基于虛擬仿真技術(shù)的臨床生化實驗教學(xué)模式探討

應(yīng)俊，姚蔚，李佩珍

（溫州醫(yī)科大學(xué) 檢驗醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州 325035）

虛擬仿真技術(shù)是在多媒體、網(wǎng)絡(luò)、信息化等現(xiàn)代教育技術(shù)迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的一種更高級的仿真技術(shù)。隨著科學(xué)研究的深入發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)日漸成熟和完善，正逐步從理論研究走向?qū)嶋H教學(xué)[1]。充分運用虛擬仿真技術(shù)改善教學(xué)方法、擴展實驗內(nèi)容、提高本科教學(xué)質(zhì)量成為高校實驗教學(xué)改革的一個新方向。

臨床生物化學(xué)是醫(yī)學(xué)檢驗專業(yè)的核心課程[2]，其實驗課的教學(xué)質(zhì)量關(guān)系到醫(yī)學(xué)檢驗學(xué)生的動手能力、綜合素質(zhì)，關(guān)系到學(xué)生畢業(yè)后能否很快勝任臨床檢驗工作。如何提高臨床生化實驗課教學(xué)水平，培養(yǎng)具有扎實臨床實踐基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)檢驗創(chuàng)新人才，已成為高校教學(xué)改革的重點[3]。然而，傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的諸多問題極大地影響了臨床生化實驗教學(xué)質(zhì)量的提高，而近年來基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實驗技術(shù)的出現(xiàn)為該問題的解決提供了可能。

1 臨床生化傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足

目前臨床生化實驗教學(xué)大多采用傳統(tǒng)的板書模式：實驗帶教老師講解實驗理論、操作步驟、注意事項及臨床作用等；實驗技術(shù)員調(diào)試實驗儀器、配制實驗試劑；學(xué)生按照實驗講義進行實驗步驟、書寫實驗報告單[4]。當前臨床生化傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在諸多問題：①實驗教學(xué)資源不足。由于實驗教學(xué)經(jīng)費有限，許多大型儀器因費用昂貴不能得到及時更新，加之學(xué)生的人數(shù)大幅增加，不能滿足學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的要求，造成理論學(xué)習(xí)與實踐脫節(jié)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。②實驗教學(xué)內(nèi)容單一，學(xué)生積極性不高。臨床生化實驗內(nèi)容多為單一的驗證某項指標，先由老師講解實驗步驟，然后學(xué)生開始按部就班地操作實驗，是一種被動學(xué)習(xí)過程，不能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力[5]。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)模式及其特點

虛擬仿真實驗是以計算機為中心，通過3D動畫生動形象地再現(xiàn)逼真的實驗器材、實驗操作過程，增強實驗的趣味性，可以使實體實驗和虛擬實驗互為補充。實驗者可以在仿真環(huán)境中完成各種實驗內(nèi)容，所獲得的實驗效果與實體環(huán)境中的實驗效果相當，甚至更好，尤其對于需要高成本的大型綜合性實驗項目，虛擬仿真教學(xué)優(yōu)勢顯著。

虛擬仿真實驗教學(xué)模式的特點[6-7]：①學(xué)生在虛擬實驗室通過虛擬儀器和虛擬物品的操作來觀察、參與實驗，沒有器材和試劑的消耗，使得實驗經(jīng)費大為降低。②吸引學(xué)生參與實驗，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。虛擬仿真實驗應(yīng)用于教學(xué)，可以幫助學(xué)生更好的理解不能在課堂上進行操作的實驗項目。如“血清丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶的活性測定”實驗時，已知它的反應(yīng)是負反應(yīng)，隨著反應(yīng)時間的延長，吸光度逐漸降低，手工操作時，學(xué)生理解起來比較抽象；而在虛擬實驗室，學(xué)生通過電腦屏幕可以直觀地查看反應(yīng)進程，使教學(xué)更加的生動。③打破了時間和地域的限制，學(xué)生能更靈活的安排時間，按自己的進度選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。④拓展實驗項目，使得不常見的實驗在虛擬實驗中定制完成。如可以增設(shè)一些與臨床生化相關(guān)的前沿研究內(nèi)容，或開設(shè)常規(guī)實驗比較困難的，耗時長且成本高，但學(xué)生卻比較感興趣的實驗內(nèi)容（如家兔OGTT模型的建立與測定、酸性磷酸酶的提取和活性測定）

3 臨床生化檢驗虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

根據(jù)醫(yī)學(xué)檢驗專業(yè)的人才培養(yǎng)實際需求[8]，結(jié)合《臨床生化檢驗》課程特點，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力為核心，采用3D虛擬和VR技術(shù)，探索構(gòu)建了臨床生化虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，主要包括自動生化分析儀的使用、常規(guī)項目的檢測、質(zhì)量控制和規(guī)范操作和臨床案例分析[9]。

3.1 自動生化分析儀的使用模塊 自動生化分析儀價格昂貴，并存儲在一間獨立的教學(xué)實驗室，導(dǎo)致實驗教學(xué)與臨床實驗室的自動化模式無法很好地連接。為此我們通過開展生化分析儀的虛擬仿真培訓(xùn)，介紹儀器的系統(tǒng)組成、檢測原理、常規(guī)操作、維護保養(yǎng)等情況（見圖1）[10]。虛擬仿真平臺中通過視頻錄像，介紹自動生化分析儀的設(shè)備結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成；通過演示文稿加動畫編寫分析儀的檢測原理；通過虛擬仿真技術(shù)建立分析儀的常規(guī)操作步驟：開機、關(guān)機、更換試劑、樣品檢測、報告結(jié)果、維護保養(yǎng)等。一方面，為實驗教學(xué)提供大量便捷的實驗教學(xué)資源，提高了儀器設(shè)備的培訓(xùn)效率；另一方面，通過反復(fù)多次的虛擬操作，可以為真實的儀器上機打好基礎(chǔ)，提高實驗教學(xué)效果。

圖1 自動生化分析儀的模塊框圖

3.2 常規(guī)項目的檢測模塊 實驗項目的參數(shù)設(shè)置是最難的部分，學(xué)生一般認為參數(shù)知識抽象細碎、難以區(qū)分，而虛擬仿真教學(xué)就具有明顯優(yōu)勢。該模塊模擬自動生化分析儀可進行定時法、連續(xù)監(jiān)測法等各種反應(yīng)類型的分析測定，采用人機對話的方式把要檢測的10多個項目的各參數(shù)輸入儀器進行貯存，也可以自己編寫實驗項目、方法、試劑等條件進行檢測（見圖2）。連續(xù)監(jiān)測法主要以血清谷丙轉(zhuǎn)氨酶（速率法下降）、堿性磷酸酶（速率法上升）的測定為代表，固定時間比色法以血清總蛋白（終點法上升）、葡萄糖（終點法上升）、總膽紅素（終點法下降）、直接膽紅素（終點法下降）為例子。如通過對常規(guī)項目堿性磷酸酶（ALP）的檢測，學(xué)生可以將ALP理論應(yīng)用到反應(yīng)類型、反應(yīng)波長、反應(yīng)讀數(shù)點的選擇，根據(jù)試劑盒的參數(shù)選擇Reagent/Sample的比值、反應(yīng)的延遲時間等；待學(xué)生思考作答后，課件會對學(xué)生每一步的選擇做出對或錯的判斷結(jié)果。在一些關(guān)鍵實驗部分，可以設(shè)置放大鏡等功能，幫助學(xué)生更好的觀察實驗內(nèi)容[11]。

圖2 常規(guī)項目檢測的模塊框圖

3.3 質(zhì)量控制和規(guī)范操作模塊 目前，臨床檢驗的質(zhì)量控制越來越受到人們的重視和青睞，每個項目都進行室內(nèi)質(zhì)控、室間質(zhì)控，以保證結(jié)果的準確性。但由于影響檢驗結(jié)果的因素很多，常常出現(xiàn)檢驗結(jié)果與臨床表現(xiàn)不符合的現(xiàn)象，造成誤診[12]。通過虛擬仿真技術(shù)，把質(zhì)控品的處理、檢測過程、判斷規(guī)則、失控處理等角度全方位展示整個質(zhì)控操作流程，便于學(xué)生對室內(nèi)質(zhì)控圖的類型、Levey-Jennings質(zhì)控圖的繪制方法等都有充分理解和掌握。

雖然醫(yī)院檢驗科的設(shè)備自動化程度越來越高，但是基本的手工操作技能也是必不可少的。我們將整個生化檢驗實驗中涉及到的常用操作技能制作成虛擬仿真短片，替代課上教師的動作示范，主要包括刻度移液管的正確使用、移液槍的使用、電子分析天平的使用、試劑的配制、樣本的正確稀釋、分光光度計的性能檢查和日常監(jiān)測等。教師可以在視頻播放過程中隨時暫停，關(guān)鍵動作可以一遍又一遍的播放，加深學(xué)生的記憶和了解操作流程的難點，使學(xué)生在進行實驗操作時更加規(guī)范。

3.4 臨床案例分析模塊 精選臨床醫(yī)療案例是實施臨床案例分析的基礎(chǔ)和前提，我們依據(jù)教學(xué)大綱和培養(yǎng)目標，根據(jù)不同的實驗要求在附屬醫(yī)院檢驗科篩選一些真實的案例，讓學(xué)生自己選擇相應(yīng)的檢測項目。如根據(jù)患者手足抽搐的臨床典型癥狀，分析考慮是否為低鈣所致，故首選檢測血和尿中游離鈣的濃度，然后要自己編一套程序完成鈣的測定。在尿素氮測定的實驗中，給學(xué)生一份簡明典型的痛風(fēng)患者病歷，引導(dǎo)學(xué)生討論這份病例的可能病因，讓學(xué)生選擇需要檢測的生化指標，并在模擬自動生化分析儀上對標本進行檢測，分析結(jié)果，討論可能的診斷。通過引入典型案例把基礎(chǔ)知識和臨床實踐相結(jié)合，可以使學(xué)生牢固地掌握和靈活運用所學(xué)知識，而且通過現(xiàn)實問題的解決，使學(xué)生的臨床應(yīng)用能力得到全面提升，對學(xué)生受益匪淺[13]。

4 臨床生化虛擬仿真實驗的應(yīng)用展望

臨床生化虛擬仿真實驗不僅可作為傳統(tǒng)臨床生化實驗課堂教學(xué)的一部分，還可供學(xué)生在實驗之余自學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生對臨床生化實驗的興趣及科研創(chuàng)新能力。無論是學(xué)生還是教師，都可以隨時隨地上網(wǎng)進入虛擬實驗室，進行各種實驗操作。我們將該套虛擬軟件上傳到我校生物學(xué)實驗教學(xué)中心網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)平臺，全面開始網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)，方便異地協(xié)作和資源共享。同時，增加網(wǎng)上評論留言等功能，學(xué)生通過虛擬平臺自學(xué)以后可通過留言等方式將其所學(xué)知識進行交流，加強學(xué)生與教師之間的溝通。教師也可從學(xué)生的匯報中了解學(xué)生的掌握程度并對遺漏知識進行補充講解，不斷促進臨床生化虛擬實驗教學(xué)平臺的完善。虛擬仿真實驗這種教學(xué)模式將越來越受到人們得重視，成為改革實驗教學(xué)方法、加強實驗室建設(shè)中不可缺少的一部分。

由于師資力量和經(jīng)費的限制，一些實驗項目還沒有開展虛擬仿真設(shè)計，隨著教學(xué)改革的深入，我們會盡最大的努力去豐富虛擬仿真的實驗內(nèi)容。同時將內(nèi)建強大的題庫系統(tǒng)，提供在線自測自評功能，為學(xué)生的自我鞏固學(xué)習(xí)提供一個良好的平臺。

5 結(jié)語

實驗教學(xué)改革對提高臨床生化的教學(xué)質(zhì)量起著重要作用。臨床生化虛擬仿真實驗教學(xué)平臺開辟了新穎的實驗場地，將學(xué)生引入一個充滿新奇的實驗王國，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還實現(xiàn)了學(xué)校資源的優(yōu)化配置與開放共享，有效解決了教學(xué)需求和實驗資源不足之間的矛盾。通過實驗教學(xué)模式的調(diào)整，真正做到了學(xué)以致用，幫助學(xué)生將理論知識與臨床疾病相整合，為目前臨床生化教學(xué)改革提供了新的思路和范本。