HIV感染免疫診斷虛擬仿真實驗項目的建設(shè)與應(yīng)用

何超翔，王彩虹，樓哲豐，陶洪群，鄭曉群

（1.溫州醫(yī)科大學(xué) 檢驗醫(yī)學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院育英 兒童醫(yī)院 檢驗科，浙江 溫州 325027）

臨床免疫學(xué)檢驗是醫(yī)學(xué)檢驗的重要組成部分，也是醫(yī)學(xué)檢驗專業(yè)的一門主干課程，具有極強的實踐性，其中實驗課占總學(xué)時數(shù)的55%，因此實驗教學(xué)的水平和質(zhì)量至關(guān)重要。然而，由于經(jīng)費、場地和生物安全等因素的限制，一些與臨床密切相關(guān)的重要檢驗項目，如HIV感染的免疫檢測等，無法在學(xué)校實驗室開展教學(xué)，從而嚴(yán)重影響了教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，最終導(dǎo)致學(xué)生崗位勝任能力的不足。因此，急需開拓傳統(tǒng)實驗課堂之外的其他教學(xué)手段和方式，而虛擬仿真實驗技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為問題的解決提供了可能。

近年來，我國對高校實驗教學(xué)信息化工作提出了新要求，著重通過虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象。學(xué)生可在虛擬環(huán)境中開展實驗，最終達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。為此，本課題組設(shè)計、建立了HIV感染免疫診斷的虛擬仿真實驗項目并用于實驗教學(xué)。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)的特點及建設(shè)現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)是以計算機(jī)軟件、硬件為基礎(chǔ)，采用專門技術(shù)手段，通過對已知或未知世界的仿真，使人獲得真實感受的一種計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)[1]。自1989年首次提出虛擬實驗室[2]的概念后，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真與教育、科研、醫(yī)療等行業(yè)互相融合，成為有力的工具[3-4]。在實驗教學(xué)改革中，虛擬仿真通過與實驗教學(xué)相互結(jié)合、發(fā)展，形成一種新形式的教學(xué)方法——虛擬仿真實驗教學(xué)[4]。虛擬仿真實驗教學(xué)借助虛擬仿真的優(yōu)勢具有沉浸感強、趣味性高、交互性好等特點，在極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性的同時達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

近年，我國出臺一系列文件支持虛擬仿真在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，各學(xué)校根據(jù)文件的指導(dǎo)也不斷推出新形式的虛擬仿真實驗。目前教育部已批準(zhǔn)成立300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，為教學(xué)注入新的活力，并取得良好的效果。隨著虛擬仿真中心建立、發(fā)展與總結(jié)，教育部將虛擬仿真的建設(shè)重點從“中心”建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)椤绊椖俊苯ㄔO(shè)，并于2017年發(fā)布了開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的文件。該文件以建設(shè)示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目為基礎(chǔ)，擬建成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學(xué)項目示范新體系[5]。計劃于2017—2020年建成1 000項虛擬仿真項目，截至2019年9月已有403項虛擬仿真項目被認(rèn)定為國家級示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目。通過建設(shè)綜合性強的“中心”與小而精的“項目”，堅實有力地促進(jìn)實驗教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的深度融合，推動了虛擬仿真教學(xué)在傳統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用。

2 HIV感染免疫診斷虛擬仿真實驗項目的建設(shè)

HIV（human immunodeficiency virus），即人類免疫缺陷病毒，是導(dǎo)致艾滋病的病原體，具有高度傳染性。由于生物安全等級要求，HIV抗體檢測應(yīng)在符合II級生物安全實驗室（BSL-2）要求的實驗室中操作[6]，不能在一般的教學(xué)實驗室開展。多數(shù)高校出于安全、實驗條件不具備的原因，僅在理論教學(xué)中涉及，但不開展實驗教學(xué)，造成學(xué)生的理論知識與實驗操作之間的脫節(jié)，最終影響學(xué)生的專業(yè)發(fā)展與崗位勝任能力，因此急需借助其他教學(xué)手段實現(xiàn)HIV感染免疫診斷的實驗教學(xué)。虛擬仿真技術(shù)可通過真實地模擬實驗環(huán)境、過程，有效避免生物安全風(fēng)險，解決實驗教學(xué)難以開展的問題，并可通過網(wǎng)絡(luò)共享使更多相關(guān)師生受益。

HIV感染免疫診斷的虛擬仿真實驗以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心，服務(wù)于教學(xué)，在實驗的操作流程中注重培養(yǎng)學(xué)生生物安全意識與臨床思維能力。我們在整套實驗過程中引入原理動畫，幫助學(xué)生理解抽象的檢驗原理；引入答題模塊，在操作過程中對學(xué)生進(jìn)行形成性考核。實驗設(shè)計總體流程如圖1所示：①通過對HIV相關(guān)知識的視頻介紹，對理論知識查漏補缺，降低學(xué)習(xí)門檻。②通過醫(yī)師與患者的問診、采血、樣本送入傳遞倉等過程向?qū)W生展現(xiàn)檢驗前的問診以及艾滋病的臨床表現(xiàn)。③通過進(jìn)入實驗室后穿戴防護(hù)服，依次進(jìn)入潔凈區(qū)、半污染區(qū)，最終進(jìn)入實驗室，展示進(jìn)入實驗室的流程，培養(yǎng)學(xué)生安全意識。④通過取出樣品后進(jìn)行的實驗操作，展現(xiàn)實驗步驟并培養(yǎng)學(xué)生臨床思維能力：首先通過ELISA法對患者的血清標(biāo)本進(jìn)行HIV抗體篩查，根據(jù)檢查結(jié)果自主選擇后續(xù)實驗，如為陰性則給出陰性的報告，如為陽性，則再用ELISA和膠體金免疫層析法進(jìn)行復(fù)查，兩種方法均陰性者報告HIV抗體陰性，復(fù)查一陰一陽者和均為陽性者再用免疫印跡法進(jìn)行確證。⑤在完成整個虛擬實驗后，軟件將會跳轉(zhuǎn)至新頁面，對之前的操作評分并顯示錯誤點，最后要求書寫實驗報告。

3 HIV感染免疫診斷虛擬仿真實驗項目的應(yīng)用與展望

圖1 HIV感染免疫診斷的虛擬仿真實驗流程

HIV感染免疫診斷虛擬仿真實驗項目采取虛實結(jié)合、線上線下混合式教學(xué)手段，納入臨床免疫檢驗技術(shù)課程的實驗教學(xué)中。在實際教學(xué)中，當(dāng)教師完成相關(guān)理論課程后，學(xué)生需在指定時間段內(nèi)完成本軟件的線上操作；當(dāng)學(xué)生完成操作后，且得分超過一定分?jǐn)?shù)即認(rèn)為已初步掌握本實驗流程、了解本實驗中的相關(guān)生物安全知識；最后，安排操作合格且得分相近的學(xué)生進(jìn)行線下替換樣本后的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。教師在實驗課前可根據(jù)軟件中的數(shù)據(jù)（見圖 2）調(diào)整課程著重點，如16級衛(wèi)檢班級的學(xué)生與16級醫(yī)檢1班的學(xué)生得分差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），可對兩個班級的實驗教學(xué)方案做出調(diào)整，進(jìn)行針對性教學(xué)，有效地把控實驗教學(xué)。在通過本校與山東第一醫(yī)科大學(xué)、蚌埠醫(yī)學(xué)院、福建醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)與工程學(xué)院、貴州醫(yī)科大學(xué)檢驗學(xué)院的初步使用后，根據(jù)反饋意見不斷完善程序。目前該項目在國家級虛擬仿真共享平臺中上線使用，并被評選為國家級虛擬仿真實驗示范項目，受到專家、教師、學(xué)生的關(guān)注與認(rèn)可。在反復(fù)使用與探索中，我們總結(jié)出這種混合式教學(xué)方式相較于傳統(tǒng)的教學(xué)具有三點優(yōu)勢：①有效規(guī)避高校實驗室硬件環(huán)境不足的限 制，完善實驗教學(xué)體系。②通過無時間、空間限制的“游戲式”網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，充分利用課余時間，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。③通過計算機(jī)的及時性，向?qū)W生反饋操作中的錯誤。通過后臺大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，幫助教師有效地把控學(xué)生在實驗中的難點、易錯點。

隨著信息化時代的發(fā)展，虛擬仿真實驗教學(xué)將以其顯著的優(yōu)勢成為實驗教學(xué)改革的重要發(fā)展方向之一。虛擬仿真實驗突破了時間、空間和生物安全等因素的限制，對傳統(tǒng)實驗課堂教學(xué)形成了有效補充，是改革實驗教學(xué)的有益嘗試。今后我們將致力于打造虛擬仿真實驗教學(xué)云平臺，同時結(jié)合在線開放課程的建設(shè)與應(yīng)用，系統(tǒng)整合教學(xué)資源，從而形成虛實結(jié)合，線上線下一體的混合式實驗教學(xué)模式。我們相信虛擬仿真實驗技術(shù)與教學(xué)的不斷融合，必將更好地服務(wù)于醫(yī)學(xué)檢驗的實驗教學(xué)，使教學(xué)質(zhì)量和效果達(dá)到質(zhì)的飛躍，從而對醫(yī)學(xué)檢驗教育的發(fā)展產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。

圖2 溫州醫(yī)科大學(xué)檢驗醫(yī)學(xué)院各班學(xué)生使用軟件后得分