網絡背景下病原生物學虛擬實驗教學方法初探

李嘉，張東圓，陳志成

（河北醫科大學臨床學院，河北石家莊 050031）

虛擬實驗是基于計算機系統產生的一種可以創建和體驗虛擬環境及操作的現代科技。早在1989年，由美國的威廉教授首先提出了“虛擬實驗室”的概念。隨后，眾多國外大學通過不斷的研究，開發了形式各異的虛擬實驗室。國內虛擬實驗技術起步要晚一些，但發展較快。隨著計算機在我國的逐步普及，第二軍醫大學生理學教研室自20世紀90年代開始，對生理學虛擬實驗進行了初步探索，成功的模擬了“蛙心灌流”“哺乳動物血壓調節”以及“動作電位的產生機制和記錄方法”等實驗。后來他們在原有的虛擬實驗基礎上進一步升級，建成了早期的機能學虛擬實驗室。大量的教學研究證明，虛擬實驗室具有實驗成本低、實驗效率高、實驗效果好等諸多優勢[1]。同時，隨著近年來網絡的普及，大量的教學視頻等內容被放置在網絡上，學生可通過網絡，不受時間和地區的限制，做到隨時隨地的學習，為學生提供了有利的自學條件。由此可見，網絡虛擬實驗對于醫學院校實驗教學起到了很好的輔助作用，是未來醫學類實驗教學發展的新方向。

1 傳統教學模式下病原生物學實驗教學的現狀

傳統的病原生物學教學過程中，實驗教學是在實驗室中進行，首先由教師介紹實驗原理及實驗步驟，并對操作技術進行集中示教，而后學生按照既定實驗步驟，對實驗設備、試劑、標本進行操作，觀察并記錄實驗結果，最后書寫完成實驗報告。傳統教學模式對于學生操作及觀察能力的培養具有明顯優勢。然而上述單一的授課模式卻易受到現實條件的制約[2]，主要存在以下兩個問題。

1.1 某些病原生物致病性強，實驗周期長，許多實驗無法開展

病原生物學實驗的實驗對象多是與人體致病有關的病原生物，普遍具有不同程度的致病性，如腸道致病菌中既有致病性較弱的大腸桿菌，也有致病性較強的傷寒沙門菌。如在實驗內容中加入致病性強的病原生物，一旦學生操作不慎或失誤均會對學生的健康造成威脅，導致實驗室感染，存在一定的生物安全隱患[3]。因此，很多病原生物學實驗都被改為示教課程，由教師進行操作講解，學生沒有實際操作的機會。此外，病原生物學實驗中的大部分實驗周期較長，課堂時間有限，難以完成，因此也限制了實驗的開展，不利于學生對于實驗整理流程的掌握。

1.2 校園實驗場地、教學經費和資源緊張

操作致病性強的病原生物對實驗設備需求種類多、精細度高，同時對安全防護要求的等級也較高，學生實驗涉及操作的人數眾多，需要大量的資金投入，購買建設多個高水平的實驗室，多數高校很難滿足。同時，近些年由于高等教育招生規模的擴大，再加上課時數的逐年減少，實驗場地、教學經費和資源緊張，因此課堂實驗開展的多是一部分有代表性、易操作、經濟、常用的簡單實驗，對于那些需要昂貴儀器、比較耗時的實驗大都只做課堂示教，學生缺乏鍛煉機會，這些都不利于學生動手能力的提高及對實驗的理解。

2 網絡虛擬實驗——病原生物學實驗教學的新思路

傳統病原生物學實驗教學中存在的上述問題已經無法簡單地從改變教學方法、調整教學內容等方法解決，必須引入新鮮力量，虛擬實驗尤其是網絡虛擬實驗則很好地彌補了傳統實驗教學的不足，具有以下明顯的優勢。

2.1 增強實驗安全性，拓寬實驗內容

病原生物學實驗與其他專業實驗課相比，存在諸多危險因素[4]，例如：實驗時不慎被病原生物感染，高壓蒸汽滅菌操作不當發生危險等。此外，部分實驗標本對安全防護要求也極高，例如：霍亂弧菌培養觀察、寄生蟲蟲卵檢測這些對生物安全實驗室防護等級要求高的實驗，在一般的本科教學中，無法開展。而學生在虛擬實驗室中進行這些病原生物的實驗操作，則完全不必擔心上述問題，同時又能將實驗學習與理論學習相呼應，增加了病原生物學的實驗項目，拓寬學生實驗操作。

2.2 強化學生實驗基本技能，縮短實驗時間，排除不穩定因素，增強實驗效果

病原生物學實驗程序比較復雜，操作過程時間較長，實驗結果不易觀察。虛擬實驗室可以幫助學生提前預習實驗操作，加強學生對實驗操作細節的熟悉程度，排除試劑、設備對實驗結果的影響，縮短標本培養時間，有助于保證實驗的完整性，加深學生對實驗的理解和掌握。

2.3 降低實驗成本，緩解學校經費壓力

由于病原生物學實驗的特殊性，決定了開設該專業實驗課程需要準備高級精準的實驗設備和防護高等級較高的實驗場所。這需要大量的資金支持。虛擬實驗則解決了病原生物學實驗對實驗耗材、儀器、場所的限制，可在一定程度上了緩解學校經費緊張的狀況。

2.4 激發學生求知欲，增強學生的實踐創新能力，做到真正意義上的實驗室開放

虛擬實驗室可通過網絡提供全天候的開放式實驗環境，學生可自擬、自選實驗項目并自行組織實驗，使學生從灌輸式被動學習轉變到主動積極靈活學習。從而開闊學生視野，激發學生的參與熱情，有利于激發學生的求知欲，充分調動學習積極性、主動性及創造性，培養學生創新能力。

3 病原生物學實驗教學的具體實施方法——以臨床學院為例

3.1 虛擬實驗的設計思路

虛擬實驗是對傳統實驗的有益補充。但是如何讓虛擬實驗與傳統實驗有效結合，而不是簡單的重復，我們并沒有足夠的經驗[5]。另外，虛擬實驗不具有實物感，即使再逼真也無法取代傳統實驗教學中對操作技能的鍛煉，因此學生的實際操作技能的培養還需依靠傳統實驗教學。綜上所述，在充分的研討過后，我們將該次課題研究的設計思路如下[6]:首先，明確各學生實驗的教學目的，其中實驗原理的理解、實驗技術整體路線的掌握則主要在虛擬實驗教學來實現，而對于教學目的中的技能目標由傳統實驗教學來實現。先虛后實，虛實結合，讓學生先在上課前通過各種網絡終端例如筆記本電腦、手機等，運行多媒體實驗教學軟件，通過交互操作以及觀看試教，初步認知實驗的操作步驟的基礎操作技術；然后通過真實環境的實踐教學，進行實驗技術的培養和訓練。課后，學生還可以再次通過多媒體實驗教學軟件對所學知識點進行復習，查漏補缺，起到了了良好的鞏固作用。從而，將虛擬實驗和傳統實驗有效結合在一起。

3.2 虛擬實驗的建設及具體實施方法

在具體實施過程中，首先我們利用具有一定圖片互動功能的Microsoft PowerPoint 軟件作為開發工具，開發出一套集交互性、形象性、趣味性于一體，又不失科學性的病原生物學多媒體實驗教學軟件，并將其上傳至數字化學習平臺。在校學生可以通過互聯網隨時登錄該學習平臺，利用該資源，進行課前的預習，也可用于學生課后復習鞏固[7]。例如：微生物實驗中高壓蒸汽滅菌操作，是微生物學中最基礎的實驗操作，但因為實驗條件和時間限制，傳統實驗教學中都是由教師在課前代為完成，學生無法親自操作，也無法觀摩學習。而在增加了虛擬實驗后，我們可以通過課前預習，模擬進行相關操作，對實驗的整體流程有一個完整的印象，同時了解各種培養器皿和培養基如何通過高壓蒸汽鍋進行高溫蒸汽滅菌操作，從而更好地理解和掌握細菌培養實驗的前期準備過程。隨后，在實際課堂教學過程中，重點培養學生練習不同細菌的各種接種方法的操作技能，最后再通過虛擬實驗對細菌進入培養箱后的培養條件和結果觀察進行補充學習。這樣有助于幫助學生整體把握實驗流程，幫助學生形成完整的實驗思維。

3.3 教學效果及分析

我們以臨床學院2017 級臨床專業醫學微生物學課程來進行該次教改實驗研究的嘗試[8]。從該專業教學大班中，隨機挑選了兩個小班，分別標為A、B 班。這兩個小班理論課、實驗課的教學均由同一名代課教師完成。其中A 班（40 人）為虛擬實驗教學實驗組，B 班（37人）為傳統實驗教學對照組。要求A 班學生每次上實驗課前，利用課余時間提前登錄虛擬實驗進行課前預習，并于課后再次利用系統內針對該次實驗課程的復習題進行復習。經過一學期的完整教學，對兩個班的期末綜合考試成績進行統計學分析（其中實驗課考核成績占總成績的30%，筆試考核成績占總成績的70%）。A 組的最高成績為88 分，最低成績為62 分，平均成績74.08 分；B 組的最高成績為89 分，最低成績為52 分，平均成績68.35 分。將上述學生的成績導入SPSS Statistics Version 21 統計軟件系統，利用軟件進行單因素方差分析，結果現實兩組學生的考試成績P＜0.05,兩組分析結果有差異。這說明利用虛擬實驗進行教學輔助，學生的學習成績有明顯的提升，也證明了學生知識的掌握更加系統、牢固，學習效果更佳。

4 結語

以上是我們在病原生物學虛擬實驗和傳統實驗教學進行有機結合的一次教學改革嘗試，除了上述考試成績統計學結果分析外，我們還針對本次授課的感受，進行了學生問卷調查，結果顯示71.32%的學生認為虛擬實驗對知識的學習起到了很好的輔助作用，提升了學生對課程的學習興趣，再次證明了該次教學改革的實踐取得了較好的效果。虛擬實驗和傳統實驗教學模式的融合，兩者的作用都得到了最大程度的發揮。既可以幫助學生更好地掌握抽象的實驗原理及實驗技術，又可以節約實驗課堂理論授課時間，增加學生在課堂中操作技能的練習機會，有效地提升了學生的操作技能。另外，多媒體教學課件的交互性讓學生感覺充滿了新鮮感，更好地激發了學生的學習興趣。隨著虛擬實驗課件的進一步完善，虛擬實驗與傳統實驗配比的不斷調整，相信新型教學模式在提升教學效果上能夠顯現出更強大的優越性。