病原生物學與免疫學相融合的虛擬仿真綜合實驗設計與初步應用

張 珍，胡 濤，杜鎮鎮，耿 麗，趙慧琳

(濱州醫學院，山東 煙臺 264003)

虛擬仿真實驗是運用虛擬現實、生物仿真、多媒體與網絡通訊等技術，與相應的專業知識與技能相結合而構建的虛擬實驗環境，學生可以運用里面的虛擬實驗設備和物品，按照實驗步驟進行訓練，此方法為實驗教學提供了新思路[1]。近年，已有不少基礎醫學虛擬仿真實驗項目用于教學，但這些實驗內容較單一，缺少學科之間或學科內多個知識點交叉的綜合性實驗。在此嘗試把病原生物學與免疫學有機結合，構建虛擬仿真綜合實驗項目，以拓展學生思維、增強他們解決實際問題的能力。下面以“細菌診斷血清制備與凝集反應”為例，介紹虛擬仿真綜合實驗的設計與教學過程。

一、虛擬仿真綜合實驗“細菌診斷血清制備與凝集反應”的設計思路

細菌的培養與形態、特性的觀察是病原生物學最基礎的內容；細菌又是人機體最常見的抗原，抗原與抗體特異的免疫應答是免疫學的核心主線。現以細菌作為抗原接種家兔制備診斷血清(即抗體)，制備出的抗體又可反過來用于待測細菌抗原的檢測，即菌種鑒定。此綜合實驗把幾個經典微生物與免疫學實驗無縫銜接，學生既能理解機體免疫應答的規律，又掌握微生物培養到臨床感染診斷的全過程，是理論與實踐的有機結合。據此設計了詳細的實驗內容腳本，與軟件公司技術人員合作，結合生物仿真、動畫制作等技術，共同制作虛擬仿真實驗項目，通過網絡平臺呈現給學生。

二、“細菌診斷血清制備與凝集反應”的內容與操作方法

首先，綜合實驗包括實驗目的、關鍵詞釋義、實驗流程及思考題等幾大部分，點擊各標題即可查看詳細內容，比如關鍵詞釋義，會配以文字或圖片介紹，學生能較快熟悉相應理論內容和相關的背景知識，進入實驗狀態。

實驗流程部分是重點內容(見附圖)，流程包括好幾個實驗模塊，每個模塊都是一個單獨實驗，學員按照順序或選擇任一需要學習的內容，單擊即可進行學習。每個模塊有錄制的教師操作視頻演示，也有虛擬操作部分。學生可觀看真人操作視頻，觀摩操作過程與細節；也可在線進行虛擬操作練習，按照操作提示即可順利完成實驗的各個步驟，感受真實的實驗過程。此虛擬實驗制作專業，實驗器材、物品與實驗步驟形象逼真，實驗環節層次分明、井然有序,實驗結果準確、直觀，計算機可對學生虛擬操作過程及器材選擇是否正確進行提示和評價，在關鍵步驟還有注意事項提示等。實驗后配有相應思考題，從理論到拓展應用，引導學生多角度思考、充分領悟其中的作用機制。

附圖 細菌診斷血清制備與凝集反應流程圖

三、虛擬仿真綜合實驗的教學過程

1.研究對象。隨機選取我校2016級臨床醫學3個班186名學生為研究對象，采用虛擬仿真實驗平臺與常規課堂實驗相結合的教學模式；另兩個班125名學生為對照組，采用常規課堂實驗教學模式。兩組學生為隨機選取。

2.課前預習。學生登錄虛擬仿真實驗平臺，可查看實驗目的、關鍵詞釋義、實驗流程等，進行預習。對重點概念和知識點提前理解、梳理，觀看操作視頻、仔細觀摩操作細節，對實驗內容有初步了解。

3.課堂教學。選取綜合實驗中的玻片凝集實驗，讓學生實際操作。首先實驗教師講解、演示具體操作步驟，實驗室事先準備好相關試劑，如培養的幾種待測細菌(抗原)、傷寒桿菌診斷血清、變形桿菌診斷血清以及玻片、取菌環等，學生現場動手練習；課堂上，學生也可隨時查看虛擬仿真教學系統的操作視頻或實驗流程中的其他環節，如細菌的培養、免疫家兔的程序(皮內注射、耳緣靜脈注射)、家兔心臟取血、血清收集保存等系列實驗，搞清楚所用抗體的來龍去脈。這些實驗周期較長、所需動物多，且受安全、場地等因素的影響[2]，現實中不易開展，正好通過虛擬實驗完成，達到“虛”與“實”相補的目的。

4.課后復習與演練。課堂實驗完成后，學生仍可以登錄虛擬實驗平臺反復練習，可加強對知識點的深度理解，比如聯系到細菌的結構與特性及機體在受到抗原刺激后、體內相應抗體產生的過程和規律等，加強學科之間橫向、縱向的聯系，鍛煉學生的綜合思維及創新理念。

四、教學效果的評價

2.實驗組問卷調查結果。問卷內容包括虛擬實驗能否促進理解和深化知識、激發學習興趣、提高自主學習能力、實驗滿意程度等。發放問卷186份(實驗組)，回收有效問卷186份，有效回收率100%，結果如下(見附表)。

醫學免疫學和病原生物學都是實踐性強的基礎學科，知識相互滲透、密切相連，且免疫學是很抽象的理論性學科，現實中的實驗受學時、儀器材料等限制，開展數量有限[3]。虛擬仿真實驗通過視頻、動畫、圖片、音頻等多媒體素材，多角度、全方位地展示實驗原理和流程，為學生提供每一步線上操作的機會，使抽象的過程具體化，增加學生學習興趣，有助學生實踐與綜合思維能力的提高[4]。但虛擬仿真實驗項目實施中也存在一些問題，比如制作費時費力，專業教師與軟件公司技術人員各有優、劣勢，有些思路與操作步驟的理解配合還有欠缺；學生對科學興趣、思維創新等能力的提高，在學科結束以期末考試為主的評價標準里很難體現出來，多少會影響學生積極性。相信隨著時間積累和經驗的總結，虛擬仿真綜合實驗的設計與開展會更完善，在培養復合型高等醫學人才中發揮更大的作用。

附表 實驗組問卷調查結果