)學(xué)生用戶的登錄點(diǎn)擊操作，激活運(yùn)行指定模塊應(yīng)用。模塊在激活啟動(dòng)、運(yùn)行中和運(yùn)行結(jié)束等各個(gè)環(huán)節(jié)中需要保持和平臺(tái)的緊密交互，通過(guò)數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)傳輸來(lái)完成所有模塊功能中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)同步到平臺(tái)，保證平臺(tái)數(shù)據(jù)的有效性和完整性。

案例式教學(xué)中，以典型的常見(jiàn)菌——大腸埃希氏菌為誘變菌株，通過(guò)關(guān)于原理的動(dòng)畫(huà)向同學(xué)介紹整個(gè)實(shí)驗(yàn)的步驟、流程和基本操作;之后，以流程圖的方式列出各實(shí)驗(yàn)步驟;學(xué)生點(diǎn)擊各實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)入該步驟的操作界面;依據(jù)對(duì)話框的文字提示，選取實(shí)驗(yàn)中的試劑、藥品、耗材，并按提示進(jìn)行操作;各步驟實(shí)驗(yàn)結(jié)果截屏作為完成該步驟的結(jié)果;各實(shí)驗(yàn)步驟依次完成后結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)授課教師的實(shí)時(shí)監(jiān)控在線進(jìn)行評(píng)價(jià)及答疑;同學(xué)們?cè)谡n后可提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、選擇實(shí)驗(yàn)相關(guān)的問(wèn)題。教師綜合評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)。學(xué)習(xí)過(guò)程體現(xiàn)了以案例為基礎(chǔ)的互動(dòng)式，自主式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)通過(guò)ARTP技術(shù)誘變篩選大腸桿菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，該軟件的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，創(chuàng)新突出。軟件可以很好地體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋誘變育種全周期、避免不良實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)、有效縮短實(shí)際實(shí)驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)施效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相結(jié)合，進(jìn)一步完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。使學(xué)生對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)機(jī)理、反應(yīng)規(guī)律、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有了更深入的了解，能夠更加全面地掌握微生物相關(guān)知識(shí)。使用微生物學(xué)3D虛擬互動(dòng)仿真軟件（ARTP誘變篩選大腸埃希氏菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型），能夠具備以下實(shí)施效果。

1.仿真展示，讓使用者能在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸感。體現(xiàn)真實(shí)世界與虛擬現(xiàn)實(shí)的高度融合。

2.3D虛擬互動(dòng)仿真軟件可緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備（ARTP）套數(shù)不足，讓學(xué)生有足夠的時(shí)間在仿真設(shè)備上操作，減輕對(duì)大型、昂貴設(shè)備的損壞。有利于形成虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的專門(mén)課堂。

3.大型儀器（ARTP）實(shí)驗(yàn)仿真軟件特點(diǎn)：去除了繁雜的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，節(jié)省了大量人力、物力，使代課老師和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備教師從開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中解放出來(lái)，真正做到輕松教學(xué)、快樂(lè)學(xué)習(xí)。

4.全面的知識(shí)講解：每一個(gè)仿真儀器對(duì)應(yīng)于一個(gè)知識(shí)課件，課件里有全面的知識(shí)體系，包含儀器相關(guān)操作和組成介紹等。豐富的原理展示：原理部分采用Flash動(dòng)畫(huà)，使學(xué)生通俗易懂。

5.校園培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)整合虛擬教學(xué)資源，形成教、學(xué)、研一體的教學(xué)軟件系統(tǒng);教師很輕松的安排教學(xué)內(nèi)容、掌握教學(xué)成效、統(tǒng)計(jì)成績(jī);學(xué)生可以不受時(shí)間空間限制，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。

6.通過(guò)開(kāi)展在線教學(xué)服務(wù)或技術(shù)支持等，積極發(fā)揮對(duì)專業(yè)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)的示范引領(lǐng)作用。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)步驟及方法簡(jiǎn)述

（一）實(shí)驗(yàn)步驟（共計(jì)29步）

實(shí)驗(yàn)流程分為誘變處理、營(yíng)養(yǎng)缺陷型濃縮、營(yíng)養(yǎng)缺陷型檢查、營(yíng)養(yǎng)缺陷型鑒定4個(gè)模塊（圖1）。

6個(gè)主要操作步驟及29步具體操作步驟包括：（1）菌懸液制備（6步）：超凈工作臺(tái)的滅菌，接種培養(yǎng)，移取菌液，離心和制備菌懸液;（2）誘變處理（6步）：菌懸液的分制，移至誘變機(jī)，設(shè)置ARTP參數(shù)，載片轉(zhuǎn)移，制備、稀釋菌懸液;（3）誘變后處理（2步）：離心收集誘變菌種，重新制備菌懸液;（4）檢出缺陷型菌株（4步）：基本培養(yǎng)基和完全培養(yǎng)基上涂布，恒溫培養(yǎng)，點(diǎn)種培養(yǎng)，篩選出缺陷型菌株;（5）復(fù)證（2步）：挑選菌株進(jìn)行劃線培養(yǎng)，營(yíng)養(yǎng)缺陷型的復(fù)證;（6）生長(zhǎng)譜鑒定（9步）：選擇已知的缺陷菌株，菌液配制及移取，離心，菌液制備，再次離心，菌液制備，涂布培養(yǎng)，檢測(cè)缺陷菌株。

（二）實(shí)驗(yàn)方法

整個(gè)實(shí)驗(yàn)采用三維交互操作的形式完成。按照項(xiàng)目的操作提示，使用者從右上角的工具欄中選擇相應(yīng)的操作器材并按提示完成三維交互操作（圖2、圖3）。

五、考核要求

目前虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)具備的三種考核方式如下。

1.在線答疑。學(xué)生可在線提交關(guān)于實(shí)驗(yàn)原理及操作的問(wèn)題，授課教師在后臺(tái)查看并回答解疑。

2.學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改。學(xué)生可網(wǎng)絡(luò)上傳Word或者PDF格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，授課教師可在線查看，批改及打分。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)?cè)u(píng)定以學(xué)生報(bào)告中是否完成了全部實(shí)驗(yàn)步驟，各實(shí)驗(yàn)步驟的結(jié)果是否準(zhǔn)確作為依據(jù)。

3.在線測(cè)試。選課同學(xué)可在課程題庫(kù)中答題，選擇題、填空題自動(dòng)打分，得出成績(jī)。授課教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告后完成成績(jī)統(tǒng)計(jì)和評(píng)定。

成績(jī)構(gòu)成為：10%在線答疑表現(xiàn)及成績(jī)+60%實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)+30%在線測(cè)試成績(jī)=100分

虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)軟件在設(shè)計(jì)上充分考慮了同學(xué)們互動(dòng)式、自主式教學(xué)的需要：學(xué)生可以通過(guò)教學(xué)平臺(tái)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提出課程問(wèn)題;教師可在線批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告、回答學(xué)生提問(wèn)。形成教與學(xué)的良性互動(dòng)。學(xué)生按照軟件的操作提示可以自主順利完成全部實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，還可以不受操作次數(shù)的限制反復(fù)練習(xí)強(qiáng)化對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的掌握，軟件的各主要步驟都包含實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方便同學(xué)們驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

美國(guó)印第安納大學(xué)和普渡大學(xué)印第安納波利斯聯(lián)合分校的普通化學(xué)課、普渡大學(xué)和佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)的生物學(xué)導(dǎo)論課都采取了同伴領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)模式和工作坊協(xié)作方式，并將電子教材、交互式多媒體課件、虛擬仿真軟件、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室以及視頻資料等整合于在線學(xué)習(xí)環(huán)境之中[1]。國(guó)內(nèi)西南醫(yī)科大學(xué)[2]、武漢科技大學(xué)[3]的教師對(duì)微生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)進(jìn)行了研究;南京農(nóng)業(yè)大學(xué)[4]、南華大學(xué)[5]、山西師范大學(xué)[6]的教師們探討了微生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式;安徽醫(yī)科大學(xué)構(gòu)建了霍亂弧菌的感染與診斷[7]及腸道致病菌分離與鑒定[8]等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并在教學(xué)中加以應(yīng)用。相信伴隨著更多微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)及教學(xué)模式的研究，將對(duì)提高微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)效果起到良好的推動(dòng)和促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]楊閩楠，邢效瑞，王光西，等.醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)初探[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2018，20（2）：137-140.

[3]于志君，鄧海英，江珍玉.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在醫(yī)學(xué)微生物教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].世界最新醫(yī)學(xué)信息文摘，2018，18（100）：309-310.

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Design and Manufacture of Virtual Simulation Experiment "Screening for the Nutritional Deficiency Type of Escherichia Coli Induced by ARTP Mutagenesis"

HAO Lu-jiang，HAN Ning，ZHANG Jie，ZHU Wen-xing，CHI Yu-xia，WANG Jun-ming，WANG Jing-zhen

（School of Bioengineering，Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences），Ji'nan，Shandong 250353，China）

Abstract：The design and manufacture of virtual simulation experiment "Screening for the nutritional deficiency type of Escherichia coli induced by ARTP mutagenesis" base on safe，mature，easy to use，high performance，advanced virtual simulation platform.The advantages of the project include "the experiment content covers the whole period of mutagenesis breeding"，"avoid adverse experiment results affecting subsequent experiments"，and "effectively shorten the actual experiment period".The process of virtual experiment consists of "virtual environment + virtual instrument + virtual reagent".The experiment consists of four modules：mutagenesis treatment，nutrient deficiency type concentration，nutrient deficiency type detection，and nutrient deficiency type identification，and 6 main operation steps and 29 specific operation steps.Students can master the basic principles of the plasma （ARTP） mutagenesis technology through independent and case-based online learning.To learn the concept and significance of nutritional deficiency strain;to learn the principles and common methods of screening and identification of nutrient deficient strains;to systematically study and master the methods and operation of screening and identifying the nutrition-deficient type of E.coli mutagenesis through ARTP technology.

Key words：microbiology;virtual simulation experiment;ARTP;mutation breeding