基于原創(chuàng)的病原生物學虛擬仿真實驗教學平臺研究

王曉楠，李京培，楊 晨，唐媛媛，劉莉茵，李 群

（安徽醫(yī)科大學，安徽 合肥 230032）

病原生物學實驗教學是醫(yī)學實驗課程體系的重要組成部分，是聯(lián)系基礎(chǔ)和臨床之間的橋梁。但是，現(xiàn)實的諸多影響因素限制了病原生物學實驗在很多高校的開展，即使有的學校開展了相關(guān)實驗，學生能參與的也只是實驗的一部分或者僅僅觀察實驗結(jié)果，嚴重影響了實驗教學質(zhì)量的提高。

從2014年開始，教育部高教司便下文支持網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實驗技術(shù)在各個高校的開展。2018年，教育部在各高校推進虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)工作，希望依托這些項目，讓我國高等教育的理論教學和實踐教學實現(xiàn)“兩翼齊飛”的效果，幫助中國高等教育實現(xiàn)“變軌超車”。如今，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用于醫(yī)學教育的眾多領(lǐng)域[1-3]，可以為高校教學模式改革提供強大的技術(shù)支持，尤其應用于病原生物學教學中，可以解決病原生物學實驗中的生物安全隱患等實際問題。因此，借助互聯(lián)網(wǎng)共享優(yōu)質(zhì)教學資源，建設(shè)虛擬仿真實驗教學平臺，改革實驗教學的新模式是醫(yī)學教育發(fā)展的必然趨勢。

1 病原生物學虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)的必要性

病原生物學實驗教學包括常見致病性的病毒、細菌、真菌、寄生蟲等病原體檢驗的基本實驗技能和技術(shù)及其相關(guān)儀器操作；幫助學生樹立正確的生物安全和無菌操作觀念；促進理解常見病原體的生物學特性、致病性和免疫性。通過實驗課的操作訓練，可以培養(yǎng)學生獨立思考、分析問題、解決問題的能力以及團隊協(xié)作精神，為學生專業(yè)課學習及醫(yī)學臨床實踐打下堅實的基礎(chǔ)。但是，在實際教學中，很多常見病原微生物是國家CDC（中國疾病預防控制中心）管控菌種。由于菌種管控和生物安全問題，很多高校實驗室的防護措施尚不完備，實驗室感染時有發(fā)生[4-6]。但相關(guān)的這些技術(shù)在病原生物學實驗中具有重要的代表意義，也是國家執(zhí)業(yè)醫(yī)師資格考試大綱和醫(yī)學微生物學教學大綱的重要內(nèi)容，缺失了這些環(huán)節(jié)不利于學生動手能力和綜合能力的培養(yǎng)。因此，將現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學項目深度融合，建設(shè)虛擬仿真實驗教學平臺，突破實驗教學時間和空間限制，有利于解決醫(yī)學生能力培養(yǎng)和潛在感染之間的矛盾問題。

2 病原生物學虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)

2.1 病原生物學虛擬仿真實驗教學的資源建設(shè)

我校從2015年開始就劃撥專項經(jīng)費，用于病原生物學虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)。選取我校病原生物學部分經(jīng)典實驗，整合臨床病例、相關(guān)理論知識點和實驗操作，融合虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，目前已經(jīng)建成的3個虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，涵蓋了病原生物學的很多經(jīng)典實驗操作，并逐漸形成了完整的病原生物學虛擬仿真實驗教學體系。

2.1.1 腸道致病菌分離與鑒定虛擬仿真實驗教學系統(tǒng) 腸道致病菌分離與鑒定虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)[7]以臨床常見病例為中心，整合相關(guān)理論知識、系列實驗操作而設(shè)計，涵蓋腸道致病菌的理論知識點復習、腸道致病菌分離與鑒定的7個經(jīng)典實驗操作視頻和腸道致病菌分離與鑒定虛擬實驗實訓。虛擬實驗實訓來源于我校第一附屬醫(yī)院的兩個真實病例，學生根據(jù)系統(tǒng)給出的患者生命體征、體格檢查等信息，綜合運用所學知識選擇相應的實驗室檢查方法并進行虛擬實驗操作。通過該教學系統(tǒng)，學生不但可以掌握腸道致病菌分離與鑒定的經(jīng)典實驗操作方法，還鍛煉了動手能力、分析臨床問題能力等綜合素質(zhì)。

2.1.2 破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)該實驗教學系統(tǒng)以破傷風梭菌致小鼠肌肉痙攣實驗[8]作為虛擬仿真實驗對象，將破傷風的相關(guān)理論知識、實驗視頻與虛擬操作實踐有機結(jié)合。實驗視頻包括材料準備、菌種復蘇、增菌培養(yǎng)、菌毒素制備、菌毒素稀釋、實驗動物分組與注射、實驗動物觀察、實驗結(jié)束清場等實驗過程。在實體實驗教學中，由于生物安全問題，學生只能觀察小鼠發(fā)病死亡的實驗結(jié)果，對于整個實驗過程缺乏系統(tǒng)了解。在虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)中，學生不但可以了解菌毒素制備的實驗過程和受感染小鼠發(fā)病死亡的全過程，還可以自主操作虛擬實驗，避免直接接觸有感染性的病原體和受感染的小鼠，使實驗室生物安全得到了保障。

2.1.3 腦脊液中常見病原微生物的分離鑒定虛擬仿真實驗教學系統(tǒng) 該實驗教學系統(tǒng)由腦脊液的生理學知識、腦脊液常見病原微生物分離鑒定的7個經(jīng)典實驗視頻和虛擬實驗實訓組成。虛擬實驗部分選取了附屬醫(yī)院的腦膜炎病例，模擬從臨床患者的腦脊液中分離出常見的病原體并加以鑒定。系統(tǒng)先以動畫形式給出患者在家的癥狀，如劇烈頭痛、發(fā)熱、意識障礙、雙眼上翻、自言自語，醫(yī)生體檢后給出患者的生命體征，然后系統(tǒng)給患者實施CT檢查，排除占位病變等非感染腦膜炎之后，采取腰椎穿刺，取出腦脊液標本。由于腦膜炎的病原菌可能是細菌、病毒或寄生蟲，學生就要根據(jù)所學知識，綜合判斷需要進一步做哪些實驗室檢查以確診。選擇好實驗方法后，學生就進入虛擬實驗室進行虛擬實驗操作。虛擬實驗可以強化操作多次，避免了接觸致病性的病原菌，也訓練了學生的知識綜合應用能力以及分析、解決問題能力。

2.2 平臺共享

系統(tǒng)建成之后，這些教學資源已經(jīng)通過我?；A(chǔ)醫(yī)學國家級虛擬仿真實驗教學中心網(wǎng)站和上海夢之路數(shù)字科技有限公司虛擬仿真實驗教學網(wǎng)站對外開放。其中，腸道致病菌分離與鑒定虛擬仿真實驗和破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗入選國家級虛擬仿真實驗教學項目，已經(jīng)在教育部的實驗空間——國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務(wù)平臺上面向全國高校和社會免費開放，并提供教學服務(wù)。只要輸入網(wǎng)址鏈接即可打開，實現(xiàn)與其他高校教學資源的共建共享，相互取長補短，擴大了我校在全國醫(yī)學院校中的影響力。

3 病原生物學虛擬仿真實驗教學平臺的應用

3.1 虛擬仿真實驗教學的實施

虛擬仿真實驗教學平臺建成以后，實體實驗教學便有了有力的臂膀。虛擬仿真實驗教學模式為學生提供了可移動的電子教學場所，實驗教學不再局限于實驗室，而是得到了極大拓展。在實驗課之前，教師布置學生利用虛擬仿真平臺預習相關(guān)實驗內(nèi)容。系統(tǒng)涵蓋了理論知識和實驗操作，學生從理論到實驗循序漸進地預習該實驗內(nèi)容的所有知識點。實驗操作包含實驗視頻和虛擬實驗操作，學生可以先觀看視頻，再嘗試虛擬實驗操作。在實體實驗教學中，學生可以帶著問題聽課，做到有的放矢。對于實驗操作部分，預習之后的實驗操作成功率更高，重要的操作掌握得也更加牢固。實驗課后，對于有疑惑的知識點或不熟練的實驗操作，學生還可以利用虛擬仿真平臺進一步復習鞏固。

3.2 虛擬仿真實驗教學效果問卷調(diào)查

虛擬仿真實驗教學實施以后，采用自編的虛擬仿真實驗教學效果調(diào)查問卷，隨機選取安徽醫(yī)科大學2016級臨床醫(yī)學和全科醫(yī)學專業(yè)學生共96人進行問卷調(diào)查。調(diào)查前先向?qū)W生闡明本問卷調(diào)查的目的，現(xiàn)場發(fā)放問卷，要求學生如實填寫，并獨立完成，填寫完成后統(tǒng)一收回問卷。共發(fā)放問卷96份，收回有效問卷96份，問卷有效回收率為100%，見表1。

從調(diào)查結(jié)果來看，大部分學生對虛擬仿真實驗教學的優(yōu)點如幫助理解實驗過程、教學方式新穎有趣等持肯定態(tài)度。但是，由于醫(yī)學生畢業(yè)后大部分要從事臨床工作，實踐技能對他們來說是生存之本，因此學生普遍認為虛擬仿真實驗不能完全代替實體實驗，可以與傳統(tǒng)實驗優(yōu)勢互補，共同助力學生綜合實踐能力的培養(yǎng)。

表1 虛擬仿真實驗教學效果問卷調(diào)查

4 虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)的思考

4.1 虛擬仿真實驗教學彌補了傳統(tǒng)實驗教學的不足

虛擬仿真實驗滿足了創(chuàng)新時代下對醫(yī)學生的培養(yǎng)要求，突破了實驗教學對客觀條件的依賴性，學生可以在虛擬實驗室親自動手完成實驗操作，直觀地“體驗”知識，在虛擬仿真實驗中觀察、探索、實驗、想象，發(fā)展思維，增長智慧，促進了學生自主學習，彌補了傳統(tǒng)實驗教學的不足。

4.2 臨床與實踐相結(jié)合

醫(yī)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為當今時代醫(yī)學教育的目標。單學科的學習已經(jīng)無法滿足當下時代對人才的需求，綜合能力的培養(yǎng)是未來醫(yī)生的必修課。病原生物學虛擬仿真實驗緊密融合基礎(chǔ)與臨床知識，幫助學生理解理論知識的同時，激發(fā)了學習興趣，培養(yǎng)了學生的臨床思維，與現(xiàn)代醫(yī)學教育要求的“早臨床、多臨床、反復臨床”相適應，真正做到基礎(chǔ)知識與臨床知識緊密銜接[9]。

4.3 智能引導，培養(yǎng)思維能力

虛擬實驗系統(tǒng)內(nèi)容精、容量大，適合主流媒體形式。虛擬實驗設(shè)置了人機交互和智能引導功能，學生選擇的實驗方法如果不正確，系統(tǒng)會給予提示，引導學生采用正確的實驗方法。系統(tǒng)還具有在線統(tǒng)計分析功能，能跟蹤學生學習情況，最后會自動評價學生總體操作得分。學生根據(jù)系統(tǒng)反饋了解自身學習情況，從而查漏補缺，思維能力得到鍛煉和提高。

4.4 建立科學的評價體系

虛擬仿真實驗教學平臺建成以后，需要良好的激勵機制來發(fā)揮系統(tǒng)應有的效果?？茖W的評價體系主要體現(xiàn)在兩個方面。

（1）對教師來說：學校需要制訂合理的獎勵機制和考評機制。對于建設(shè)虛擬仿真實驗資源的教師，學校應按照一定的工作量給予評定。對于后期平臺的在線維護工作，學校應根據(jù)教師的登錄時長和在線答疑時間，列入教師的教學工作量，為評獎評優(yōu)提供客觀依據(jù)。只有良好的考評機制，才能促進教師全身心投入虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)工作和后期的維護工作，才能建設(shè)更好、更優(yōu)質(zhì)的教學資源，為培養(yǎng)優(yōu)秀的醫(yī)學接班人而努力。（2）對學生來說：學校需要制訂科學、合理的教學大綱和考核機制。根據(jù)不同專業(yè)的學習要求，把虛擬仿真實驗納入實驗教學計劃中，與傳統(tǒng)實體實驗教學相呼應，形成有機的整體，并把虛擬仿真實驗的學習納入學生的考核和評價體系中。實驗教師和管理人員從后臺定期檢查學生網(wǎng)上的學習時間，掌握學生自主學習情況，真正實現(xiàn)預習（課前虛擬）、課堂（實驗室）和復習（課后虛擬）的循環(huán)模式，從而提高虛擬仿真實驗教學資源的實際使用效果。