VR技術(shù)在臨床微生物檢驗教材建設(shè)中的展望

朱曉彬，翁晶晶，李一榮，肖 瀟△

(1武漢大學(xué)中南醫(yī)院脊柱與骨腫瘤科， 武漢 430071； 2中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院武漢感染性疾病及腫瘤研究中心； 3感染性疾病精準(zhǔn)防控與診治湖北省工程研究中心； 4湖北中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)檢驗與技術(shù)系； 5武漢大學(xué)中南醫(yī)院醫(yī)學(xué)檢驗科； △通訊作者)

教材建設(shè)是高等院校的重點建設(shè)工作，是提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)優(yōu)秀人才、深化教學(xué)改革的保證[1]。高等醫(yī)學(xué)院校的教材是教師傳授醫(yī)學(xué)理論和方法的載體，也是學(xué)生進行醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)習(xí)和臨床思維訓(xùn)練的基礎(chǔ)。因此，不斷加強醫(yī)學(xué)教材建設(shè)，對于積極保障教學(xué)質(zhì)量、切實穩(wěn)定教學(xué)秩序、真實反映學(xué)?？平趟侥酥霖瀼芈鋵崈?yōu)秀人才培養(yǎng)都具有重要意義。臨床微生物檢驗是醫(yī)學(xué)微生物學(xué)、檢驗醫(yī)學(xué)和臨床感染學(xué)緊密結(jié)合和交叉的學(xué)科，近年來發(fā)展極為迅速，但也面臨諸多的問題和挑戰(zhàn)：諸如新型病原體不斷出現(xiàn)、醫(yī)院感染不斷加速、耐藥菌株日趨增加、耐藥機制日益復(fù)雜等[2]。針對上述問題和挑戰(zhàn)，高?，F(xiàn)如今必須進一步加強臨床微生物學(xué)檢驗的理論水平建設(shè)、學(xué)科平臺發(fā)展及人才培養(yǎng)規(guī)劃等，為臨床輸送更多優(yōu)質(zhì)的檢驗人員。而臨床微生物檢驗的教材建設(shè)和改革是解決上述問題的關(guān)鍵所在。

近年來，隨著VR技術(shù)的不斷成熟，該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用在現(xiàn)實生活中的許多領(lǐng)域[3]。其中VR技術(shù)的應(yīng)用對于教育領(lǐng)域有著至關(guān)重要的價值[4]。將VR技術(shù)引入微生物教材建設(shè)中，一方面可以真實地再現(xiàn)微生物形態(tài)變化特點和檢驗技術(shù)的實時過程，以提高學(xué)生對理論知識的感官體驗、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面，VR技術(shù)能夠全方位調(diào)動學(xué)生的視覺、聽覺和觸覺等，從而加深學(xué)生對于知識的理解記憶，提高學(xué)習(xí)效率[5]。因此，將VR技術(shù)應(yīng)用于微生物檢驗教材建設(shè)，有利于實現(xiàn)理論和實踐的充分結(jié)合，切實提高教學(xué)質(zhì)量，提升教師的教學(xué)體驗，培養(yǎng)優(yōu)秀的臨床微生物人才，以便未來更好地服務(wù)于臨床。

1 現(xiàn)有教材存在的問題

臨床微生物學(xué)檢驗是醫(yī)學(xué)檢驗專業(yè)的重要課程，其主要特點是實驗技能要求較高，操作能力要求較強，需要將理論知識與臨床經(jīng)驗緊密結(jié)合。臨床微生物檢驗學(xué)科在近十年來已有巨大發(fā)展，該學(xué)科融合了臨床微生物理論和醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)實踐，但現(xiàn)有的教材難以適應(yīng)發(fā)展的進程和速度。因此，將VR技術(shù)引入微生物教育的教材建設(shè)中是非常有前瞻性和重要意義的。

1.1 現(xiàn)有的教材仍以理論文字為主

學(xué)生普遍缺乏對病原形態(tài)學(xué)和檢驗程序的感官認識，導(dǎo)致知識記憶困難以及理論與實踐脫節(jié)。在臨床微生物檢驗的學(xué)習(xí)過程中，所涉及的微生物種類繁多、每種微生物特點各異、不同微生物的檢驗方法也不盡相同[6]，導(dǎo)致學(xué)生僅憑理論文字和圖片難以對真實的微生物特性和檢驗過程進行記憶和理解。在課堂上，教師講解理論知識，學(xué)生傾向于被動接受信息。這不僅壓抑了課堂氣氛，還抑制了學(xué)生的思維，致使學(xué)生難以積極主動地思考。因此，學(xué)生獲取了大量的刻板記憶，在臨床工作中需要應(yīng)用的時候，又無法正確匹配，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量。

1.2 傳統(tǒng)實踐課教學(xué)內(nèi)容較為片面且安全風(fēng)險高

在高校，微生物檢驗實驗課的開展存在諸多不便。例如，建立傳統(tǒng)實驗室需設(shè)特定區(qū)域，保持無菌環(huán)境。學(xué)生在進行實驗操作時有被感染的風(fēng)險。對于感染性極強的菌種，教學(xué)型的傳統(tǒng)實驗室就無法開展。在實驗操作中，由于課時限制以及實驗操作的風(fēng)險性，學(xué)生也不能全面接觸到臨床中常見的微生物。在實驗課堂教學(xué)上，由于空間的限制，教師在進行實驗操作演示時，眾多學(xué)生則只能聚集圍觀，導(dǎo)致站在后排的學(xué)生無法清楚觀察到教師的示范性操作[7]。且驗證性實驗教學(xué)沒有探索性，使得學(xué)生缺乏思考的積極性，課堂教學(xué)質(zhì)量難以提高。

2 VR概念以及在臨床微生物檢驗教材中的作用

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)是數(shù)字科技的結(jié)合，包含3D顯示器、動態(tài)追蹤、開發(fā)平臺、輸出及輸入設(shè)備等，可以通過向?qū)W生提供感官模擬使其有身臨其境之感。學(xué)生可以即時且沒有限制地觀察三維空間虛擬世界內(nèi)的事物。VR虛擬融合了視覺、聽覺和觸覺，可以將微生物形態(tài)可視化，并模擬出完整的檢驗步驟[8]。

2.1 在臨床微生物檢驗理論課中的作用

我們以金黃色葡萄球菌為例：在VR虛擬世界中，學(xué)生通過使用VR眼鏡和特制的手柄，可以親身體驗細菌培養(yǎng)的全過程。例如，學(xué)生對目的菌進行分離培養(yǎng)，將目的菌接種在平板上，把接種后的平板放入培養(yǎng)箱；培養(yǎng)相應(yīng)時間后，學(xué)生可以直觀地觀察到培養(yǎng)基中金黃色葡萄球菌呈有光澤、圓形凸起的三維形態(tài)，以及觀察在血平板中菌落周圍形成的β溶血環(huán)的透明程度和寬度等，其在視覺上給人感覺與現(xiàn)實生活中幾乎沒有差異。而傳統(tǒng)教材中對于“某細菌干燥”“某細菌濕潤”的書面描述，需要學(xué)生通過想象對其理解，但學(xué)生對“干燥”和“濕潤”的理解各異，因而可能不能較好地形成正確和客觀的記憶體系。學(xué)生通過VR技術(shù)，利用理論知識與實踐技術(shù)的充分結(jié)合，使枯燥的學(xué)習(xí)變得更加生動有趣，從而更好地激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，提升個人成就感。同時，學(xué)生的表現(xiàn)和成績也與教師的教學(xué)體驗和成就感相關(guān)。因此，利用VR技術(shù)提高學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣，更好地掌握實驗操作要領(lǐng)，對教師教學(xué)質(zhì)量的推進作用十分重要。

2.2 在臨床微生物檢驗實踐課中的作用

虛擬實驗室不受時間和空間等因素的限制，學(xué)生可以完全沉浸式地體驗臨床中完整的微生物檢驗流程，例如細菌的培養(yǎng)、鑒定、鏡檢、藥敏以及結(jié)果報告等。學(xué)生在校學(xué)習(xí)階段就可以模擬式地參與臨床實踐。對于感染性較強的菌種，學(xué)生則完全避免了被感染的風(fēng)險。VR技術(shù)還具有一定的互動性，例如在虛擬實驗室中學(xué)生能夠按照教師的指導(dǎo)進行一對一的實驗操作學(xué)習(xí)，以此解決由于實驗室空間限制所產(chǎn)生的問題。同時，實驗課教學(xué)不應(yīng)局限于書本上的實驗內(nèi)容，教師還應(yīng)利用VR技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，通過網(wǎng)絡(luò)平臺為學(xué)生提供更加廣泛的學(xué)習(xí)相關(guān)資料、PPT以及虛擬仿真實驗任務(wù)等，利用VR技術(shù)建立的虛擬實驗室，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)出良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，促使學(xué)生在生動的學(xué)習(xí)情境中獲得良好的知識儲備。

3 將VR技術(shù)引入微生物教材建設(shè)中的主要措施

臨床微生物檢驗的基本功包括掌握微生物形態(tài)學(xué)、鏡檢、鑒定、藥敏、結(jié)果報告和解釋、新技術(shù)手段，熟悉各類感染各種標(biāo)本的常見的病原譜和各類抗菌藥物的藥理學(xué)特點等。將VR技術(shù)引入微生物建設(shè)中的主要措施如下(以金黃色葡萄球菌為例)。

3.1 形態(tài)學(xué)

教師利用VR技術(shù)可以模擬整個教學(xué)實驗室以及實驗所需的儀器等。學(xué)生可以通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備以及配套工具在虛擬空間中動手培養(yǎng)各種各樣的微生物，包括標(biāo)本接收、接種、分離純化等步驟。通過培養(yǎng)相應(yīng)時長，學(xué)生可以更加深入直觀地觀察到每種細菌的生長形態(tài)，運用技術(shù)模擬真實條件下金黃色葡萄球菌的形態(tài)和溶血情況。例如，金黃色葡萄球菌在普通培養(yǎng)基上形成直徑2-3 mm不透明的圓形凸起菌落，菌落表面光滑，較濕潤，顏色為無色或者金黃色，金黃色葡萄球菌血瓊脂平板上菌落周圍產(chǎn)生β溶血環(huán)[9]，偶見金黃色葡萄球菌的不典型形態(tài)。VR技術(shù)所呈現(xiàn)出來的圖像比傳統(tǒng)教材上的圖片更為立體形象，為學(xué)生提供聽覺、視覺等感官的真實體驗，讓學(xué)生更有臨場感，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性也會更高。

3.2 鑒定

3.2.1 生化鑒定 傳統(tǒng)生化鑒定模塊主要采取設(shè)立虛擬超凈工作臺的方式。學(xué)生可以在超凈工作臺上對金黃色葡萄球菌進行生化鑒定，通過VR技術(shù)觀察生化實驗的操作和結(jié)果判讀：血漿凝固酶實驗：使用EDTA抗凝兔血漿與待測液混合，若6 h內(nèi)出現(xiàn)凝固則為陽性；耐熱核酸酶實驗：將待檢菌過夜肉湯培養(yǎng)物置沸水浴中15 min,取數(shù)滴,滴加于含甲苯胺藍核酸瓊脂、直徑為2-5 mm 的小孔內(nèi),35 ℃培養(yǎng),1 h后觀察結(jié)果。小孔周圍藍色瓊脂變粉紅色為陽性,不變色為陰性；觸酶實驗:將待檢菌落置于干凈玻片上后，滴加3%過氧化氫溶液數(shù)滴，觀察反應(yīng)變化，若半分鐘內(nèi)有氣泡產(chǎn)生則為陽性，不產(chǎn)生氣泡則為陰性[9]。實驗所需材料均為程序編輯的虛擬元件。VR可以形象化呈現(xiàn)出各個生化鑒定所產(chǎn)生的顏色、形狀等的變化，從而使得學(xué)生更容易理解教材中“凝固酶陽性、觸酶陽性”的描述，也能進一步加深學(xué)生對知識的理解記憶，提高學(xué)習(xí)效率。

3.2.2 質(zhì)譜鑒定 隨著質(zhì)譜及其技術(shù)的不斷發(fā)展，質(zhì)譜儀鑒定憑借其高靈敏度、高準(zhǔn)確度、快速、高效等特點已然成為臨床微生物檢驗鑒定菌種的主流技術(shù)。質(zhì)譜鑒定的工作原理是將激光激發(fā)靶板上的細菌與基質(zhì)讓細菌的蛋白在真空的飛行管中。檢測器通過檢測蛋白飛行時間的不同來建立一個曲線圖譜進而與數(shù)據(jù)庫中的信息比對，得出可能的菌種[10]。然而現(xiàn)有教材卻尚未涵蓋該部分的知識，使得學(xué)生所學(xué)知識與臨床實際有所脫節(jié)。我們可以通過VR技術(shù)構(gòu)建虛擬的質(zhì)譜儀，利用VR技術(shù)模擬質(zhì)譜鑒定細菌的操作步驟，選取培養(yǎng)基中生長的單個菌落將其涂在質(zhì)譜儀的樣品鑒定板中，然后滴入1μL的基質(zhì)液，靜置3 min左右，待基質(zhì)液完全干燥后，將樣品板放入質(zhì)譜儀中進行鑒定。學(xué)生可以體驗如何使用質(zhì)譜儀快速鑒定細菌種類，提前學(xué)習(xí)更加先進的技術(shù)，讓所學(xué)習(xí)的知識能夠緊跟時代和科學(xué)的發(fā)展，以改善現(xiàn)有教材更新及創(chuàng)新的速度跟不上整體學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)狀，對培養(yǎng)學(xué)生探索科學(xué)的興趣也有積極的作用。

3.3 藥敏實驗

金黃色葡萄球菌的藥敏實驗對于指導(dǎo)臨床合理使用抗菌藥物具有重要意義，但僅僅依靠教材中對于藥敏實驗的介紹，學(xué)生難以通過想象進行記憶，對這部分的知識需要通過更多的實踐來理解。但由于微生物實踐課課時較少，內(nèi)容量大，所以教學(xué)效果并不理想。通過使用VR技術(shù)，學(xué)生可以在虛擬世界中觀摩或動手操作藥敏實驗的全過程，利用感官記憶加深理解，還可以直觀地觀察到抗菌藥物抑制細菌生長出現(xiàn)的抑菌圈，通過手動測量抑菌圈的大小，同時依據(jù)CLSI 的判斷標(biāo)準(zhǔn)來判斷金黃色葡萄球菌對此藥物的敏感度，從而鍛煉動手操作能力。利用VR技術(shù)不僅可以幫助學(xué)生更好地將理論與實踐相結(jié)合，還可以為現(xiàn)場教學(xué)奠定堅實基礎(chǔ)。

3.4 報告審核

學(xué)生可以體驗臨床工作中結(jié)果審核以及危機值報告的虛擬訓(xùn)練，提前熟悉臨床工作的完整流程，為將來進入實地工作做好充分準(zhǔn)備。

將VR技術(shù)應(yīng)用于教材設(shè)計，能讓學(xué)生體驗到一個真實且直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，并獲得實時回饋，更能吸引學(xué)生高度參與，促進其學(xué)習(xí)的外部動機向內(nèi)部動機轉(zhuǎn)變，提高學(xué)習(xí)的自主性，對培養(yǎng)學(xué)生探索科學(xué)的興趣與熱忱有積極作用；同時提高教師的授課質(zhì)量。VR教材有利于解決微生物檢驗教學(xué)中的理論和實踐脫離的問題，符合時代和學(xué)科發(fā)展。該研究成果有利于將VR教材應(yīng)用和推廣到其他注重形態(tài)、解剖和操作的醫(yī)學(xué)學(xué)科的教材建設(shè)中。