史海粟，武俊瑞，李冬男，郑 艳，李春强，张 琦，张佰清

（沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110866）

“食品生物技术”理论教学内容以基因工程、发酵工程、酶工程、细胞工程和蛋白质工程技术为主线，围绕基因工程及其在食品工业中的应用、发酵工程及其在食品工业中的应用、细胞工程及其在食品工业中的应用和酶工程及其在食品工业中的应用四大基本模块，系统讲解食品生物技术的基本原理及应用，利用沈阳农业大学校食品学院的优势，突出食品产业与生物技术产业的紧密结合[1]。在内容的组织上突出重点和难点，形成层次分明的立体知识结构，使学生在掌握基本概念、基本理论、基本技术的同时，又能了解生物技术学科发展的前沿，熟悉食品生物技术产业工程应用状况。在多年的教学工作中，形成了比较鲜明的课程特色[2]。

1 二维模拟仿真技术在“食品生物技术”课程中的应用

二维模拟仿真技术是在多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技迅猛发展的基础上，将仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物，是一种更高级的仿真技术。近年来，模拟仿真技术不仅已在城市建设、场馆仿真、样板房模拟、室内设计、工业仿真、道路桥梁设计、地质灾害、应急预案等行业中得到广泛应用，而且在高等学校的课堂中也得到教师和学生的认可，使教学更生动、更直观，并提高学生的自主学习和实践能力。

1.1 二维模拟仿真技术应用在“食品生物技术”课程中具有重要意义

“食品生物技术”课程是食品科学与工程专业的必修课程，在教学中该课程主要包括基因工程、发酵工程、酶工程、细胞工程和蛋白质工程方面的知识点，但传统的教学只能通过板书、幻灯片等手段来完成，这远远不能使学生充分掌握这些知识点，尤其课程中包括很多技术需要实验来完成，以及涉及到分子生物学实验，其原理从宏观上是不可见的，因此，很难直观地开展课堂教学和保证每个学生都完全理解技术原理，也难以提高学生的动手能力，制约了对高素质人才的培养。

二维模拟仿真教学内容的建设可以完成人类肉眼看不到或借助高科技手段也难以达到的教学目的，在“食品生物技术”课程中涉及微观世界，如基因扩增、基因改造是如何完成的，发酵罐等大型设备是如何使用的，细胞融合的实验技术是如何操作的，等等。因此，模拟仿真教学内容的建设具有深远的现实意义和推广应用价值[3]。

1.2 二维模拟仿真技术在“食品生物技术”课程中的建设内容

1.2.1 基因工程

基因工程这一章是“食品生物技术”课程学习的重点，模拟仿真技术可以应用于多方面：基因在微观世界是如何扩增的，将基因扩增的元素，如DNA片段、引物、脱氧核苷酸、核酸聚合酶等，以动画的形式呈现在学生面前，直观、生动、形象地使学生理解和掌握基因扩增的过程；《表达载体的构建》是基因工程这一章学习的核心内容，载体质粒和目的基因在限制性内切酶的作用下是如何切割的，二者是如何正确识别的，如何在DNA连接酶的作用下连接的，这些过程通过动画模拟可以使学生在很短的时间内掌握这个难点，并加深学生对此问题的印象；目的基因导入受体细胞的过程在电镜下可能会被观察到，但实验的成本、实验的准备时间、仪器的使用，以及实验过程中遇到的一系列问题，而通过模拟目的基因导入受体细胞的过程，既降低了实验成本，也使学生清楚地看到这个过程；在基因的调控中，乳糖操纵子的阻遏和诱导过程是比较难理解的，但通过模拟技术将这2个过程以动画形式展现在学生面前，可以轻松理解该过程的原理。

对于以上实验的操作过程也可以通过模拟技术加以实现，如基因扩增仪的操作步骤，化学转化或点转化仪的使用步骤，以及基因组、RNA的提取步骤，核酸电泳的操作步骤等。该系统中各模块具有非常逼真精细的模拟现场和操作单元，学生可亲自动手操作，对变性、退火、延伸的时间和温度的设置，提取基因组、RNA后浓度的检测，琼脂糖凝胶的配制，电泳槽的安装和使用等，同时该系统可以学生的操作过程和结果进行客观的考核与评定。

1.2.2 发酵工程

在发酵工程这一章中，发酵罐的使用是学生学习的重点。例如，对于乳酸菌的发酵和单细胞蛋白的生产可以采用模拟仿真技术模拟其发酵工艺实验。发酵工艺流程包含菌种介绍、灭菌、培养基配制、接种、发酵工艺操作、发酵罐的操作（包括发酵罐的构造、设备的连接、各参数的设置及操控、装液量、接种量、补料等），以及后续发酵产物的分离提取纯化等技术。该系统中各模块之间可以关联，每个模块内也可以相互关联：在学习发酵罐的使用时，发酵罐装液量或接种量对于各参数的影响，以及前期灭菌、培养基配制等对发酵过程的影响，溶解氧、温度、pH值等发酵过程中重要参数是如何通过溶解氧电极、温度电极、pH值电极实现的，以及发酵罐使用时需要注意的事项，如消泡剂是否添加，怎样检查是否漏液、密封性是否良好，怎样避免取样后染菌等。这些步骤及注意事项学生在亲自动手操作之后，会有感性的认识，在系统中也可以设置考核模块，对上述步骤进行逐一考核，对不合格的学生进行重新考核，考核系统进行随机性设置。

1.2.3 酶工程

酶工程这一章主要要求学生掌握固定化酶和酶分子改造的内容。酶的固定化有很多方法，如吸附法、包埋法、共价结合法和交联法，给学生讲授这些方法时可以采用模拟仿真技术，将各种固定化方法中酶和载体的连接方式以动画形式展现在学生面前，使学生从微观上了解固定化酶的分子结构，从而更深刻地掌握各种固定化酶的方法。酶分子改造的种类有很多种，其中氨基酸置换改造、核苷酸置换改造、功能区域交换改造和酶的定向进化改造是要求学生重点掌握的，这些方法都是以基因突变为前提的，可以采用模拟仿真技术，将基因突变的整个过程以动画形式呈现在学生面前，使学生在轻松掌握基因突变的原理的基础上，充分理解这些酶分子改造的方法；也可以采用模拟仿真技术，模拟重组酶构建的整个实验操作过程，可以设置突变引物设计的模块，基因工程单元的模块、蛋白质提取模块、蛋白胶的配制及蛋白电泳的操控模块，以及Western blotting的操作模块，这些实验步骤在实际操作时需要准备大量的试剂耗材和前期的准备工作，实验过程中的等待时间，还需要凝胶成像仪、电泳仪、基因扩增仪等各种分子生物学仪器来完成。而采用模拟仿真技术来完成这些实验，既可以节省大量的实验成本，也可以大大缩短准备时间和实际操作时间，让学生在短时间内掌握酶分子改造的方法。

1.2.4 细胞工程

细胞工程这一章需要学生了解动物细胞的培养过程，掌握细胞融合的原理及技术。采用模拟仿真技术，可以建立模拟细胞房，在模块中可以设置细胞培养实验室的设备，如生物安全柜、CO2培养箱、倒置显微镜、冷藏设备、消毒灭菌设施、水纯化装置等，这些仪器的摆放位置、使用方法、注意事项等内容可以通过系统模块实现：打开生物安全柜前，需要带好手套、穿好实验服、戴好口罩、使用酒精擦拭台面、接种等操作，CO2培养箱坚决不能培养微生物，倒置显微镜的使用步骤，从液氮罐中取放样品的步骤、使用灭菌锅对玻璃器皿的灭菌、水纯化装置的原理等，这些模块足以让学生在短时间内了解细胞房的构造、仪器的操作和掌握主要的实验步骤。系统设置动物的解剖模拟实验，将解剖的具体步骤设置成一模块。细胞融合技术也是这一章的重点，可以通过系统了解细胞融合这一过程的原理和微观过程。对以上这些模块都可以进行考核和测验，让学生自己学习后通过考核模块自行考试。

1.2.5 蛋白质工程

在蛋白质工程这一章中，学生需要了解蛋白质的三维结构。蛋白质的三维结构的获得需要对蛋白质进行提取、纯化、结晶和X衍射、电镜观察等步骤。这些实验步骤都是高成本的，也是相当耗时的，采用模拟仿真技术将这些步骤制作成独立的模块，在授课过程中进行逐一讲解，提取、纯化蛋白质的每个步骤让学生通过系统中的模块自己进行操作，将纯化的蛋白质导入电镜模块，通过设置电镜参数，观测到清晰的三维结构，并进行结构模拟和分析。

1.3 二维模拟仿真技术在“食品生物技术”课程中的作用及功能

（1）解决成本高、耗时长、耗能大的实验。在“食品生物技术”课程中，很多实验技术属于分子生物学领域，其实验成本巨大、实验等待时间长、间隔时间长短不一、大型仪器设备耗能大，且一旦损坏维修时间、成本也十分高。采用模拟仿真技术将每个实验原理技术设置成独立模块，可让学生快速地从视觉上掌握这些实验技能。

（2） 解决学生对枯燥的技术原理的理解。在“食品生物技术”课程的教学中，许多原理、反应都是肉眼不可见的，通过模拟技术，将微观世界以动画形式展现在学生面前，可使学生很直观地理解大多数的技术原理；也可让学生在模块下独立自主进行操作，培养学生独立思考解决问题的能力[4]。

（3）实现在课堂无法开设的内容转化成虚拟实验。学生在校期间的实践机会非常少，且学校里不可能具备各类食品的生产车间。即使进入到工厂实习，也只是走马观花，对工厂的布局、车间、机器、管线、包装等环节一无所知。系统可以将食品工厂（如乳酸发酵、酒酿造等）发酵车间进行模拟，使学生可以从三维角度进入车间，并对各个环节自行操作，对发酵食品的整个生产过程了如指掌。

此外，二维模拟仿真技术在考核、实验指导和平台交流等方面也具有重要的作用。①作为学生和技术人员的考核功能：通过服务器后台调用题库，并结合模拟仿真操作，让学生通过模拟环境进行考核。②实验指导功能：系统可以配备实验指导、数据处理以及图表生成、实验报告、注意事项和试题库等内容供学生使用。③交流平台功能：系统可以设置交流平台，使学生可以通过网上留言与教师交流，也可在学生间进行讨论，同时也方便教师与学生互动，实现在课下对学生学习情况的掌握[5]。

2 三维全景虚拟现实技术在“食品生物技术”课程中的应用

三维全景虚拟现实（VR）技术是基于全景图像的真实场景虚拟现实的一门技术。全景（Panorama）是把相机360度拍摄的一组或多组照片拼接成一个全景图像，通过计算机技术实现全方位互动式观看的真实场景还原展示方式，并可使用鼠标控制环视的方向，可左可右，可上可下，可前可后，可近可远，更高级的可佩戴VR眼镜，使学生感到就好像处在现实环境中，通过一副眼镜浏览一切。

在“食品生物技术”课程中，涉及很多技术在食品工业中的应用，如单细胞蛋白的生产、乳酸菌制品的生产、葡萄糖氧化酶的固定化、奶酪中凝乳酶的应用、果胶酶在葡萄酒中的应用等。这些通过生物技术手段生产的食品在车间里的生产程序对于食品科学与工程的本科生来说是比较陌生的，很多学生由于不能身临其境地感受到生产环境，而只能通过书本和图片简单地认识和理解教师教给的知识点。而采用VR技术可以让学生看到原料车间、生产车间、贮藏车间里的每一个细节、质检实验室都需要哪些设备和检验步骤，可以通过模块具体到对每一处细节进行讲解，还可以通过系统模块让学生自己进行模拟操作，包括对原料的处理、发酵的过程、产品的包装和新产品的研发等，可以给学生自我发挥的空间，让学生通过VR技术真正地作为一名厂区的员工进行操控。在学习后，具备一定的实践经验和专业知识，对毕业后工作具有直接的帮助。

VR技术比模拟仿真技术会让学生更深一层地体会到学习的乐趣。VR技术使学生在整个视野下都可以观察到环境场景，也可以使学生通过鼠标或操纵转置自行进行主观对场景的设施进行操作。这比单纯的二维动画、二维显示器下的三维图像更加逼真，让学生从视觉上观察到的影像跟实际环境完全一致，而且还能通过系统完成现实环境条件下无法进行的事件，如对某一细节进行系统的讲解、设备内部的构造、高温高压黑暗环境下的观察、微观结构的原理以及设备的维护等。

3 增强现实及混合现实技术在“食品生物技术”课程中的应用展望

上述讲到的虚拟现实技术都是虚拟出来的，也就都是假的；而增强现实技术是把虚拟的东西叠加到现实的东西上，是计算机在现实影像上叠加相应的图像技术，利用虚拟世界套入现实世界并与之进行互动，达到“增强”现实的目的。在“食品生物技术”课程中，这种技术可以应用在一些仪器设备的使用上，如倒置显微镜的使用步骤，包括开机、切片、调节光线、调节荧光、寻找图像等具体操作可以通过手机屏幕，看到每一个步骤的具体操作过程在显微镜上的具体位置，对于使用者，这种增强现实技术是非常方便的。这种技术在未来食品生物技术实验中的应用前景更加广阔。

混合现实技术是比增强现实技术的面更宽、比虚拟现实技术更先进的一种技术。它是填补了从增强现实到增强虚拟之间的空缺，把增强现实和增强虚拟连在一起，它是先把真实的东西虚拟化，然后叠加到虚拟世界里。在“食品生物技术”课程中，这种技术可以应用在发酵设备的使用和发酵液的微观变化上，在系统中可以实现对设备的使用，进一步进入到发酵液中，通过软件放大发酵液到细胞层次，可以让学生观察到在发酵过程中细胞与细胞之间、细胞内部的代谢是如何发生变化的，发酵底物是如何被利用的，以及发酵产物是如何生成和分泌的等。这在现实中是无法完成的。这项技术正在发展中，它被看作是技术领域的下一场革命。因此，混合现实技术将是未来的发展方向。