自主設(shè)計(jì)性虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

杜鎮(zhèn)鎮(zhèn)，胡 濤，張 珍

(濱州醫(yī)學(xué)院，山東 濱州 256600)

醫(yī)學(xué)免疫學(xué)是闡述人體免疫系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)，其內(nèi)容與基礎(chǔ)、臨床的多個(gè)學(xué)科交叉，是很重要的一門基礎(chǔ)課程，由于其結(jié)構(gòu)微觀、概念理論抽象，是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是鞏固理論知識、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力的主要環(huán)節(jié)，對于高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)至關(guān)重要，因此，教師對于如何改進(jìn)、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的探索從未停止[1]。隨著科技信息的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)課在傳統(tǒng)實(shí)際操作的基礎(chǔ)上逐步增加錄像、網(wǎng)絡(luò)視頻等教學(xué)資源[2]，近幾年虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高等醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也越來越豐富[3]。我校自2013年在免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)中引進(jìn)部分虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，2015年開始制作具有自主知識產(chǎn)權(quán)、本校特色的虛擬仿真綜合項(xiàng)目，以虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式陸續(xù)運(yùn)用，尤其在新冠疫情期間線上虛擬仿真平臺發(fā)揮了巨大作用，平時(shí)可通過學(xué)校網(wǎng)站對本科生開放共享，獲得了學(xué)生的認(rèn)可。

1 免疫學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題

1.1 免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)周期長，學(xué)生只能參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)的一小部分

在免疫學(xué)幾個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，如雙向?qū)α髅庖唠娪?、補(bǔ)體溶血試驗(yàn)、淋巴細(xì)胞分離、乙肝病毒抗原的檢測等，因試劑材料準(zhǔn)備耗時(shí)長、種類多且費(fèi)用貴，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員提前加工準(zhǔn)備所需試劑，課堂上學(xué)生只需簡單加樣、觀察結(jié)果，很難有機(jī)會從頭到尾參與一個(gè)完整實(shí)驗(yàn)[4]；再加上學(xué)生人數(shù)較多，設(shè)備材料有限，一般2～4人一組，每個(gè)學(xué)生獨(dú)立操作的機(jī)會少。就拿雙向?qū)α髅庖邔?shí)驗(yàn)來說，所需抗原、抗體(需至少提前三周免疫動物)、瓊脂板和電泳緩沖液等均是課前準(zhǔn)備，學(xué)生只需在相應(yīng)瓊脂板孔上加樣、接通電泳儀即可，對于所使用的材料來源、加工處理過程一知半解，實(shí)驗(yàn)中缺乏操作鍛煉和系統(tǒng)思考，不利于教學(xué)質(zhì)量的提高。

1.2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂與新技術(shù)、臨床應(yīng)用聯(lián)系較少，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性不高

隨著免疫學(xué)科的迅速發(fā)展，新理念、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，比如科研或臨床常用的流式細(xì)胞術(shù)、PCR儀器等，這些在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂很難見到。比如流式細(xì)胞術(shù)對特定細(xì)胞群進(jìn)行分選，進(jìn)一步檢測免疫細(xì)胞吞噬功能狀態(tài)，可對一些疾病進(jìn)行分析和診斷，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生感受到先進(jìn)儀器設(shè)備給臨床檢測帶來的方便與快捷，增加實(shí)驗(yàn)課的興趣并有助于對基礎(chǔ)知識理論的學(xué)習(xí)，收到事半功倍的效果。

2 免疫學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

2.1 虛擬仿真技術(shù)發(fā)展背景與綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是把某學(xué)科專業(yè)知識技能與網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體等技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以運(yùn)用里面形象逼真的虛擬設(shè)備和材料，按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行練習(xí)，達(dá)到熟悉實(shí)驗(yàn)流程、知識內(nèi)化的目的。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺還可鏈接豐富的學(xué)習(xí)資源，不受時(shí)空限制，短時(shí)間內(nèi)學(xué)生即可將海量知識融會貫通[5]。當(dāng)前，隨著數(shù)字信息時(shí)代的到來，教育部積極推進(jìn)信息化教學(xué)，倡導(dǎo)把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)融入醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)中[6]?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平臺的內(nèi)容局限于單一課程和某一個(gè)實(shí)驗(yàn)的具體操作，缺少學(xué)科交叉性的、綜合性的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，因此，本教研室依據(jù)自身教學(xué)大綱，與軟件公司協(xié)同制作一些綜合性、設(shè)計(jì)性的免疫學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以利于學(xué)生系統(tǒng)梳理學(xué)科知識、鍛煉科研思維能力及培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力[7]。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

2.2.1 校企合作開發(fā)具有自主特色的虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)

免疫學(xué)科的實(shí)驗(yàn)，一般有實(shí)驗(yàn)時(shí)間長、多學(xué)科交叉、動物耗材多、基礎(chǔ)知識與臨床檢測密切相連的特點(diǎn)，在實(shí)體實(shí)驗(yàn)課堂上很難開展，虛擬實(shí)驗(yàn)正好解決這個(gè)難題，可設(shè)計(jì)不受時(shí)空、儀器耗材限制系列的綜合實(shí)驗(yàn)。目前，設(shè)計(jì)成熟的四個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，分別是細(xì)菌凝集反應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)、乙肝病毒檢測的綜合實(shí)驗(yàn)、補(bǔ)體功能的系列實(shí)驗(yàn)與淋巴細(xì)胞分離與免疫細(xì)胞功能的檢測實(shí)驗(yàn)。每一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)分好幾個(gè)模塊，可連貫起來學(xué)習(xí)，也可單獨(dú)練習(xí)一部分，并且配置有實(shí)際操作的錄像視頻，形象直觀，有利于學(xué)生系統(tǒng)梳理知識脈絡(luò)，如補(bǔ)體溶血功能綜合試驗(yàn)，以抗原抗體特異免疫應(yīng)答這條主線，把綿羊紅細(xì)胞制備、溶血素(抗體)產(chǎn)生、補(bǔ)體溶血功能及其拓展應(yīng)用(補(bǔ)體結(jié)合和空斑形成試驗(yàn))幾個(gè)實(shí)驗(yàn)融合起來，在短時(shí)間可讓學(xué)生理解抗原、抗體的概念及抗體產(chǎn)生規(guī)律、免疫應(yīng)答的特點(diǎn)及在疾病診斷中的應(yīng)用(圖1)，有助于學(xué)生綜合思維能力的提升。

圖1 與補(bǔ)體溶血相關(guān)的虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)流程圖

2.2.2 購買部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作或自己錄制操作視頻，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

當(dāng)前，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真項(xiàng)目已在許多高校使用，有一些是運(yùn)用軟件公司開發(fā)的虛擬項(xiàng)目。我校篩選購買了一些經(jīng)典的、基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)操作，方便學(xué)生練習(xí)，如ABO血型的測定、 細(xì)菌抗原的檢測、ELISA乙肝病毒抗原檢測、大小吞噬試驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)在課堂上可以進(jìn)行實(shí)物操作，虛擬練習(xí)是為了方便學(xué)生課前、課后自主訓(xùn)練，不受時(shí)空限制，鞏固課堂知識[8]；還購買了部分拓展性的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如HIV病毒的檢測、豚鼠的過敏性休克，現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中因安全、動物或者經(jīng)費(fèi)的原因?qū)е虏荒荛_設(shè)，學(xué)生可通過虛擬操作練習(xí)，加深對理論知識的理解與思考。

3 運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式探索

3.1 在傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式

免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)物操作具有不可替代的作用，課堂上必須以傳統(tǒng)實(shí)際操作為主，虛擬部分可通過課前預(yù)習(xí)、課中穿插、課后鞏固來靈活運(yùn)用。課堂上在完成實(shí)物操作的情況下，教師輔助學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)的虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)，關(guān)鍵是聯(lián)系實(shí)物實(shí)驗(yàn)的相對應(yīng)的材料來源與延伸部分，比如補(bǔ)體溶血功能試驗(yàn)(圖1)，課堂直接用現(xiàn)成的試劑做補(bǔ)體溶血實(shí)驗(yàn)，其他實(shí)驗(yàn)?zāi)K像綿羊紅細(xì)胞的制備、虛擬仿真溶血素的制備免疫過程、補(bǔ)體制備過程與細(xì)節(jié)拓展應(yīng)用部分，由教師適時(shí)引導(dǎo)，學(xué)生在虛擬平臺操作練習(xí)或隨時(shí)查看系統(tǒng)里的操作視頻，尤其是能縱觀整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，掌握實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)與難點(diǎn)，內(nèi)容較多來不及看的話可以課下繼續(xù)延伸學(xué)習(xí)。通過把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺穿插在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作中的教學(xué)，使學(xué)生加深對概念的理解、形成系統(tǒng)的思維，領(lǐng)會抗原、抗體特異性反應(yīng)在臨床中的實(shí)際作用。在這種模式下學(xué)生更能充分利用課堂、課下時(shí)間，強(qiáng)化記憶、拓展思維，梳理知識脈絡(luò)，達(dá)到“虛”與“實(shí)”相補(bǔ)的目的。

3.2 學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式

虛擬仿真平臺作為免疫學(xué)預(yù)習(xí)及復(fù)習(xí)的輔助教學(xué)資料， 采用“學(xué)生為主”的自主學(xué)習(xí)模式。學(xué)校虛擬仿真平臺對本科生開放共享，打破了時(shí)空限制，學(xué)生可隨時(shí)通過手機(jī)、電腦聯(lián)網(wǎng)盡情享受優(yōu)質(zhì)在線資源，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊所需的實(shí)驗(yàn)耗材與儀器按照步驟就可以體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，形象直觀的虛擬操作訓(xùn)練使抽象的知識變得易于接受，提高了學(xué)習(xí)效率[9]。另外，為了提高學(xué)生們的參與積極性，優(yōu)化平臺管理功能，增加自測題目、在線問答互動交流版面、學(xué)習(xí)情況統(tǒng)計(jì)等功能；有的實(shí)驗(yàn)步驟中間還設(shè)置提問，只有答案正確才可以繼續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，答案錯(cuò)誤需查找原因，像闖關(guān)游戲一樣，這種模式既能增加趣味性，又能對學(xué)生開展形成性評價(jià)。

4 實(shí)施效果與存在問題

4.1 虛擬仿真平臺實(shí)施效果

教研室在實(shí)體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依托虛擬仿真教學(xué)平臺，在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中試行“虛”“實(shí)”結(jié)合的教學(xué)模式改革，經(jīng)過3年多的教學(xué)實(shí)踐，尤其新冠疫情時(shí)大規(guī)模的在線教學(xué)，一定程度上彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)周期長的限制，學(xué)生通過線下、線上都有機(jī)會全程參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程[10]，得到了大部分學(xué)生的良好評價(jià)，教學(xué)質(zhì)量逐年提升。根據(jù)學(xué)生對虛擬平臺應(yīng)用的調(diào)查問卷顯示，有85%以上的學(xué)生認(rèn)為該模式能增加學(xué)習(xí)興趣、豐富學(xué)習(xí)資源并開闊視野，有80%以上的學(xué)生認(rèn)為有利于自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)及科研思維的形成。近兩年，學(xué)生參加各級大學(xué)生科技活動人數(shù)明顯增加，由免疫學(xué)教師指導(dǎo)幾位學(xué)生研究的《發(fā)熱伴血小板減少綜合征患者血清內(nèi)抗體IgG中和活性及其影響因素分析》獲得2021全國大學(xué)生基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究暨實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽二等獎。

4.2 存在問題

首先，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開設(shè)對教師和學(xué)生帶來新的挑戰(zhàn)，需要師生良好的配合與付出。虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)的構(gòu)思、撰寫、制作以及教學(xué)運(yùn)用中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，是一個(gè)謹(jǐn)慎的過程，都需要反復(fù)推敲改進(jìn)，教師團(tuán)隊(duì)需精心籌劃并不斷學(xué)習(xí)各方面知識，才能不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法[11]。其次，學(xué)生用手機(jī)運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，字體和物品較小，選擇與操作起來不太方便；實(shí)驗(yàn)室電腦運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)卡頓等棘手問題，這與平臺的穩(wěn)定性和電腦硬件配套有關(guān)，需要學(xué)校更多的政策來支持和維護(hù)，以保證安全運(yùn)行和管理[12]。再次，為了充分調(diào)動起學(xué)生的積極性，還需要提升平臺的數(shù)據(jù)管理功能，比如可以記錄學(xué)生的登錄次數(shù)和瀏覽時(shí)間，學(xué)生與教師的互動功能、在線測試專區(qū)等，教師可以據(jù)此給學(xué)生適合的形成性評價(jià)[13]，并且增加這種形成性評價(jià)在學(xué)科總成績中的比例，可提高學(xué)生線上學(xué)習(xí)的積極性，開闊視野、拓展思維，有助于綜合素質(zhì)能力的提升。

5 結(jié)語

通過構(gòu)建的免疫學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺輔助傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是把現(xiàn)代信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)專業(yè)知識深度融合的有益嘗試。采取虛實(shí)結(jié)合、線上與線下教學(xué)相融合的教學(xué)模式，可以較輕松地使學(xué)生把抽象深奧的免疫學(xué)理論融會貫通，對學(xué)生知識體系的構(gòu)成必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[14]。同時(shí)平臺的使用使學(xué)生獲得知識途徑增加，便于自主學(xué)習(xí)能力的提升，高等素質(zhì)教育的核心要求就是加強(qiáng)對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐中取得了一定成效，但如何提高教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量，還須進(jìn)一步探討。未來在增強(qiáng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)本校教學(xué)大綱，期待設(shè)計(jì)出更適合學(xué)生的具有自主特色的綜合實(shí)驗(yàn)，利用信息技術(shù)不斷更新教育理念、變革教育模式[15]，培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)的高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才。