通过食品致敏风险评价与识别虚拟仿真实验的学习，使学生了解致敏食品种类及过敏症状差异，熟悉食物过敏动物模型及人群研究方法，掌握食品致敏蛋白检测分析技术流程、参数筛选匹配和结果判定，熟悉过敏相关免疫因子调控解析及基因定量方法，掌握食品靶向营养干预手段,了解食品致敏原生产风险监测与致敏原安全关键控制点。具体教学目标包括：

1. 使学生了解食物过敏现状，认识到食物过敏的危害，体会到食品致敏原安全控制及生产风险监控的必要性；

2. 使学生掌握食物过敏的免疫学原理，习得参与食物过敏主要细胞和分子，了解细胞间的相互调控网络关机和分子机制；

3. 使学生掌握食物过敏理论研究的思路，掌握食物过敏研究实验设计原理，掌握食物过敏分析相关仪器使用方法；

4. 使学生掌握食品致敏原安全控制原理，了解食品致敏生产风险监控关键因素，能够设计符合食品致敏安全的食品生产工艺；

5. 培养学生科学思维和创新精神，提高学生科学素养和产业思维，为学生科研和就业提供助力。

（1）实验所属课程课时：《食品营养生物学》，32学时 

（2）该实验所占课时：2学时    

（1）实验原理(限1000字以内)

采用计算机技术构建动态的三维网络模型模拟食品致敏发生发展进程，仿真呈现食品致敏蛋白激活人体免疫系统引发食物过敏机理，基于真实分子免疫学数据库三维模拟过敏相关免疫因子调控分析及基因定量过程；基于真实食物过敏研究案例库模拟食物过敏动物模型、细胞模型与人群研究过程，建立食物过敏研究虚拟实验室，构建酶标仪、圆二色谱仪、毛细管电泳仪、流式细胞仪、生物膜干涉分子互作分析仪、全自动免疫分析系统、二代测序仪和液质联用仪等大型仪器可互动三维模型，再现高新检测分析的技术体系和流程，结合虚拟ELISA、Western blot、UHPLC-MS、MNP和生物传感器综合验证，引入真实人群研究、动物模型、大型仪器实验和食品生产致敏风险监控产业大数据，经过计算机分子统计模型构建和参数筛选匹配，根据用户输入数据和决策选择完成精准结果判定。

知识点：共3个

1. 致敏食品种类、过敏症状及人群特征

依次漫游讲解八大类致敏食品原料及加工潜在致敏安全，了解致敏发生发展及不同蛋白过敏症状差异，罗列过敏人群全球分布特征，实现对食物过敏安全应急的感性认识，掌握基于临床症状的食物过敏人群实验研究方法。

2. 食物过敏机制及食品致敏原安全关键控制要素

通过对食物致敏免疫机理分析技术的深入解析，使学生较为直观掌握食物过敏人群干预实验及动物模型研究的基本设计原则、检测重点以及结果判定标准，了解食物过敏机制研究策略；了解过敏相关免疫因子解析方法及基因定量手段，把握致敏蛋白检测关键点，系统掌握食品致敏原安全关键控制点以及靶向营养干预手段。

3. 食品致敏风险评价与识别技术及结果判定

通过对食品致敏蛋白高新检测体系的虚拟剖析和原理拆分讲解，较为直观掌握MNP基因标记法、蛋白印迹法、酶联免疫法、UHPLC-MS法和生物传感器的基本工作原理；根据检测结果形成分子统计模型，筛选具体参数并与虚拟过敏症状匹配计算，完成精准结果判定。

4. 食品致敏原生产风险监测及关键控制点

深入拆分解析低敏食品加工生产全产业链建设框架，分析生产风险因素与关键控制节点，阐述过敏安全控制技术规程与相关国家标准，分析规模化代表性低敏食品产业链运行案例。

（1）整体教学实施过程

本实验教学高度融合真实实验与虚拟仿真软件，充分遵循“能实不虚、虚实结合、以虚扩实、相互补充”的原则开展教学活动。

实验课程开始前，学生必须学习完成食物过敏机理、食品致敏风险评价与识别实验理论等课程，要求学生牢固掌握3-4所述4大知识点，并由老师介绍并展示相关实验仪器与基本操作要点。实验过程中，充分利用软件功能，使学生再完成体验整个实验流程的基础上，反复调整实验参数，优化实验结果，最终使学生掌握不同参数对结果的影响，深刻理解实验原理。虚拟仿真实验结束后，进入真实实验室，通过替换珍贵实验样本、简化实验流程，使学生通过真实操作进一步加深对实验的理解。

（2）虚拟仿真实验方法

本实验根据不同用户的需求及对知识点的掌握程度，主要面向四类学生：科普性质的中小学生与社会人士、科研性质的专业学生、学科交叉的非专业学生、应用性质的从业人员。根据不同学生特征开设有针对性的分类教学，通过教师引导结合学生兴趣，对不同实验步骤分别采用教师演示、学生操作、深入探索的授课方法，具体交互性步骤与教学方法如下表所示：

^a 具体操作步骤信息参见3-6。

（3）实施效果

①学生通过食品致敏风险评价与识别虚拟仿真实验的课堂学习和课后练习，能够将书本上抽象的知识充分理解和吸收；能够熟练掌握致敏原检测解析和安全控制的各个流程、参数设置和关键环节测算。

②解决了由于伦理和资源限制食物过敏课堂研究无法大规模开展真实人体或小鼠实验的困境，突破了致敏原的高新技术检测解析、安全控制及营养干预、食物致敏安全产业生产监管整个系统的构建和维护费用高昂、大型仪器使用机时有限而难以开展班级规模教学的瓶颈，并将实验时间从数月缩短到2课时，从而使每位学生在有限的资源下获得充分的训练，满足了学生透彻理解理论知识和实验技能的教学需求。

③教师通过评分系统及时了解学生知识体系的不足，对学生的指导更加有针对性，不但提高了教学效率，还提高了教学质量。

④该项虚拟仿真实验项目为学生提供了一个高度仿真、安全、无损、低成本的全新教学形式，学生通过操作软件，打破时间和空间限制，随时随地通过操作该软件进行反复练习，也可自行设计实验方案，增强了实验教学互动性，达到提高实践能力和综合创新能力的目的，调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，培养了学生的创新思维和实践能力，极大地补充完善了我校食品专业实践教学体系。

⑤该项目的实施与应用于食品及相关专业的实验教学，将提高学生课程测试和专业课考试中的良好率，学生毕业后能够在相关企事业岗位中得到好评，提升毕业生就业质量并增强学生社会责任意识。

（1）学生交互性操作步骤，共13步

（2）交互性步骤详细说明

本虚拟仿真软件首先三维模拟建立食物过敏实验室，包含本实验组中所需的所有实验材料和仪器设备等实验条件，场景可360°无死角任意查看。用户可在实验室中随意走动，随时可以操作任意仪器。在此基础上，根据实验目的，用户自行选择合适的实验材料和仪器设备开展实验，因此本软件具有很高的自由度。具体交互性步骤说明如下：

原理学习环节

本环节交互较少，学生只需观看软件内容复习基本理论知识，并参与考核答题即可。

整体实验界面

点击“食品致敏风险评价与识别”进入正式实验界面。画面中央是实验操作区域，学生需点击其中关键样品或仪器以进行试验操作。界面上其它关键部件包括：

1. 当前实验步骤的初级提示；

2. 技术支持、返回主界面、实验报告按钮；

3. 实验整体流程提示；

4. 点击后显示详细的实验操作提示，观看这一提示会扣去部分分数；

5. 跳过动画与跳过当前实验步骤按钮，其中跳过当前实验步骤会扣去部分分数。

模块A-实验准备

1. 志愿者招募

选择志愿者招募所需的所有准备工作，选择错误会提示正确步骤并扣分，但仍可继续进入下一步实验。

2. 人群致敏风险验证

软件演示皮肤点刺专业操作，仿真展示不同病人过敏反应，学生根据过敏症状进行过敏程度评判。软件根据学生选择自动打分。选择错误会提示正确答案，但仍可继续进入下一步实验。

模块B-食品致敏风险评价

3. 血清采集及前处理

软件展示病人静脉采血专业操作，获得血液样本。进入虚拟实验室。学生在操作台上选择正确的样品（血液试管），软件演示血液前处理操作，具体包括离心和取上清样本两步。不选择正确的样本将无法进入下一步操作，但可以通过点击“下一步”直接跳过此步骤，避免学生因一步卡住而无法进行后续操作。

4. 致敏原图谱风险解析

根据上一步骤取得的血清样本，通过酶联免疫吸附试验（ELISA）解析致敏原图谱风险。这一步骤包括16个具体操作和8个关键参数设置：在具体操作中，学生须点击正确的样品或仪器，软件展示完整的实验操作，不选择正确的样本将无法进入下一步操作，但可以通过点击“下一步”直接跳过此步骤；在参数设置中，不设标准答案，在下一步结果分析中根据所选的所有参数综合计算实验结果并评分。具体实验操作包括：

点击致敏原，选择致敏原体积；选择酶标板盖并设置孵育时间；选择酶标板弃去封闭液；选择2% PBST，设置洗涤次数和洗涤时间；选择封闭液并设置封闭时间；选择酶标板弃去封闭液；选择2% PBST洗涤；选择血清并设置稀释倍数；选择酶标板弃去血清；选择2% PBST洗涤；选择二抗并设置稀释倍数；选择酶标板弃去二抗；选择2% PBST洗涤；选择显色液并设置显色时间；选择终止液终止反应；选择酶标板，用酶标仪读数。

5. 实验参数选择与实验结果分析

根据在步骤2中随机抽取的样本参数，以及在步骤3、4中选择的实验操作与参数，软件自动生成实验结果，界面如下图所示。左上角显示酶标板外观，左下角显示根据酶标板读书计算得到的结果柱形图。右侧上方是所有选择的实验参数，右侧下方是软件自动生成的结论。

在这一步骤，学生可根据教师要求或自身兴趣，自由调整任意实验参数，点击“重新实验”软件立刻自动更新实验结果，无需重复上述步骤1-4的复杂操作，以减少重复、节约时间。软件根据实验结论、学生尝试次数等因素为学生自动评分。学生也可点击“最优实验条件”查看理想的实验条件。值得注意的是，由于实验样本来源于大数据库随机抽样，每个学生每次进入虚拟仿真软件后获得的原始样本各不相同，所需的最佳实验条件以及可能获得的结果也不同；此外，由于软件模拟了实验误差，即使是同一批样本（即同一次虚拟仿真实验过程中）使用了完全相同的实验参数，实验结果也会略有不同。

模块C-食品致敏风险识别

6. SDS-PAGE

模块C与模块B共用随机样本数据（由步骤2自动抽取）。此步骤以小麦样本为初始点，通过SDS-PAGE进行蛋白质分离，为下一步致敏原鉴定奠定基础。这一步骤包括10个具体操作和4个关键参数设置，在参数设置中，不设标准答案，但所选参数会影响步骤7、8结果，并在步骤9结果分析中根据所选的所有参数综合计算实验结果并评分。具体实验操作包括：

点击小麦样本开始实验；点击上样缓冲液制备样本；点击水浴加热器加热样本；点击电泳槽，设置凝胶浓度，安装电泳槽；点击电泳缓冲液；点击蛋白Marker；点击样品（水浴加热器上），设置上样量；点击电泳槽盖；点击电泳仪并设置电泳条件；选择电泳槽取出凝胶。

7. Western blot操作

以上一步实验最终获得的电泳凝胶为起始点开展本步骤所有操作。这一步骤包括14个具体操作和8个关键参数设置，其中参数设置不设标准答案，但在步骤9结果分析中会根据所选的所有参数综合计算实验结果并评分。具体实验操作包括：

点击PVDF膜；再次点击PVDF膜组装转膜装置；点击转膜装置装配转膜系统；点击电转液；点击电泳仪设置转膜参数；点击电泳槽盖结束转膜；选择封闭液并设置封闭时间；选择TBST并设置洗膜条件；选择一抗（血清a）并设置稀释倍数；点击TBST洗膜；点击二抗并设置稀释倍数；选择TBST洗膜；选择ECL底物；选择凝胶成像仪（右侧靠墙实验台）观察结果。

8. 考马斯亮蓝染色操作

以步骤6最终获得的电泳凝胶为起始点开展本步骤所有操作。这一步骤包括3个具体操作和3个关键参数设置，其中参数设置不设标准答案，但在步骤9结果分析中会根据所选的所有参数综合计算实验结果并评分。具体实验操作包括：

点击考马斯亮蓝试剂并设置染色时间；选择脱色液并设置脱色条件；选择凝胶观察结果。

9. 结果分析

根据在步骤2中随机抽取的样本参数，以及在步骤6-8中选择的实验操作与参数，软件自动生成实验结果，界面如下图所示。左上角显示考马斯亮蓝染色凝胶结果，左下角显示Western blot成像结果，左侧最下方是软件自动生成的结论。右侧是所有选择的实验参数。与步骤5类似，学生可自由调整任意实验参数，点击“重新实验”更新实验结果。

模块D-食物过敏机制研究

10. LC-MS操作

点击LC-MS仪器，软件演示通过LC-MS鉴定致敏原操作步骤及结果。

11. 小鼠致敏流程

回到主界面，进入自由探索实验环节；根据实验原理，将实验操作拖动到合适的时间节，构建食物过敏小鼠模型制备流程，点并点击提交，软件自动显示正确操作图并评分。

12. 小鼠解剖

软件展示小鼠整体解剖图及小鼠肠道解剖图，学生根据理论课内容，标注各个部位名称，软件自动显示正确操作图并评分。

13. 样品采集与检测

在这一环节，软件将从操作库中随机挑取实验任务，学生点击开始实验后，根据实验目的，选择合适的实验样本，再选择合适的实验仪器完成检测。软件根据完成时间和完成效果自动评分。

正确的实验条件是获得合理实验结论的前提。一旦突破实验条件，可能会导致一些错误或危险的后果。在本虚拟仿真实验中，为了使实验结果更加完整，增加了极限实验和破坏性实验。对于轻微的错误，用户可以继续进行实验但会得到异常的数据，对于严重的错误，直接停止实验并反馈错误类型。这样的设置一方面增大了实验的自由度，另一方面能够引导学生更深入的思考问题，了解实验背后的基本原理，增加学生创新思维和科学精神。

本虚拟仿真实验结果主要包括食品致敏风险评价（模块B）和食品致敏风险识别（模块C）两部分，其中模块B有8个可变参数，模块C有15个可变参数。基于软件随机抽取的样本性质和学生操作选择的可变参数，通过软件内建的数学模型自动运算得到实验结果数据，并进一步基于实验结果数据自动得出结论。主要结论与判断条件如下：

（1）专业与年级要求

主要面向食品质量与安全、食品科学与工程、食品营养与检测等相关专业大三年级及以上学生；也可为生物、医学、食品、环境等各相关领域本科生、研究生提供实验训练，为食物过敏相关生产、监管等行业提供实训，并可为中小学生、社会大众提供科普教育。

（2）基本知识和能力要求

具有生物化学、化学、免疫、基因工程、食品加工、食品安全的基本知识，进行过相关实验的初步理论培训，并具有一定独立分析和解决综合问题的能力。

（1）本校上线时间 ：2021年3月1日 （上传系统日志，要求与实验已开设期次数据保持一致）

（2）已服务过的学生人数：本校533人，外校203人

（3）附所属课程教学计划或授课提纲并填写：

     纳入教学计划的专业数：2，具体专业：食品质量与安全、食品科学与工程

     教学周期：2学期，学习人数：533

（4）是否面向社会提供服务：●是  ○否

（5）社会开放时间：2021年9月1日

（6）已服务过的社会学习者人数：15人

（1）说明客户端到服务器的带宽要求（需提供测试带宽服务）

客户端到服务器的宽带要求为10M以上，本次带宽初步测试基于主流计算机配置，模拟真实网络学习环境，最大限度的还原用户上网学习虚拟仿真实验项目的需求。

（2）说明能够支持的同时在线人数（需提供在线排队提示服务）

最大同时在线200人，并提供在线排队提示服务。

（1）  计算机操作系统和版本要求

Windows7/8/10/11（64位版本）。

（2）  其他计算终端操作系统和版本要求

无指定要求。

（3）  支持移动端：○是 ●否

（1）非操作系统软件要求（支持2种及以上主流浏览器）

þ谷歌浏览器 £IE浏览器 þ360浏览器 þ火狐浏览器 þ其他（Edge）

（2）需要特定插件  ○是 ●否

（3）其他计算终端非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务）

无。

（1）计算机硬件配置要求

目前主流笔记本电脑配置均可满足要求。建议采用主频Intel酷睿i3 2.6GHz及以上CPU、内存4GB DDR4以上、gtx950及以上显卡，存储容量256G以上、网卡1000Mbps以上、显示器13英寸以上，鼠标、键盘。

（2）其他计算终端硬件配置要求

无。

（1）计算机特殊外置硬件要求

       无。

（2）其他计算终端特殊外置硬件要求：●无 ○有

（1）是否已完成定级备案：●是    ○否 

请选择备案主体：●课程所属学校名称 ○其他

证书编号：330120-43031-00006

（2）是否已完成等保测评：●是    ○否

用户访问管理平台，查看相关功能（软件列表、课程列表）和统计信息，并启动3D仿真项目。启动3D项目后，与网站后台数据交互。

（1）实验设计创新：

针对资源限制、伦理风险、周期冗长、安全风险等传统实验教学的关键瓶颈问题，结合大量真实科学研究和产业应用案例，充分利用虚实结合的优势，构建高度逼真的实验场景，通过海量真实数据和精准数学模型动态计算生成贴近实际的结果，真正打造“经典与现代、虚拟与现实”相融通的虚拟仿真实验体系，提高学生的实践水平、课程成绩和课程满意度，切实提高专业课教学质量，激发学生自主学习和实践创新的兴趣。

（2）教学方法创新：

软件通过随机抽取样本和实验任务等方式，大幅降低反复实验的重复度，引导学生自主练习、反复尝试。教师以该软件虚拟的真实体系为案例讲解流程、布局、构造和衔接等知识点，引导学生回忆理论教学中学到的知识点。通过师生课堂互动、学生课后自主练习和自助考核形成教师引导式案例讲解、师生线上线下互动、自主练习和自助考核的教学方法，极大地激发学生的学习兴趣，提高教学效率和教学质量。

（3）评价体系创新：

建立以理论教学、虚拟实验、真实实验为数据来源的综合评价体系，让学生了解自己对相关知识的掌握程度，便于学生查缺补漏。其中，虚拟实验采用开放式评分方式，不设标准答案，根据实验操作自动计算实验结果，与真实研究数据比对后根据差异动态评分。根据学生成绩生成分析报告，据此评价理论和实践教学的成绩和不足，便于对教学过程进行改进。

（4）对传统教学的延伸与扩展

本项目顺应食物过敏日趋严重的现实，结合“健康中国2030”和浙江省万亿大健康产业规划需求，按照新时代大学生成长特点，以完整的理论教学、虚拟仿真实验、专业实验室操作和生产实习教学体系为基础，培养现代食品人才。本软件不但克服了传统教学中难以实现的实验瓶颈，而且使学生能够不受时间空间限制随时学习、练习实验技能。同时本实验还能为生物学、医学等不同领域学时即相关产业工作人员提供技术实训服务，切实推进社会对食物过敏的认知与应对能力。

（1）课程持续建设

（2）面向高校、社会的教学推广应用计划

1.课程团队成员和课程内容政治审查意见

2.课程内容学术性评价意见

3.校外评价意见

本团队承诺：申报课程的实验教学设计具有一定的原创性，课程所属学校对本实验课程内容（包括但不限于实验软件、操作系统、教学视频、教学课件、辅助参考资料、实验操作手册、实验案例、测验试题、实验报告、答疑、网页宣传图片文字等组成本实验课程的一切资源）享有著作权，保证所申报的课程或其任何一部分均不会侵犯任何第三方的合法权益。