我校病原生物學(xué)虛擬仿真實驗室建設(shè)及思考

唐媛媛，李 群，李京培，王曉楠，劉莉茵，楊 晨

（安徽醫(yī)科大學(xué)，安徽 合肥 230032）

病原生物學(xué)是一門實驗性和探索性很強(qiáng)的學(xué)科，主要研究微生物學(xué)和寄生蟲學(xué)與人類疾病的關(guān)系問題，是醫(yī)學(xué)學(xué)科重要的基礎(chǔ)課程。病原生物學(xué)實驗是該課程的重要組成部分，它還是很多交叉學(xué)科的基礎(chǔ)實驗課程，很多專業(yè)領(lǐng)域都涉及病原生物學(xué)實驗。當(dāng)前病原生物學(xué)實驗教學(xué)還存在一些問題，致使實驗課教學(xué)效果大打折扣。因此，如何改進(jìn)病原生物學(xué)實驗課程，提高該課程實驗教學(xué)效果，是值得深入探討的問題。虛擬仿真實驗這一概念誕生于1989年，最早由美國弗吉尼亞大學(xué)WilliamWolf教授提出[1]，用軟件代替硬件，通過編程模擬實驗的過程，整個實驗在虛擬環(huán)境中以虛擬的形式完成，不涉及真正的實驗儀器設(shè)備，即用虛擬實驗代替實驗室的實驗。目前該項技術(shù)已越來越多地運用到高校實驗教學(xué)中。對于現(xiàn)實中不具備條件或難以完成的實驗教學(xué)內(nèi)容，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練[2]，虛擬仿真實驗室可提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實驗環(huán)境，達(dá)到教學(xué)互動、資源共享、不受時空限制、全天候的信息化實驗教學(xué)的目的[3]。虛擬仿真實驗大大降低了教師準(zhǔn)備實驗的難度、學(xué)生實驗的風(fēng)險，有效保證了實驗教學(xué)質(zhì)量。因此在高校教學(xué)改革的背景下，虛擬實驗教學(xué)顯得尤為重要。此外，大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程（MOOC）已經(jīng)成為我國國家精品開放課程建設(shè)項目的重要組成部分，亦是國家建設(shè)虛擬仿真重點實驗室的重要促進(jìn)力量[4]。2013年教育部發(fā)布《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函[2013]94號），明確提出高校建設(shè)虛擬仿真實驗室的重要性[5]。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在的主要問題

1.1 課時數(shù)相對較少，不能滿足實驗周期的需要

傳統(tǒng)病原生物學(xué)實驗內(nèi)容簡單陳舊，驗證性實驗過多，缺乏設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗。教學(xué)方式單一，缺乏趣味性，課堂互動少，學(xué)生在實驗過程中缺乏主動性。實驗時間安排不盡合理，為了教學(xué)的方便實驗課一般安排的較為緊密，每周一次，每次2或4學(xué)時，但是有些實驗（比如微生物實驗）一般需要較長時間（少則一兩天，多則一兩周）的觀察分析才能獲得結(jié)果。例如：微生物的間歇培養(yǎng)，需要一直培養(yǎng)到微生物大批量死亡，并且要繪制生長曲線，在一兩天的時間內(nèi)很難完成。又如大多數(shù)檢驗專業(yè)和生物技術(shù)專業(yè)實驗步驟多，周期長，在設(shè)置的有限實驗課時內(nèi)，即使優(yōu)化實驗內(nèi)容，也難以使學(xué)生對實驗基本操作技能如細(xì)菌分離與接種達(dá)到熟練掌握的程度。同時，技能的生疏，可能造成學(xué)生在實驗過程中的失誤，無法完成實驗，也沒有足夠的時間補做（如兔子正確抓法、大鼠和小鼠體內(nèi)免疫抗原注射）。一些操作部分沒有充足時間鍛煉，使學(xué)生缺乏對實驗動物規(guī)范操作的認(rèn)識，易導(dǎo)致學(xué)生意外被動物抓咬傷，從而影響教學(xué)質(zhì)量。

1.2 實驗成本較高而實驗經(jīng)費相對短缺

臨床醫(yī)學(xué)、預(yù)防檢驗、生物技術(shù)專業(yè)實驗課實驗所消耗的材料和試劑價格較為昂貴，而實驗經(jīng)費相對緊張，加之對教學(xué)設(shè)備、場地、師資等要求較高，實驗開展受到諸多限制。生物技術(shù)專業(yè)現(xiàn)代發(fā)酵實驗課學(xué)生用到的儀器（如電泳儀、離心機(jī)等）往往屬于教學(xué)科研共用，為避免學(xué)生違反操作規(guī)程或操作疏忽而造成的儀器損壞，教學(xué)過程中，采用在教師指導(dǎo)下小組分配使用模式，甚至由教師固定人員代為操作，這使大部分學(xué)生對該儀器的認(rèn)識處于模糊狀態(tài)。這些因素間接影響了實驗教學(xué)效果，不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題能力。

1.3 實驗過程復(fù)雜不利于開展設(shè)計性實驗

設(shè)計性實驗要求學(xué)生在理解實驗原理的前提下，能夠靈活運用實驗技能，并且能舉一反三。而醫(yī)學(xué)檢驗和生物技術(shù)專業(yè)實驗處理過程比較復(fù)雜，專業(yè)化程度較高，且相關(guān)技術(shù)和方法更新快，即使研究生也需一定時間的專業(yè)培訓(xùn)和準(zhǔn)備，才能獨立完成相關(guān)實驗。僅僅進(jìn)行過少量驗證性實驗的本科生，一般難以在實驗設(shè)計層面做出合理有效的改進(jìn)，也無法保證實驗的可靠性。如利用細(xì)菌或病毒做抗原免疫動物制備相應(yīng)的多克隆抗體。第一步制備純抗原并鑒定，第二步制備佐劑，第三步如何選擇被免疫動物，第四步如何確定已產(chǎn)生多克隆抗體，第五步如何收集免疫動物多克隆抗體，第六步免疫動物多克隆抗體效價測定和檢定；此外，在整個實驗過程中還要注意生物安全問題。

2 虛擬仿真實驗室建設(shè)的必要性

2.1 突破時間和空間的限制，有效降低實驗成本

虛擬仿真實驗室是在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，不受時間、空間的限制，也避免了對實驗材料和實驗室儀器設(shè)備等的依賴性，可不受實驗條件、實驗次數(shù)和生物安全等的限制，給學(xué)生提供一個便捷安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。例如，因醫(yī)學(xué)微生物學(xué)培養(yǎng)等技術(shù)的特殊性，完整地完成某些實驗一般需要數(shù)天，許多耗時步驟需教師提前準(zhǔn)備，學(xué)生只是完成其中的關(guān)鍵操作，但在虛擬仿真實驗室，學(xué)生可以獨立完成整個實驗，達(dá)到了自己模擬準(zhǔn)備實驗、正式實驗和實驗清場全過程體驗的目標(biāo)。在技術(shù)更新而設(shè)備暫時無法跟進(jìn)的情況下，可以通過軟件設(shè)計使虛擬儀器不斷補充，以較小的成本保持實驗課程的先進(jìn)性、全面性、完整性[6]。

2.2 避免傳統(tǒng)實驗可能的風(fēng)險

病原生物學(xué)實驗操作中，不可避免地涉及許多具有致病性的病原菌（如金黃色葡萄球菌、傷寒桿菌、福氏痢疾桿菌等）和有毒試劑，如PCR擴(kuò)增DNA電泳實驗的必需試劑EB染液具有致癌性；蛋白質(zhì)電泳實驗的聚丙烯酰胺，直接接觸皮膚或由呼吸道吸入后具有神經(jīng)毒性。這些因素都直接影響實驗教學(xué)的順利開展。如果僅僅通過教師的口頭講述或者播放視頻的方式來指導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生缺乏切身體會，無法真正掌握實驗技能。在虛擬仿真實驗室中，學(xué)生模擬真實實驗操作，在有生物安全風(fēng)險或者操作比較復(fù)雜的地方設(shè)置提示和后果場景，使學(xué)生能夠清楚地認(rèn)識實驗的關(guān)鍵部分，并加深印象。與此同時，避開了真實實驗中所需要的致病菌、各種毒性試劑等的消耗排放，對周圍的環(huán)境也是一種很好的保護(hù)。

2.3 給實驗課的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)提供了平臺

病原生物學(xué)實驗、醫(yī)學(xué)與預(yù)防檢驗實驗和生物技術(shù)發(fā)酵實驗步驟復(fù)雜，涉及的知識點較多，需要學(xué)生通過預(yù)習(xí)來理解實驗原理，熟悉實驗方法。傳統(tǒng)通過精讀講義和說明書的預(yù)習(xí)方式，因有些專業(yè)表述晦澀難懂，效果欠佳，往往需要教師在實驗前再次強(qiáng)調(diào)。虛擬仿真實驗室可讓學(xué)生實驗前有針對性地體驗整個操作過程，為進(jìn)入實驗室進(jìn)行實際操作奠定基礎(chǔ)。實驗完成后，由于受主客觀條件限制，一般難以重復(fù)實驗，實驗過程中的疑點往往得不到驗證。虛擬仿真實驗室可以讓學(xué)生進(jìn)行無限制性、多次的模擬實驗，甚至可以根據(jù)學(xué)生的意愿選擇性調(diào)節(jié)實驗進(jìn)程，從而使學(xué)生看到傳統(tǒng)實驗條件下容易忽略的細(xì)節(jié)，加深對知識點的理解，是較好的鞏固與復(fù)習(xí)的手段。課后還可隨時在網(wǎng)絡(luò)上復(fù)習(xí)、鞏固實驗內(nèi)容，打破了時間與空間的限制，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果[7]。

在全國高校教學(xué)改革浪潮的引領(lǐng)下，安徽醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病原生物學(xué)實驗室本著提升實驗教學(xué)質(zhì)量、重組和優(yōu)化現(xiàn)有教學(xué)資源宗旨，積極進(jìn)行微生物學(xué)、免疫學(xué)和人體寄生蟲學(xué)實驗教學(xué)的整合，改進(jìn)實驗設(shè)計，并取得了階段性成果。但是目前的教學(xué)形式、教學(xué)條件等在一定程度上不能滿足實驗課的要求，尤其是一些有著高危險性、高難度的實驗，而虛擬仿真實驗室的構(gòu)建正在為我們解決上述難題。

3 虛擬仿真實驗室建設(shè)

3.1 背景介紹

安徽醫(yī)科大學(xué)病原生物與免疫學(xué)實驗室于2011年已開展醫(yī)學(xué)病原形態(tài)學(xué)虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)與應(yīng)用。建立了病原微生物的虛擬仿真圖片庫，將微生物學(xué)、寄生蟲學(xué)實驗教學(xué)示教片載入虛擬顯微鏡系統(tǒng)，在不同放大倍數(shù)下掃描整張切片形成數(shù)字化虛擬切片，從而建立了病原生物虛擬仿真圖片庫。該庫目前掛在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站（http：//jcxnfz.ahmu.edu.cn/openlearning/）及病原與免疫學(xué)實驗室網(wǎng)站（http：//jcyxy.ahmu.edu.cn/bmzx/）供師生學(xué)習(xí)使用，并廣泛應(yīng)用于實驗教學(xué)。此外，安徽醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院于2013年建立了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，其中病原與免疫學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺購置了病原微生物學(xué)、寄生蟲學(xué)、免疫學(xué)模塊的資源，近兩年學(xué)生使用后反饋效果良好。我校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院于2014年被評為國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，在2014年校振興計劃項目資助下，實驗室購買了數(shù)字切片掃描與應(yīng)用系統(tǒng)，為我們建立數(shù)字化圖片庫奠定了基礎(chǔ)。此外，本實驗室許多教師也對采用新型的教學(xué)模式有濃厚興趣，多次到上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院、復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院、南京醫(yī)科大學(xué)等高校進(jìn)行實驗教學(xué)交流考察，并與上海夢之路公司商談合作開發(fā)本實驗室虛擬仿真實驗教學(xué)平臺（具有自主知識產(chǎn)權(quán)）。2015年本實驗室成功申請省級質(zhì)量工程項目“病原與免疫學(xué)實驗中心微生物學(xué)虛擬仿真實驗室”（2015xnzx030），筆者是該項目組主要成員之一。與項目組成員共同設(shè)計研發(fā)虛擬仿真實驗，2016年7月25—28號在貴陽舉辦的全國首屆“夢之路杯”醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)作品大賽中，創(chuàng)意作品“腸道致病菌的分離與鑒定”榮獲一等獎，成熟作品“破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗”榮獲二等獎。目前，本實驗室正致力于數(shù)字化資源庫和數(shù)字化實驗教學(xué)平臺的建設(shè)[8]，力爭最大化完善、開發(fā)和利用本實驗室資源。

3.2 師資隊伍

高校教師作為國家科教興國戰(zhàn)略的中堅力量本身就是一種稀缺資源[9]。本虛擬仿真實驗教學(xué)隊伍由實驗教師、實驗技術(shù)人員組成。實驗室主任及大部分實驗教師均具有博士學(xué)歷，實驗技術(shù)人員10人，其中5人具有碩士學(xué)歷；實驗技術(shù)人員中具有高級職稱的2人，中級職稱4人，平均年齡為42歲。隊伍中以中青年為主體，以教授領(lǐng)銜，博士碩士為基礎(chǔ)。隊伍結(jié)構(gòu)合理，有助于構(gòu)建教學(xué)、科研、理論與實驗互通的教學(xué)模式。

3.3 規(guī)章制度

本室制定了實驗室的開放管理辦法、實驗室主任職責(zé)、實驗教師職責(zé)、實驗員職責(zé)、實驗室管理制度等，同時本室專門制定了虛擬仿真實驗設(shè)備運行、維護(hù)、更新和管理的相關(guān)規(guī)范及制度。此外，校園網(wǎng)絡(luò)及教學(xué)信息化平臺也為虛擬仿真實驗室建設(shè)提供了良好的平臺。安徽醫(yī)科大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心承擔(dān)了學(xué)校校園計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體教室、校園主網(wǎng)站、電子郵件等系統(tǒng)的運行和維護(hù)以及宣傳教育等工作，是學(xué)校公共服務(wù)體系中的重要組成部分。網(wǎng)絡(luò)中心有大型存儲設(shè)備，能夠保障學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；校園網(wǎng)覆蓋學(xué)校教學(xué)、科研、管理與建筑的比例達(dá)100%；中國移動公司在校園3G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋達(dá)100%，學(xué)生可以通過無線網(wǎng)訪問虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。目前，校園門戶網(wǎng)站對校內(nèi)外公布虛擬仿真實驗教學(xué)信息，提供虛擬仿真實驗教學(xué)平臺鏈接等相關(guān)服務(wù)。大部分實驗教學(xué)資源可實現(xiàn)校內(nèi)共享，部分實驗教學(xué)資源可進(jìn)行校內(nèi)外共享。在網(wǎng)絡(luò)管理與安全方面，我校網(wǎng)絡(luò)中心嚴(yán)格按照《安徽省高等院校校園計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)管理規(guī)定》《安徽省計算機(jī)信息系統(tǒng)安全保護(hù)辦法》和中華人民共和國公安部《計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)國際聯(lián)網(wǎng)安全保護(hù)管理辦法》等法規(guī)實施網(wǎng)絡(luò)管理。所有用戶都有用戶身份管理、認(rèn)證和計費管理系統(tǒng)，提供用戶認(rèn)證和權(quán)限等級識別；能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全運行、管理和維護(hù)；具有網(wǎng)絡(luò)防病毒、信息過濾和入侵檢測功能。學(xué)校每年下?lián)軆x器設(shè)備的專項管理、維修經(jīng)費以及實驗室開放和網(wǎng)絡(luò)平臺開放運行、維護(hù)費，設(shè)備更新費用，完全可以保障實驗教學(xué)的正常運行。

3.4 虛擬仿真實驗室建設(shè)特色與創(chuàng)新點

滿足學(xué)校自身教學(xué)要求，提高教學(xué)質(zhì)量，為教學(xué)提供有力的幫助；作為實驗教學(xué)改革的一部分，達(dá)到教學(xué)改革的目的；實現(xiàn)與其他高校教學(xué)資源的共建共享，相互取長補短，改變目前閉門造車現(xiàn)狀。擴(kuò)大學(xué)校在本項目涉及的學(xué)科方面的知名度和影響力；借用虛擬實驗技術(shù)解決我校病原微生物教學(xué)中存在的高危險性、高難度的實驗教學(xué)，保留傳承我室的實驗技術(shù)，實現(xiàn)教學(xué)方式方法的變革；虛擬仿真教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)可以提供一種新的遠(yuǎn)程教學(xué)模式[10]。

3.5 建設(shè)目標(biāo)

逐步完善虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站，教師和學(xué)生可以通過中心網(wǎng)站方便快捷地登錄虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，共享教學(xué)資源。目前，我們正在進(jìn)行的工作是對實驗教學(xué)中的圖片、視頻資料進(jìn)行歸納整理和上傳，以方便廣大師生自主學(xué)習(xí)。將來我們還會在傳統(tǒng)仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用3D、人工智能等實現(xiàn)對現(xiàn)實的高度模擬[11]，逐漸增加互動式的虛擬仿真實驗，增加學(xué)生動手操作的機(jī)會。通過對虛擬仿真實驗系統(tǒng)進(jìn)行微觀管理為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)及個性發(fā)展創(chuàng)造更好的條件[12]。這對于醫(yī)學(xué)院校學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)非常重要，能使其不僅有理論更有實踐經(jīng)驗。

4 結(jié)語

虛擬仿真實驗室建設(shè)的思路逐漸變得清晰，但是虛擬仿真實驗并不能完全代替真實實驗，學(xué)生必須在熟悉實驗原理的基礎(chǔ)上明確虛擬實驗與真實實驗的差異，掌握實驗的精髓。如何科學(xué)地使用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，吸引和提高學(xué)生的積極性，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高是值得大家進(jìn)一步探討的課題[13]。