虛擬仿真在醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗課教學(xué)中的應(yīng)用

劉鵬 陳列松 曾焱華

[摘 要] 醫(yī)學(xué)微生物學(xué)是一門重要的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課程，通過這門課程的學(xué)習(xí)能讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握人類病原微生物的基本知識以及相關(guān)實驗操作技能。而目前由于醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗教學(xué)課時較少，教學(xué)條件和生物安全限制等原因，實驗課的教學(xué)內(nèi)容僅僅局限于較為簡單的基礎(chǔ)實驗，而一些重要的、高致病性或者高危的微生物實驗則無法開展。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)成了解決這些問題的可行方案，通過創(chuàng)建一個虛擬仿真的實驗過程，學(xué)生可以在線體驗因各種原因而不能開設(shè)的實驗項目，這不僅能開闊學(xué)生視野，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

[關(guān)鍵詞] 醫(yī)學(xué)微生物學(xué);實驗教學(xué);虛擬仿真

[基金項目] 南華大學(xué)2019年校級教學(xué)改革研究一般項目（192JXJ148）;南華大學(xué)2017年高等教育研究與改革課題（2017XJG27）

[作者簡介] 劉 鵬（1986—），男，湖南邵陽人，博士研究生，講師，研究方向：醫(yī)學(xué)微生物學(xué);曾焱華（1974—），男，湖南新化人，博士，教授，研究方向：支原體的致病機(jī)制與診斷。

[中圖分類號] G642.41? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0269-02? ?[收稿日期] 2020-07-22

醫(yī)學(xué)微生物學(xué)是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的一門重要課程，具有知識點分散但專業(yè)性強(qiáng)，與臨床緊密結(jié)合等特點。實驗教學(xué)是醫(yī)學(xué)微生物教學(xué)必不可少的組成部分，通過實驗課的學(xué)習(xí)有利于進(jìn)一步理解和鞏固理論知識，使學(xué)生掌握實驗操作方法和技能，提高解決臨床實際問題能力。社會科技發(fā)展日新月異，國內(nèi)外高水平的醫(yī)學(xué)教育機(jī)構(gòu)都非常重視醫(yī)學(xué)教育的信息化的建設(shè)，教育部于2013年做出了進(jìn)一步建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的部署，多所醫(yī)學(xué)院校已經(jīng)開展虛擬仿真實驗室的建設(shè)，并取得較好的教學(xué)效果，為醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提供了良好的平臺[1]。也為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗課教學(xué)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，將醫(yī)學(xué)教育與信息化技術(shù)有效結(jié)合是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展趨勢。

一、醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

醫(yī)學(xué)微生物學(xué)是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)中的重要課程，主要研究與人致病相關(guān)的病原微生物的生物學(xué)特性、致病機(jī)制、機(jī)體的抗感染與免疫、特異性檢測方法，以及相關(guān)感染性疾病的防治措施等，以控制和治療傳染性疾病，達(dá)到提高和保障人類健康的目的。通過該課程的學(xué)習(xí)，能使學(xué)生系統(tǒng)地掌握人類病原微生物學(xué)基礎(chǔ)理論知識，并通過實驗教學(xué)使學(xué)生掌握良好的實驗技能以及解決實際問題的能力。目前，醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗教學(xué)課時少，受教學(xué)條件有限和生物安全等因素的限制，教學(xué)內(nèi)容僅局限于若干個較為簡單的基礎(chǔ)實驗。一些高致病性傳染病如人類微生物缺陷病、乙型肝炎等，由于其具有危險性高、檢測成本高，以及受實驗室級別的限制，一直無法開展相關(guān)實驗教學(xué)。單純通過理論教學(xué)進(jìn)行講授，學(xué)生不能很好地了解這些病原微生物的檢測和診斷方法，難以達(dá)到教學(xué)目的。如何改變這一現(xiàn)狀，將高致病性傳染病相關(guān)檢測和診斷技術(shù)納入微生物實驗課程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識的同時，進(jìn)行相關(guān)實驗技能的學(xué)習(xí)，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)微生物學(xué)教學(xué)改革的重要內(nèi)容[2]。虛擬仿真教學(xué)順應(yīng)信息化教學(xué)潮流，通過將傳統(tǒng)的實驗教學(xué)與信息化改革相結(jié)合，數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展實驗，成為解決上述問題和空間限制的關(guān)鍵。

二、醫(yī)學(xué)微生物虛擬仿真實驗的特點

在完成虛擬仿真實驗時，實驗者通常在利用數(shù)字技術(shù)搭建的虛擬實驗環(huán)境中完成各種實驗項目。在實驗所依賴的各種模擬場景、實驗單元、實驗儀器和參考資料組成的創(chuàng)造和引導(dǎo)模擬實驗的交互環(huán)境下，實驗者通過改變實驗要素來設(shè)計不同的實驗。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式相比，虛擬仿真實驗技術(shù)擁有一些獨特的特點。

（一）實驗操作虛實結(jié)合

醫(yī)學(xué)微生物實驗是基礎(chǔ)理論與操作技能相結(jié)合的醫(yī)學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合實驗技能、科研思維和創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的實驗操作過程培養(yǎng)了學(xué)生的動手操作能力，但受到諸多因素的限制，如實驗場地、教學(xué)成本、實驗動物倫理限制以及學(xué)生的實驗操作能力不足等，造成學(xué)生在現(xiàn)實學(xué)習(xí)過程中的實驗訓(xùn)練效果不理想。利用虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行仿真實驗，可以使學(xué)生在虛擬的環(huán)境中反復(fù)練習(xí)，熟練操作，最后再結(jié)合實際操作，將實驗教學(xué)內(nèi)容融會貫通。平時一些無法開展的大型綜合實驗，可以用虛擬實驗的模式讓學(xué)生自行設(shè)計并操作，分析實驗結(jié)果而得出結(jié)論。虛擬仿真實驗平臺可以打破時間的限制，學(xué)生可以隨時登錄網(wǎng)絡(luò)平臺并根據(jù)自己的興趣自主開展實驗項目，有效發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動性。虛擬仿真實驗可以輔助實驗教學(xué)，但是傳統(tǒng)實驗操作也是不可替代的，教師在授課的過程中要堅持以虛補(bǔ)實、虛實結(jié)合的原則，有效提高醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量。

（二）操作安全，節(jié)約成本

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)微生物實驗存在被實驗動物咬傷、致病性微生物感染、劇毒性藥品中毒、放射性污染等不確定風(fēng)險;同時實驗動物及試劑等相關(guān)購置費用不斷上漲，大型實驗儀器設(shè)備購置、運行及維護(hù)費用等開支造成目前高校的教學(xué)運行經(jīng)費捉襟見肘。這些問題在其他基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的學(xué)科也存在，始終困擾著一些高?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)的實驗教學(xué)工作。虛擬仿真實驗技術(shù)的應(yīng)用可以一定程度上解決這些問題，為學(xué)生搭建起一個低成本、無風(fēng)險、可調(diào)控的實驗技能訓(xùn)練平臺，實現(xiàn)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)新模式的轉(zhuǎn)變[3]。

三、醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實驗室的優(yōu)勢

醫(yī)學(xué)微生物學(xué)的虛擬仿真實驗具有很多優(yōu)勢：

①能夠增設(shè)醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗項目，虛擬仿真實驗室可開設(shè)很多傳統(tǒng)難以大規(guī)模推廣的實驗，比如甲型流感病毒在雞胚和胃黏膜中幽門螺桿菌的分離培養(yǎng)。由于這些實驗材料具有高致病性，難以在實驗教學(xué)中開展，但完全可借助虛擬仿真實驗系統(tǒng)來完成這些教學(xué)內(nèi)容。②借助虛擬實驗室，可以開展一些由于實驗室條件和倫理問題而無法開設(shè)的實驗課程，拓寬學(xué)生的知識面。例如，有些實驗對實驗室要求高，比如滅活EV71抗原制備與微生物接種和腦脊液中常見病原微生物的分離鑒定。③虛擬仿真實驗室能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實驗可全天候開放，學(xué)習(xí)不受實驗室開放時間的限制。同時，學(xué)生能自主選擇實驗項目，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。虛擬仿真實驗?zāi)軌驅(qū)⒊橄蠡癁榫唧w，實驗過程顯得生動形象，能通過良好的交互性，同時刺激學(xué)生多種感官，加強(qiáng)學(xué)生的觀察和動手能力，有利于知識的內(nèi)化和遷移。

四、構(gòu)建醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬實驗室需考慮的問題

與實驗室教學(xué)相比，虛擬實驗室缺少實物感，不能真正地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。比如實驗過程中所用到的儀器和設(shè)備，只能看得見但摸不著，這意味著學(xué)生在電腦中可很好地完成實驗操作，但是一到真實的實驗環(huán)境中可能遇到各種問題;同時，在虛擬仿真實驗室只能遇到預(yù)先設(shè)定的情景，而面對真實的突發(fā)情況可能不知所措。因此關(guān)于構(gòu)建醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實驗室，應(yīng)重點考慮以下幾個方面：①增設(shè)的實驗要以學(xué)生為主體，把提高學(xué)生能力為主要目的。因此在教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、教學(xué)過程，以及考核都始終要以學(xué)生為主的設(shè)計思路，使學(xué)生能夠快速地掌握所學(xué)的內(nèi)容，最大限度地使學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。②虛擬實驗室教學(xué)本質(zhì)上是使用多媒體技術(shù)模擬現(xiàn)實的實驗場景，學(xué)生使用人機(jī)交互來完成實驗課程。將各種視頻、音頻、圖片及案例素材等豐富的教學(xué)資源進(jìn)行有機(jī)整合，構(gòu)建一個與實際情況極為接近的仿真實驗環(huán)境，教學(xué)效果和現(xiàn)場教學(xué)還是有差距。

五、總結(jié)

總而言之，目前虛擬仿真實驗教學(xué)是一種方便、快速、能夠模擬現(xiàn)實實驗過程的一種教學(xué)方式。關(guān)于醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗課的線上教學(xué)，通過結(jié)合虛擬仿真實驗，能夠讓學(xué)生學(xué)習(xí)一些由于價格、生物安全等條件限制不能在現(xiàn)實實驗室開展的實驗課程，能大大提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是，虛擬實驗教學(xué)也具有一定的局限性，并不能完全取代現(xiàn)實教學(xué)。因此，將虛擬實驗和實驗室實驗教學(xué)有機(jī)結(jié)合，做到優(yōu)勢互補(bǔ)，才能達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]王艷芬.關(guān)于醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗教學(xué)的幾點思考[J].生物技術(shù)世界，2014（8）：179-179，182.

[2]高麗麗，等.虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣東化工，2017（18）.

[3]楊閩楠，等.醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實驗平臺建設(shè)初探[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2018，20（2）：137-140.