“ARTP诱变筛选大肠埃希氏菌营养缺陷型”虚拟仿真实验的构建

郝鲁江，韩宁，张杰，祝文兴，迟玉霞，王俊明，王婧臻

摘要：“ARTP诱变筛选大肠埃希氏菌营养缺陷型”虚拟实验教学项目的课程软件基于安全、成熟、易用、高性能、先进的虚拟仿真平台架构进行构建。项目具有“实验内容涵盖诱变育种全周期”“避免不良实验结果影响后续实验”“有效缩短实际实验周期”等优势。虚拟实验过程由“虚拟环境+虚拟仪器+虚拟试剂”构成。实验包含4大模块，诱变处理、营养缺陷型浓缩、营养缺陷型检出、营养缺陷型鉴定以及6个主要操作步骤及29个具体操作步骤。学生可通过自主式、案例式的在线学习，掌握等离子体（ARTP）诱变技术的基本原理;学习营养缺陷型菌株的概念及重要意义;学习了解营养缺陷型菌种筛选、鉴定的原理及常用方法;系统学习、掌握通过ARTP技术诱变大肠杆菌并筛选、鉴定其营养缺陷型的方法及操作等实验目的。

关键词：微生物学;虚拟仿真;常压室温等离子体;诱变育种

中图分类号：G642.423     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）01-0387-03

为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高[2012]4号）精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》，开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，教育部自2013年起建设1500个国家级虚拟仿真实验教学中心。教育信息化程度是评价高校办学质量的重要指标，教学资源的建设，尤其是软件的开发和建设，也是名校建设的重中之重，《齐鲁工业大学十三五发展规划（草案）》将发展教学资源建设，筹备国家虚拟仿真实验教学中心列为教改的重要工作。

《微生物学》《微生物学实验》是我校开课历史最久、开课专业最多的重要专业基础课，基础微生物学实验以验证性真实实验为主，虚拟仿真实验教学资源是真实实验教学资源的重要补充，是人才培养计划和实验教学大纲要求必须开展的实验项目。虚拟仿真实验教学资源模拟高危险、高污染环境开展虚拟仿真实验，模拟开展真实实验教学中高消耗、高成本的实验项目，达到了真实实验的实验效果，弥补了真实实验教学的不足。

一、虚拟仿真实验教学的使用目的

以“ARTP（Atmospheric and Room Temperature Plasma，常压室温等离子体）诱变筛选大肠埃希氏菌营养缺陷型”实验为例，ARTP设备昂贵，无法在本科生的基础实验中大量购置、使用;ARTP设备操作环境要求高，有一定危险，不适宜本科生实验使用。以虚拟仿真的手段模拟设备功能，替代实际操作的也能很好地满足学生学习实验原理，掌握实验方法和技能的目标。遗传诱变育种广泛应用在基础生物学研究及生产育种工作中。本实验的设计选取了ARTP诱变这一新技术，以常用的大肠杆菌（大肠埃西氏菌）作为诱变菌株，在虚拟仿真环境中通过案例式教学学习实验的原理并采用交互操作的方式完成实验过程。能够良好地实现学习、掌握等离子体（ARTP）诱变技术的基本原理;学习营养缺陷型菌株的概念及重要意义;学习了解营养缺陷型菌种筛选、鉴定的原理及常用方法;系统学习、掌握通过ARTP技术诱变大肠杆菌并筛选、鉴定其营养缺陷型的方法及操作等实验目的。

二、虚拟仿真实验教学方法的实施过程

流程概述：学生用户登录—系统授权开放登录用户指定的实验项目—用户点选项目—验证通过激活模块应用—模块应用与平台发生数据交互—用户结束实验项目—模块应用完成数据传输后关闭结束。

通过平台学生用户的登录点击操作，激活运行指定模块应用。模块在激活启动、运行中和运行结束等各个环节中需要保持和平台的紧密交互，通过数据交互、数据传输来完成所有模块功能中产生的数据同步到平台，保证平台数据的有效性和完整性。

案例式教学中，以典型的常见菌——大肠埃希氏菌为诱变菌株，通过关于原理的动画向同学介绍整个实验的步骤、流程和基本操作;之后，以流程图的方式列出各实验步骤;学生点击各实验步骤，进入该步骤的操作界面;依据对话框的文字提示，选取实验中的试剂、药品、耗材，并按提示进行操作;各步骤实验结果截屏作为完成该步骤的结果;各实验步骤依次完成后結束实验。

学生在虚拟环境中进行的实验，可以通过授课教师的实时监控在线进行评价及答疑;同学们在课后可提交实验报告、选择实验相关的问题。教师综合评定实验成绩。学习过程体现了以案例为基础的互动式，自主式学习的特点。

目前，国内外尚未见通过ARTP技术诱变筛选大肠杆菌营养缺陷型菌株的虚拟实验教学软件，该软件的开发及应用具有自主知识产权，创新突出。软件可以很好地体现实验内容涵盖诱变育种全周期、避免不良实验结果影响后续实验、有效缩短实际实验周期过长等优势。

三、虚拟仿真实验教学方法的实施效果

虚拟仿真实验教学资源与真实实验教学资源相结合，进一步完善了实验教学体系。使学生对真实实验难以开展的实验项目的实验机理、反应规律、实验现象有了更深入的了解，能够更加全面地掌握微生物相关知识。使用微生物学3D虚拟互动仿真软件（ARTP诱变筛选大肠埃希氏菌营养缺陷型），能够具备以下实施效果。

1.仿真展示，让使用者能在虚拟环境中产生强烈的沉浸感。体现真实世界与虚拟现实的高度融合。

2.3D虚拟互动仿真软件可缓解实验设备（ARTP）套数不足，让学生有足够的时间在仿真设备上操作，减轻对大型、昂贵设备的损坏。有利于形成虚拟实验教学的专门课堂。

3.大型仪器（ARTP）实验仿真软件特点：去除了繁杂的实验准备工作，节省了大量人力、物力，使代课老师和实验准备教师从开放实验中解放出来，真正做到轻松教学、快乐学习。

4.全面的知识讲解：每一个仿真仪器对应于一个知识课件，课件里有全面的知识体系，包含仪器相关操作和组成介绍等。丰富的原理展示：原理部分采用Flash动画，使学生通俗易懂。

5.校园培训网络通过网络平台整合虚拟教学资源，形成教、学、研一体的教学软件系统;教师很轻松的安排教学内容、掌握教学成效、统计成绩;学生可以不受时间空间限制，只要有网络的地方就可以动手做实验。

6.通过开展在线教学服务或技术支持等，积极发挥对专业类实验教学信息化建设的示范引领作用。

四、虚拟仿真实验步骤及方法简述

（一）实验步骤（共计29步）

实验流程分为诱变处理、营养缺陷型浓缩、营养缺陷型检查、营养缺陷型鉴定4个模块（图1）。

6个主要操作步骤及29步具体操作步骤包括：（1）菌悬液制备（6步）：超净工作台的灭菌，接种培养，移取菌液，离心和制备菌悬液;（2）诱变处理（6步）：菌悬液的分制，移至诱变机，设置ARTP参数，载片转移，制备、稀释菌悬液;（3）诱变后处理（2步）：离心收集诱变菌种，重新制备菌悬液;（4）检出缺陷型菌株（4步）：基本培养基和完全培养基上涂布，恒温培养，点种培养，筛选出缺陷型菌株;（5）复证（2步）：挑选菌株进行划线培养，营养缺陷型的复证;（6）生长谱鉴定（9步）：选择已知的缺陷菌株，菌液配制及移取，离心，菌液制备，再次离心，菌液制备，涂布培养，检测缺陷菌株。

（二）实验方法

整个实验采用三维交互操作的形式完成。按照项目的操作提示，使用者从右上角的工具栏中选择相应的操作器材并按提示完成三维交互操作（图2、图3）。

五、考核要求

目前虚拟仿真教学平台具备的三种考核方式如下。

1.在线答疑。学生可在线提交关于实验原理及操作的问题，授课教师在后台查看并回答解疑。

2.学生实验报告的批改。学生可网络上传Word或者PDF格式的实验报告，授课教师可在线查看，批改及打分。实验报告的成绩评定以学生报告中是否完成了全部实验步骤，各实验步骤的结果是否准确作为依据。

3.在线测试。选课同学可在课程题库中答题，选择题、填空题自动打分，得出成绩。授课教师批改实验报告后完成成绩统计和评定。

成绩构成为：10%在线答疑表现及成绩+60%实验报告成绩+30%在线测试成绩=100分

虚拟仿真教学平台及实验软件在设计上充分考虑了同学们互动式、自主式教学的需要：学生可以通过教学平台提交实验报告，提出课程问题;教师可在线批改实验报告、回答学生提问。形成教与学的良性互动。学生按照软件的操作提示可以自主顺利完成全部实验操作过程，还可以不受操作次数的限制反复练习强化对实验技术的掌握，软件的各主要步骤都包含实验结果，方便同学们验证实验结论。

美国印第安纳大学和普渡大学印第安纳波利斯联合分校的普通化学课、普渡大学和佛罗里达国际大学的生物学导论课都采取了同伴领导的团队学习模式和工作坊协作方式，并将电子教材、交互式多媒体课件、虚拟仿真软件、网络实验室以及视频资料等整合于在线学习环境之中[1]。国内西南医科大学[2]、武汉科技大学[3]的教师对微生物学虚拟实验平台建设进行了研究;南京农业大学[4]、南華大学[5]、山西师范大学[6]的教师们探讨了微生物虚拟仿真实验教学的模式;安徽医科大学构建了霍乱弧菌的感染与诊断[7]及肠道致病菌分离与鉴定[8]等虚拟仿真实验并在教学中加以应用。相信伴随着更多微生物学虚拟仿真实验项目的建设及教学模式的研究，将对提高微生物学实验效果起到良好的推动和促进作用。

参考文献：

[1]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

[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]于志君，邓海英，江珍玉.虚拟仿真实验教学结合传统实验教学在医学微生物教学中的应用研究[J].世界最新医学信息文摘，2018，18（100）：309-310.

[4]钱猛，崔瑾，成丹，等.南京农业大学微生物学虚拟仿真实验教学模式的探索[J].微生物学通报，2016，43（4）：861-866.

[5]李忠玉，赵飞骏，朱翠明，等.基于虚拟环境下的医学微生物学实验教学模式研究[J].教育教学论坛，2017，（45）：279-280.

[6]王思宇，徐建国，张丽红，等.微生物学虚拟仿真实验教学模式初构[J].高教学刊，2018，（22）：104-106.

[7]吕树娟，芦宝静，刘伯玉，等.霍乱弧菌的感染与诊断虚拟仿真实验的创建与应用[J].基础医学教育，2018，20（7）：581-583.

[8]王晓楠，李京培，唐媛媛，等.肠道致病菌分离与鉴定虚拟仿真实验教学系统建设与实践[J].基础医学教育，2018，20（10）：904-907.

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