醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

任向宇，包麗麗，孫曉琳，殷兆麗，孫傳凱，李 戀，福 泉

（1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010059；2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010059）

醫(yī)學(xué)微生物學(xué)作為微生物學(xué)的一門分支學(xué)科，是聯(lián)系基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的橋梁學(xué)科，包含理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)習(xí)、理解及掌握本學(xué)科理論知識(shí)的重要途徑，有助于學(xué)生的知識(shí)延伸和能力訓(xùn)練。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，新的醫(yī)學(xué)理論和技術(shù)層出不窮，之前單純以經(jīng)典實(shí)驗(yàn)操作為主的教學(xué)模式也迎來了重大改革，如何利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量成為亟待解決的問題。

虛擬仿真技術(shù)是信息技術(shù)高速發(fā)展的成果，將其融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。虛擬仿真技術(shù)主要有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)以及三維展現(xiàn)技術(shù)等，可利用這些技術(shù)將不具備開設(shè)條件或?qū)嶒?yàn)難度較大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬化，讓學(xué)生在模擬環(huán)境中獲得與真實(shí)環(huán)境一致的實(shí)驗(yàn)效果。一直以來我校都高度重視并積極開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，2015年教育部批準(zhǔn)我校國(guó)家級(jí)蒙醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，其中包括病原生物學(xué)虛擬仿真部分[1]。經(jīng)過幾年的發(fā)展，我校已積累了豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，課程團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)過多次研討，并結(jié)合前期積累的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，在軟件公司協(xié)助下共同開發(fā)了一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1 開展醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

1.1 保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的生物安全

醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)材料主要是病原微生物，生物安全一直是伴隨其發(fā)展的一個(gè)重要問題[2]。2020年2月14日在中央全面深化改革委員會(huì)第十二次會(huì)議上，生物安全被納入了國(guó)家安全體系，讓所有人切實(shí)認(rèn)識(shí)到了加強(qiáng)生物安全管理和防護(hù)的重要性。醫(yī)學(xué)微生物學(xué)的研究對(duì)象比較特殊，是可致病微生物，尤其是一些具有危險(xiǎn)性的高致病性微生物（如破傷風(fēng)梭狀芽孢桿菌、炭疽芽孢桿菌、結(jié)核分枝桿菌），相關(guān)實(shí)驗(yàn)都伴隨有生物安全問題。在本科階段由于設(shè)備條件的限制，難以普遍開設(shè)微生物實(shí)驗(yàn)，為防止實(shí)驗(yàn)室感染也難以開放實(shí)驗(yàn)室。在已經(jīng)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)中，由于低年級(jí)學(xué)生生物安全意識(shí)相對(duì)淡薄，在實(shí)驗(yàn)操作中稍有疏忽就會(huì)導(dǎo)致感染等安全事故，如個(gè)人防護(hù)不徹底、使用儀器和操作不規(guī)范、實(shí)驗(yàn)后不消毒、隨意處理實(shí)驗(yàn)物品等，而且部分實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢棄物也可能污染環(huán)境或存在致病風(fēng)險(xiǎn)，需要通過專門途徑回收并進(jìn)行高壓滅菌處理[3]。因此，如何在保證師生安全的情況下盡量多開展實(shí)驗(yàn)，一直是醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向。而虛擬仿真技術(shù)能夠有效規(guī)避高危實(shí)驗(yàn)帶來的生物安全問題，且可長(zhǎng)期、大范圍、重復(fù)使用，符合醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向。

1.2 拓展和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

虛擬實(shí)驗(yàn)由于不受病原微生物、試劑、儀器等條件制約，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作階段學(xué)生可反復(fù)進(jìn)行模擬操作，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟的理解，為探究綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)節(jié)省出時(shí)間，為學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新思維和科學(xué)精神的培養(yǎng)提供有力保障[4]。尤其重要的是，本課程團(tuán)隊(duì)將分子生物學(xué)法分類鑒定細(xì)菌、人痰液中結(jié)核分枝桿菌的檢驗(yàn)、流感病毒雞胚培養(yǎng)及血凝血抑等實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為仿真教學(xué)資源，豐富并優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容。利用微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠同時(shí)滿足臨床醫(yī)學(xué)、蒙醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)、護(hù)理學(xué)、藥學(xué)、中醫(yī)學(xué)和制藥工程等多專業(yè)各層次學(xué)生的培養(yǎng)要求，達(dá)到了拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

1.3 突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空局限

隨著醫(yī)學(xué)專業(yè)招生人數(shù)逐年增加，各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)都面臨著經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、儀器、設(shè)備、教師等資源相對(duì)匱乏的問題。醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)除急需解決以上問題外，還面臨著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課時(shí)一再刪減及生物安全問題。目前僅開展了一些經(jīng)典常用實(shí)驗(yàn)，如無菌操作、細(xì)菌接種、顯微鏡使用等，有些需要精密儀器和昂貴耗材、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)不能在本科階段開展。這既阻礙了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的提升，又與快速發(fā)展的臨床醫(yī)學(xué)教育嚴(yán)重脫節(jié)。傳統(tǒng)課堂現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)具有一次性和即逝性，因此部分學(xué)生不能完全掌握規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作方法。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)不再在某個(gè)固定空間進(jìn)行，師生通過網(wǎng)絡(luò)聚集在虛擬實(shí)驗(yàn)空間，教學(xué)變得更加開放。教師在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中隨時(shí)反復(fù)展示標(biāo)準(zhǔn)操作，既培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備、器械正確使用的習(xí)慣，又強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)技術(shù)的規(guī)范化操作，有利于提高其專業(yè)技能。這較好地體現(xiàn)了在線教學(xué)和現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)節(jié)約了教學(xué)成本[5]。

2 醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

根據(jù)教育部要求，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要充分體現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則[6]，本課程團(tuán)隊(duì)緊扣此原則，和軟件公司共同構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由4 個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊組成（見圖1）。

圖1 醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Figure 1 Medical microbiology virtual simulation experiment platform

2.1 實(shí)驗(yàn)室安全教育模塊

實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行始終是高校實(shí)驗(yàn)室管理工作的重中之重[7]。針對(duì)學(xué)生安全意識(shí)薄弱問題，我們?cè)O(shè)置了實(shí)驗(yàn)室安全教育模塊，包括生物安全常識(shí)、實(shí)驗(yàn)廢棄物的處理、危險(xiǎn)化學(xué)品的使用及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備（如高壓蒸汽滅菌器、生物安全柜）的標(biāo)準(zhǔn)化操作等內(nèi)容。同時(shí)還補(bǔ)充了一些安全事故應(yīng)急處置方法方面的教學(xué)內(nèi)容，如實(shí)驗(yàn)容器破碎、酒精等易燃液體引起明火、離心機(jī)異常轉(zhuǎn)動(dòng)等緊急情況，切實(shí)提高學(xué)生安全事故處置能力，預(yù)防安全事故的發(fā)生。

2.2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源模塊

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源模塊包括微生物數(shù)字切片系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)操作兩部分內(nèi)容。我們把細(xì)菌、真菌及其他微生物如衣原體、螺旋體等的基本形態(tài)及特殊結(jié)構(gòu)標(biāo)本片，全部利用數(shù)字化3D 掃描技術(shù)處理生成全視野的數(shù)字化切片（即虛擬切片），尤其是將本實(shí)驗(yàn)室保存完好的珍貴稀有的標(biāo)本片掃描成數(shù)字圖像永久保存。數(shù)字切片不但把玻璃切片上的微生物的大小、形狀、結(jié)構(gòu)排列和革蘭染色等重要信息完美呈現(xiàn)出來，而且不依賴于顯微鏡的性能，圖像質(zhì)量不會(huì)隨時(shí)間改變，既方便學(xué)生隨時(shí)調(diào)取圖像觀察，又解決了傳統(tǒng)玻璃切片不易保存、數(shù)量限制的問題[8]。同時(shí)，我們還將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)操作，如革蘭染色、抗酸染色、鞭毛染色等常用細(xì)菌染色法，光學(xué)顯微鏡的使用，細(xì)菌無菌接種，藥敏實(shí)驗(yàn)，生化鑒定等，整合成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這部分經(jīng)典實(shí)驗(yàn)可以作為學(xué)生學(xué)習(xí)和鞏固醫(yī)學(xué)微生物學(xué)理論知識(shí)及實(shí)驗(yàn)技能的引導(dǎo)，為下一層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)建立知識(shí)框架。學(xué)生可以提前預(yù)習(xí)并反復(fù)進(jìn)行操作，從而在線下課堂上更好地掌握規(guī)定的學(xué)習(xí)內(nèi)容，增強(qiáng)課堂學(xué)習(xí)效果。

2.3 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)M模塊

醫(yī)學(xué)微生物學(xué)主要研究與醫(yī)學(xué)相關(guān)的細(xì)菌、病毒和真菌等病原微生物，種類繁多，相互之間邏輯性不強(qiáng)。臨床常見細(xì)菌的分離鑒定方法、形態(tài)特征、菌落特點(diǎn)、生化反應(yīng)特性等由于實(shí)驗(yàn)條件和課時(shí)限制不能全部展示給每個(gè)學(xué)生。實(shí)驗(yàn)條件要求高、生物安全難以保證等因素限制了醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)在本科階段的廣泛開展，部分高校采用示教或錄像形式完成實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生很容易忽略相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。在臨床上病毒是新發(fā)傳染性疾病最常見的病原體，其流行極大地威脅著公眾健康，要引起醫(yī)學(xué)工作者的重視。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)可以解決以上問題。我們按照實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)了綜合設(shè)計(jì)性虛擬實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成員將膿汁標(biāo)本的細(xì)菌學(xué)檢驗(yàn)、腸道病原菌的分離鑒定、結(jié)核分枝桿菌的微生物學(xué)診斷、流感病毒的分離鑒定等通過案例分析方式列出實(shí)驗(yàn)流程供學(xué)生參考。詳細(xì)流程：查閱文獻(xiàn)資料后選定實(shí)驗(yàn)題目—利用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源模塊學(xué)習(xí)過程中以及在其他實(shí)驗(yàn)課程中掌握的實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)—規(guī)劃儀器耗材的用量和規(guī)格等實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)并開展預(yù)實(shí)驗(yàn)—通過預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定最終實(shí)驗(yàn)方案—正式開展實(shí)驗(yàn)—將實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)歸納后用PPT 總結(jié)匯報(bào)。將這些實(shí)驗(yàn)中涉及的理論知識(shí)和操作技術(shù)分解成相對(duì)獨(dú)立簡(jiǎn)單的知識(shí)點(diǎn)及操作單元，學(xué)生可根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)方案選取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，確定實(shí)驗(yàn)條件。在此過程中，將實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、危險(xiǎn)性大、參與度低、靈活性小的微生物綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“模塊化”設(shè)置。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)沒有時(shí)空限制，教師把控實(shí)驗(yàn)的主要方向，學(xué)生作為主體參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，是鍛煉學(xué)生科研思維和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)的良好手段[9]。

除設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的細(xì)菌學(xué)檢驗(yàn)與鑒定綜合性實(shí)驗(yàn)外，為與臨床聯(lián)系更為緊密，我們還將分子生物學(xué)知識(shí)融入醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了PCR（生物學(xué)的聚合酶鏈反應(yīng)）法分類鑒定細(xì)菌虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。PCR 技術(shù)目前已在臨床醫(yī)學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)和食品檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛使用，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生及時(shí)掌握臨床實(shí)用技術(shù)，快速與臨床學(xué)科銜接。我們將PCR 的基本原理、應(yīng)用范圍以及儀器的組成、參數(shù)設(shè)置和使用規(guī)程制作成Flash展示給學(xué)生，以此激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。采用16S rDNA 基因擴(kuò)增法，以沙門菌屬為例，包括細(xì)菌基因組DNA 的提取、通用引物的設(shè)計(jì)、擴(kuò)增體系、反應(yīng)條件、基因測(cè)序和系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建等一系列實(shí)驗(yàn)。分子微生物學(xué)研究對(duì)象往往是肉眼不可見的微觀世界，因此對(duì)學(xué)生理解能力、空間想象能力要求高。通過虛擬仿真技術(shù)將實(shí)驗(yàn)中的微觀過程轉(zhuǎn)換成宏觀現(xiàn)象，有助于學(xué)生理解其中直接或間接的因果關(guān)系，將知識(shí)融會(huì)貫通，滿足不同層次的學(xué)習(xí)需求，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性[10]。

2.4 學(xué)習(xí)和考核模塊

平臺(tái)與互聯(lián)網(wǎng)鏈接后，任課教師可以隨時(shí)查看學(xué)生的點(diǎn)擊率、學(xué)習(xí)時(shí)間，實(shí)時(shí)回答學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的各種問題，及時(shí)對(duì)前3 階段的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行追蹤，且能及時(shí)與學(xué)生進(jìn)行交流。除平時(shí)的訓(xùn)練外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還設(shè)置了基本技能學(xué)習(xí)模式和考核模式。學(xué)習(xí)模式主要針對(duì)學(xué)生的易錯(cuò)點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵步驟設(shè)置考核。比如細(xì)菌的藥物敏感性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟和易出錯(cuò)的操作為菌種管的握持與拔塞方法、接種環(huán)的握法以及劃線方法、藥敏紙片的放置方法、抑菌圈直徑的測(cè)量、藥物敏感性結(jié)果判斷等。流感病毒雞胚培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中易錯(cuò)的操作為無菌操作技術(shù)、胚胎位置的標(biāo)記、病毒的接種位置等。針對(duì)流感病毒的血凝和血凝抑制實(shí)驗(yàn)中雞胚預(yù)冷的時(shí)間、病毒的倍比稀釋、病毒效價(jià)的判定等，可在相關(guān)步驟設(shè)置障礙，每一個(gè)步驟學(xué)生若操作失誤，都會(huì)有相應(yīng)的操作提示及規(guī)范的操作動(dòng)作展示。

通過學(xué)習(xí)模式已經(jīng)掌握操作規(guī)范的學(xué)生，可進(jìn)入考核模式完成實(shí)驗(yàn)考核?？己四Ｊ街惺紫葧?huì)隨機(jī)抽取數(shù)字切片讓學(xué)生辨認(rèn)微生物，隨后要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作。在沒有任何實(shí)驗(yàn)步驟或設(shè)備設(shè)置參數(shù)提示的情況下，學(xué)生需在20 分鐘內(nèi)獨(dú)自完成所有實(shí)驗(yàn)操作，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有完成操作者則視為考核未通過，要繼續(xù)回到學(xué)習(xí)模式，通過查找相應(yīng)扣分點(diǎn)針對(duì)性地反復(fù)練習(xí)。如果考核模式中有任何問題，學(xué)生也可以隨時(shí)切換至學(xué)習(xí)模式學(xué)習(xí)，此時(shí)在考核模式中之前的操作將取消，學(xué)生完成學(xué)習(xí)后重新參加考核，考核次數(shù)不受限制，直到對(duì)成績(jī)滿意為止。這樣就消除了傳統(tǒng)單一地通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平的弊端，真正做到把過程與結(jié)果有機(jī)融合在一起，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，還可以客觀公平地反映實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量及教師教學(xué)效果[11]。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步完善的方向

在今后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)中，應(yīng)注重與社會(huì)發(fā)展、人才培養(yǎng)目標(biāo)緊密結(jié)合，又要較好地融入本學(xué)科教學(xué)特色，重點(diǎn)探索與其他學(xué)科交叉的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[12]。（1）鼓勵(lì)教師自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目尤其是創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如開發(fā)與臨床醫(yī)學(xué)和地區(qū)發(fā)展密切相關(guān)的布魯氏菌病等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，為我校形成一套完整的多學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。（2）構(gòu)建虛實(shí)深度融合的范式與機(jī)制。經(jīng)過多年經(jīng)驗(yàn)積累，可以肯定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)課堂教學(xué)的積極作用，但其不能取代線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體地位。每次學(xué)生完成線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，待恢復(fù)線下教學(xué)還會(huì)對(duì)重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)再次進(jìn)行操作，由于前期學(xué)生已經(jīng)對(duì)本學(xué)科有了良好的認(rèn)知基礎(chǔ)，訓(xùn)練時(shí)會(huì)盲目操作，不但減少了安全隱患，而且大大提升了實(shí)驗(yàn)成功率。因此，本課程團(tuán)隊(duì)努力探索虛擬仿真教學(xué)方法，積極打造線上線下虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的同時(shí)歸納總結(jié)教學(xué)問題，團(tuán)隊(duì)合理反饋后形成軟件更新或改善的“初腳本”。這將起到優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的作用，同時(shí)也對(duì)團(tuán)隊(duì)教師提供了創(chuàng)新的方向，有利于對(duì)接“金課”標(biāo)準(zhǔn)，明確建設(shè)“金課”的思路和方向[13]，在校企合作基礎(chǔ)上爭(zhēng)取打造一批高質(zhì)量的虛擬仿真混合式“金課”，提升高校人才培養(yǎng)質(zhì)量。