醫(yī)學(xué)院校生物技術(shù)專業(yè)虛擬仿真平臺與生物安全教育教學(xué)結(jié)合研究

李康智 王凜

桂林醫(yī)學(xué)院智能醫(yī)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院 廣西桂林 541004

1 生物安全教育的必要性和緊迫性

實驗室是進行科學(xué)技術(shù)研究的基本場所，如何確保科學(xué)家和實驗人員安全有效地開展傳染性物質(zhì)研究，對于開展生物技術(shù)研究操作的實驗室而言尤為重要。生物安全實驗室是指在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，通過防護屏障和管理措施防止發(fā)生病原體或毒素暴露及釋放等，從而達到生物安全要求的生物實驗室。[1]

目前，高校實驗室安全培訓(xùn)仍存在諸多問題，如培訓(xùn)模式單一、缺乏后期評估、時效性較差等。因安全培訓(xùn)不到位，安全意識不強導(dǎo)致的安全事故在國內(nèi)外屢有報道。[2]在基因表達組技術(shù)實驗室開發(fā)研發(fā)中，要進行的整個過程作業(yè)通常包括目的基因的獲取、基因表達載體的構(gòu)建、將目的基因?qū)胧荏w細胞、目的基因的檢測與鑒定。在這一過程中，實驗人員將接觸各種專業(yè)儀器和各類試劑藥品、微生物以及特殊實驗環(huán)境。潛在的危害有實驗儀器和有毒化學(xué)試劑的危害、實驗環(huán)境副產(chǎn)物的危害、實驗動物和實驗微生物的危害等，尤其在操作有危險性的供受體。此外，因操作不當(dāng)而可能導(dǎo)致的事故造成的意外后果均有可能給實驗人員、實驗環(huán)境以及實驗儀器帶來重大危害。

孔令明等提出“材料風(fēng)險可通過設(shè)備設(shè)施的完善而隨之降低，但人員風(fēng)險的降低則需要通過安全培訓(xùn)來提高生物安全意識?！?/p>

目前，生物實驗室的安全風(fēng)險，一部分來源于所處理的生物材料，另一部分則來源于不確定的人員因素。前者的危險性是已知的，而后者的危險性卻是未知的。[3]

學(xué)?，F(xiàn)有的安全培訓(xùn)有以下這些形式：

(1)利用學(xué)校易班，面向全校學(xué)生開展實驗室安全知識線上有獎競賽。

(2)組織現(xiàn)場知識競賽，要求各二級學(xué)院(系、部)派出一支參賽隊伍進行參賽。

(3)以固定展板、微信公眾號、易班等多種形式展示近年來實驗室典型安全事故及實驗室安全常用知識，開展警示教育活動。

(4)組織本學(xué)院在校生，通過模擬危險化學(xué)物質(zhì)的泄漏、緊急處置和逃生等演習(xí)組織本單位在校生，通過模擬實驗室突發(fā)火情，組織實驗室工作人員應(yīng)急疏散，并進行實驗室消防緊急逃生演習(xí)。

(5)開展實驗室安全知識教育專題講座。

(6)開展實驗室安全倡議活動。

在安全培訓(xùn)的形式方面，學(xué)校非常重視，多層次地鋪開培訓(xùn)內(nèi)容。但就培訓(xùn)對象而言，沒有滿足各個層面的實驗人員需求，這些人員包括新入職人員、本科生、研究生、博士生以及教師隊伍。應(yīng)根據(jù)不同層次人員的知識儲備、經(jīng)驗等，設(shè)計不同層次的培訓(xùn)內(nèi)容。在進行培訓(xùn)之前，需要充分調(diào)研被培訓(xùn)者的需求與其對實驗室的了解程度。此外，實驗室周期性地引進新設(shè)備、新藥品等，安全培訓(xùn)也應(yīng)相應(yīng)地做出調(diào)整，與時俱進。

基于上述因素，選擇了問卷星進行問卷調(diào)查，共獲得了十六生本學(xué)科的一百一十三篇問卷，內(nèi)容涉及了實驗室生物安全概述、生物安全柜、高壓消毒鍋、實驗動物、氣溶膠、消毒等各個層面。針對學(xué)生中出現(xiàn)的情況：同學(xué)在平時教學(xué)中根本就沒了解過生物安全柜，對生物安全柜的認(rèn)識也不足，以為揮發(fā)性有害物、非感染性材料一定要在生物安全柜中使用，這屬于常識性的錯誤，在今后的教學(xué)上應(yīng)該注重講解生物安全柜的使用相關(guān)事宜，并進行現(xiàn)場教學(xué)，給同學(xué)以更直觀的教學(xué)。其中有同學(xué)建議：“需要設(shè)置實驗室生物學(xué)安全性相關(guān)課程，對于生物技術(shù)專業(yè)來說，需要經(jīng)常在實驗室進行操作，這個課可以不需要那么多的學(xué)時?？梢赃m當(dāng)設(shè)置學(xué)生講堂，讓學(xué)生親自了解，更多地深入了解實驗室安全生產(chǎn)技術(shù)管理，讓學(xué)生自己動手操作，深化印象，結(jié)束時可以用概括的方式作為學(xué)年總結(jié)。”這是很有代表性的意見，也體現(xiàn)了學(xué)生們的主動學(xué)習(xí)能力，應(yīng)該受到授課教師的關(guān)注，應(yīng)將它作為教改的一項重點。

在調(diào)查中，百分之八十的同學(xué)提出生物安全教學(xué)應(yīng)當(dāng)以實際為主，理論為輔。其中有同學(xué)認(rèn)為，目前的生物安全概論教材還是作為一個選修教材，今后也應(yīng)該作為必考專業(yè)課進行教學(xué)。而學(xué)校還缺少比較系統(tǒng)的生物安全訓(xùn)練體系，也就是對生化產(chǎn)品的泄漏事項訓(xùn)練以及生物安全事故訓(xùn)練、爆炸事故訓(xùn)練等。實驗室管理方面應(yīng)該向其他管理先進的高校進一步學(xué)習(xí)，以建立一個更加嚴(yán)密完善的管理制度，并貫徹與執(zhí)行。但本次調(diào)查范圍還比較小，存在著一定的局限性。今后還可以擴大調(diào)查范圍，角度更加多樣化，為生物安全工作提供信息化建設(shè)保證，積極構(gòu)建實驗室安全信息宣傳網(wǎng)絡(luò)平臺，運用微信等公共賬號的方式宣傳生物安全的必要性，盡快建立健全管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。

基于上述實驗室安全訓(xùn)練不落實所帶來的一系列問題，根據(jù)傳統(tǒng)的安全訓(xùn)練所暴露出的缺點，借鑒國外先進管理經(jīng)驗，需要建立出一個更加靈活且有效的安全訓(xùn)練體系。

2 生物技術(shù)虛擬仿真項目現(xiàn)狀

在生物技術(shù)綜合實驗虛擬仿真項目建設(shè)中遵循“科學(xué)規(guī)劃、資源共享、突出重點、注重創(chuàng)新”的指導(dǎo)思想，堅持“學(xué)生為本，服務(wù)教學(xué)”的基本原則，將生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、實驗動物學(xué)、生物工程、生物醫(yī)學(xué)工程等生物學(xué)學(xué)科的教學(xué)資源進行有機整合，以案例式教學(xué)模式，將已有的教學(xué)資源進行集成并數(shù)字化，把生物技術(shù)的相關(guān)課程聯(lián)系起來，建立虛擬仿真實驗項目。[4]

生物技術(shù)綜合實驗主要由移液槍的基本操作、重組質(zhì)粒提取、DNA瓊脂糖凝膠電泳、生物醫(yī)學(xué)細胞培養(yǎng)綜合試驗、普通PCR、紫外分光光度計檢測RNA含量與純化、RNA逆轉(zhuǎn)錄、熒光定量PCR、蛋白質(zhì)變性與SDS-PAGE電泳、Western Blot測定蛋白質(zhì)表達等多項虛擬仿真實驗構(gòu)成。本試驗的主要目的是讓學(xué)生全面掌握大分子細胞生物實驗常規(guī)儀器設(shè)備的應(yīng)用，包括移液槍、震蕩培養(yǎng)箱、電泳儀、細菌培養(yǎng)箱、超凈工作臺、紫外分光光度計，以及PCR儀等；掌握質(zhì)粒提取、DNA電泳、細菌培育、逆轉(zhuǎn)錄、熒光定量PCR、蛋白質(zhì)電泳法和Western Blot法等的基本原理、有關(guān)知識點，以及具體實踐運用；串聯(lián)分子克隆、細菌培育、基因組的相對定量檢測和蛋白質(zhì)分析等基礎(chǔ)知識，使學(xué)生將所學(xué)分子生物、細胞生物學(xué)、遺傳學(xué)和基因組工程技術(shù)等基本理論知識融會貫通，全面系統(tǒng)地了解生物科學(xué)技術(shù)核心理論知識。

本項目各實驗包含實驗?zāi)康?、實驗原理、教學(xué)視頻、虛擬操作、結(jié)果展示、思考題等模塊。虛擬實驗操作分為預(yù)習(xí)實驗、配制試劑、儀器使用、實驗操作、結(jié)果分析等。學(xué)習(xí)者首先采用視頻教學(xué)的方式掌握生物實驗基本原理和有關(guān)基礎(chǔ)知識，并熟悉生物實驗的所需試劑、耗材和儀器設(shè)備，進而通過模擬實驗操作全過程，牢記生物實驗程序和實踐操作的基本要領(lǐng)。

3 一些生物技術(shù)實驗中的藥品以及設(shè)備危害

生物技術(shù)實驗室的安全管理體系主要構(gòu)建在以下二種模式之上：一種是日常安全管理體系，既適合于其他各類實驗室對安全管理體系的日常需要，又適合于生物技術(shù)實驗室的標(biāo)準(zhǔn)化；二是在專門面對的生物安全問題(biosafety)方面，生物技術(shù)實驗室應(yīng)制訂有相適應(yīng)的生物安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格地實施實驗作業(yè)人員技術(shù)培訓(xùn)，以確保實驗工作人員和設(shè)備的安全性。例如，在NIH最早制定的《重組DNA研究準(zhǔn)則》中就已經(jīng)有關(guān)于基因工程安全控制系統(tǒng)的明確規(guī)定，提出了可以通過物理控制和生物控制兩個方面的方法來進行控制。發(fā)展到今天，世界各國有關(guān)基因工程安全管理的法律法規(guī)也都遵從了這一標(biāo)準(zhǔn)。

另外，1976年，美國加州國立健康研究中所在國際Asilomar會議研討的基礎(chǔ)上，提出并發(fā)表了《重組DNA研究準(zhǔn)則X簡稱《安全準(zhǔn)則》)。為減少可能出現(xiàn)的風(fēng)險，《安全準(zhǔn)則》除規(guī)定禁止了一些種類的重組DNA試驗以外，還提出了不少具體的規(guī)范條文，例如，在生物實驗安全保護方面，就明確規(guī)定了在物理保護與生物保護措施兩方面的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

例如，實驗人員在做凝膠時會使用溴化乙啶，在實驗中應(yīng)做好隔離防護工作，要穿隔離服、戴口罩、戴手套等。

另外，實驗中用到的氯仿屬于有毒有害試劑。衛(wèi)生危險性：主要效應(yīng)于心臟精神控制，產(chǎn)生強烈麻醉療法效應(yīng)，對心、肝、腎均有損害。環(huán)保威脅：對自然界有威脅。燃爆風(fēng)險：本品不燃，危險，具刺激性。

實驗中常用的儀器設(shè)備有離心機、高壓滅菌鍋、電泳系統(tǒng)、凝膠成像系統(tǒng)。這些儀器操作不當(dāng)，會給實驗人員帶來極大危害。

離心機經(jīng)常出現(xiàn)的問題有高溫燃燒爆裂、操作失敗、機器傷人、銹蝕致使的輪鼓破裂和反常振動等。

高壓滅菌鍋：由于不同的教學(xué)實驗要求，各實驗室所使用的大功率高壓蒸氣滅菌鍋的品種和型式差異巨大，且學(xué)生對滅菌鍋使用技術(shù)的掌握水平程度也參差不全，容易出現(xiàn)潛在火災(zāi)隱患，因此科學(xué)合理防范非常有必要。主要會出現(xiàn)的問題在于：(1)高溫蒸汽灼傷；(2)滅菌鍋排氣帶來的實驗室污染。

電泳系統(tǒng)：因為電泳緩沖液溶液一般為酸性鹽溶液，如果保持在電泳槽內(nèi)，會由于水分蒸發(fā)而導(dǎo)致濃度發(fā)生變化，同時電泳槽的電極一般為裸露的金屬，容易被電泳緩沖液污染腐蝕并電解。

凝膠成像系統(tǒng)：要防止EB污染儀器，就不能用污染的手套接觸凝膠成像系統(tǒng)的門，進行軟件操作時同樣不能被污染的手套接觸。觀測用EB(溴乙錠)染色的凝膠時，注意不要污染儀器表面。千萬不要用手直接接觸凝膠，或戴著接觸過凝膠的手套去接觸儀器的門和觀測臺的把手。

4 對于虛擬仿真項目與生物安全教育教學(xué)相結(jié)合的建議

目前，醫(yī)科高校對學(xué)生生物安全意識的培訓(xùn)，和對學(xué)生生物安全實驗室開展高等級實踐能力的培養(yǎng)，但由于客觀條件的限制，并沒有建立生物感性認(rèn)識和實踐訓(xùn)練的平臺。因此急需采用新型的教學(xué)方法，使學(xué)生掌握細菌等培養(yǎng)的有關(guān)方法，夯實基礎(chǔ)知識，進一步提高教學(xué)質(zhì)量。將采用虛擬仿真教學(xué)方式，對學(xué)生和有關(guān)技術(shù)人員進行實驗室全過程應(yīng)用訓(xùn)練。培育學(xué)生生物安全意識，熟悉生物安全實驗室的主要構(gòu)造、特點以及控制原理與應(yīng)用技術(shù)；學(xué)會生物安全專業(yè)技能，如生物安全實驗室內(nèi)的個人保護與環(huán)境防范工作要點、高污染性物質(zhì)的處理技術(shù)和生物安全的實驗儀器設(shè)備應(yīng)用技術(shù)等。首先，測試?yán)蠋熢谏险n前通過網(wǎng)上培訓(xùn)平臺上傳與測試相關(guān)的教學(xué)信息資源，然后提出討論題，并提供具體實施條件，例如通過互聯(lián)網(wǎng)傳送的PPT、教案、微課程視頻、理論測試問題和導(dǎo)引問題。然后，由老師在課堂教學(xué)上根據(jù)學(xué)生上課時前所翻閱有關(guān)參考的情況，并交代了測試條件和目的后，有針對性地介紹了虛擬實驗過程中所包含的測試技術(shù)基本原理和動作過程，并使用3D環(huán)幕版軟件，展示了虛擬實驗的測試過程。學(xué)生可以使用PC版軟件在計算機端登錄系統(tǒng)完成實踐練習(xí)，而學(xué)生們在進行了實踐和教學(xué)的交流之后，要進行實驗報告，并解答教學(xué)前的引導(dǎo)問題。研究報告中還應(yīng)包含了對虛擬仿真試驗軟件的評價和應(yīng)用心得體會，以及與團體內(nèi)其他成員的模擬試驗成果進行互評。學(xué)習(xí)者在課后也可以預(yù)約VR版的實踐機會，并進行相應(yīng)練習(xí)，以提高實踐操作過程。在確保實驗者安全性的前提下，強烈的直觀感受讓他們摒棄了因枯燥的知識傳授過程而產(chǎn)生抵觸情緒，并幫助其正確地建立生物安全意識，從而提高生物安全保障能力，為將來實際走向的高等生物安全實驗室建設(shè)提供了心理準(zhǔn)備與知識準(zhǔn)備。針對生物安全檢測的自然環(huán)境要求特征，使用最優(yōu)秀的虛擬現(xiàn)實仿真方法可以更高效地解答實際實驗室自然環(huán)境要求的匱缺問題。通過對生物安全實驗室的必要基礎(chǔ)設(shè)施、個人保護、測驗操作過程等環(huán)節(jié)的介紹，并結(jié)合了VR頭盔版所提供的浸泡式體驗，讓每個使用者都可以“進入”生物安全試驗室，以科學(xué)實驗參與者的身份“使用”相關(guān)設(shè)備，讓使用者在浸入虛幻現(xiàn)實情景與人物的同時，跟隨著科學(xué)實驗進行自由地探索并完成測驗教學(xué)內(nèi)容。為提高學(xué)習(xí)者的實際工作能力，我們將實際工作過程加以分拆，并將其中可以在實際實驗教學(xué)中進行的部分項目設(shè)計為模擬仿真實驗，以豐富實際工作內(nèi)容；把不能“實”的訓(xùn)練“虛幻化”，并通過虛擬實驗彌補“實”的不足，虛實結(jié)合，以完成學(xué)生在高等級生物安全實驗室中進行操作的整個流程練習(xí)。

以上過程同樣適用于初次進入生物技術(shù)實驗室的實驗人員。

結(jié)語

綜上所述，實驗室安全教育與虛擬仿真項目相結(jié)合具備可行性。虛擬仿真技術(shù)的加入，使實驗室安全教育變得更加多樣化，實驗人員的人身安全可得到更有效的保障，在這樣一個安全的實驗環(huán)境中，實驗工作將得以有條不紊地進行。