流式細(xì)胞術(shù)檢測免疫細(xì)胞分型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

汪少辰

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部，安徽 黃山 230027）

一、緒論

血液學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)是實(shí)驗(yàn)室研究和臨床檢查常用的檢驗(yàn)手段，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，目前主要是用流式細(xì)胞術(shù)進(jìn)行血液學(xué)檢驗(yàn)。流式細(xì)胞術(shù)是利用流式細(xì)胞儀對細(xì)胞或其他各種微粒進(jìn)行多參數(shù)高通量分析和分選的技術(shù)，是應(yīng)用于腫瘤檢測、白血病及淋巴癌診斷的重要手段之一[1]。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，由于流式細(xì)胞儀售價(jià)昂貴，且受到了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、成本、時(shí)間等多因素的限制，學(xué)生只能通過老師的演示教學(xué)來認(rèn)識整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，無法親自動(dòng)手實(shí)踐，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，影響教學(xué)效果。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生，虛擬仿真是用虛擬技術(shù)模仿出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景，學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)[2]。通過借助多媒體技術(shù)使學(xué)生身臨其境，突破已有教學(xué)條件的限制，改變以往教師為主體的課堂模式，把課堂還給學(xué)生，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[3]。

本文擬以“流式細(xì)胞術(shù)檢測免疫細(xì)胞分型”實(shí)驗(yàn)為例，淺述該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)的建設(shè)與發(fā)展，為今后建設(shè)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供一定的參考意義。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

（一）滿足課堂教學(xué)需求

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果受課堂人數(shù)和器材設(shè)備的影響大打折扣，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以打破這些因素的限制，將那些難度大、設(shè)備貴、不易進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)以交互式的方式呈遞給學(xué)生，方便學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手操作，提升教學(xué)質(zhì)量。有的虛擬實(shí)驗(yàn)室使用3D 打印、人工智能等技術(shù)，為學(xué)生提供趣味性的學(xué)習(xí)平臺，啟發(fā)學(xué)生的思維[4-5]。

（二）充分利用平臺資源

根據(jù)教育部通知，為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，至2020 年將認(rèn)定1000 項(xiàng)左右虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[6]。合理利用已有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺資源，可以借助這些平臺解決實(shí)際教學(xué)中存在的問題，彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。

（三）提高學(xué)習(xí)效率

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺授課，將大大提高學(xué)生獲得新知識的效率，在有一定的知識基礎(chǔ)后，有的放矢地對教學(xué)過程中的重難點(diǎn)展示和深度剖析，甚至讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)物訓(xùn)練。在某些學(xué)生觀察或操作較困難的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生的實(shí)訓(xùn)提供更多的課堂空間，有利于老師對學(xué)生的指導(dǎo)，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效率。

三、流式細(xì)胞術(shù)檢測免疫細(xì)胞分型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

多種免疫細(xì)胞在人體內(nèi)參與免疫應(yīng)答，起到調(diào)節(jié)多種免疫反應(yīng)的作用，免疫細(xì)胞數(shù)目的異常能預(yù)示疾病的發(fā)生，因此進(jìn)行免疫細(xì)胞的分型對于評估人體健康狀態(tài)和臨床上優(yōu)化治療方案都有重要的價(jià)值。利用流式細(xì)胞術(shù)分析不同免疫細(xì)胞類型和組織的表型和功能，是目前對白血病、淋巴瘤等多種疾病研究的重要手段。但是由于設(shè)備昂貴、操作難度大、學(xué)生人數(shù)眾多等原因，學(xué)生的學(xué)習(xí)只能停留在理論知識和教師展示層面[7]。不能親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，是無法真正掌握免疫細(xì)胞分型技術(shù)及其在診斷和治療中的意義的。

因此，我們設(shè)計(jì)了基于流式細(xì)胞術(shù)檢測免疫細(xì)胞分型的仿真操作虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，讓學(xué)生用電腦進(jìn)行有關(guān)血液樣本免疫細(xì)胞分型的實(shí)驗(yàn)操作，為學(xué)生提供了虛擬仿真操作實(shí)驗(yàn)平臺，有助于學(xué)生將實(shí)驗(yàn)操作與理論知識聯(lián)系起來。本平臺主要設(shè)計(jì)為信息管理、模擬仿真、虛擬測量、報(bào)告提交、在線交流五個(gè)部分。

（一）信息管理

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，有流式細(xì)胞術(shù)的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)儀器的簡介、實(shí)驗(yàn)操作步驟的詳細(xì)視頻教學(xué)，學(xué)生可以通過觀看視頻及圖片，掌握實(shí)驗(yàn)的基本理論。

（二）模擬仿真

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成四個(gè)步驟，在學(xué)生在實(shí)際操作過程中，通過軟件完成細(xì)胞前期預(yù)處理、流式細(xì)胞儀開機(jī)、流式細(xì)胞儀檢測免疫細(xì)胞分型、流式細(xì)胞儀關(guān)機(jī)等操作。在學(xué)生進(jìn)行操作時(shí)，如果操作錯(cuò)誤，系統(tǒng)會進(jìn)行錯(cuò)誤提示，并正確地引導(dǎo)學(xué)生操作（圖1）。

圖1.流式細(xì)胞術(shù)檢測免疫細(xì)胞分型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架

（三）虛擬測量

實(shí)驗(yàn)過程中的每個(gè)操作會預(yù)先設(shè)定答案，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)提示，進(jìn)行一定的操作或選擇，系統(tǒng)將根據(jù)學(xué)生所做的選擇進(jìn)行判讀計(jì)算得分。比如在細(xì)胞預(yù)處理過程中會需要選擇離心機(jī)的轉(zhuǎn)速和升降速，對于分離外周血單個(gè)核細(xì)胞時(shí)如果轉(zhuǎn)速選擇小于300 g 或大于600 g，亦或是升降速沒有設(shè)置成0 該步驟都將判定不得分。虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺將對學(xué)生每一項(xiàng)操作時(shí)間、準(zhǔn)確性和結(jié)果等做出判斷并自動(dòng)生成一個(gè)分?jǐn)?shù)保存，根據(jù)各項(xiàng)目操作得分綜合給出最終得分。

（四）報(bào)告提交

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生需根據(jù)本節(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)課提交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括有研究背景、研究目的、實(shí)驗(yàn)原理、試劑與儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及對實(shí)驗(yàn)過程的分析討論、反思。

（五）在線交流

除了對完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論環(huán)節(jié)，系統(tǒng)還有在線提問和在線答疑的功能，學(xué)生與教師可以進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，方便教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，調(diào)整授課策略。

四、流式細(xì)胞術(shù)檢測免疫細(xì)胞分型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展

（一）完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

更新流式細(xì)胞術(shù)檢測免疫細(xì)胞分型實(shí)驗(yàn)信息管理，提供更多的參考資料幫助學(xué)生了解本節(jié)知識的前沿知識，理解開設(shè)本實(shí)驗(yàn)課程的意義所在。完善平臺的功能，給教師和學(xué)生提供多元化的選擇。同時(shí)根據(jù)上過課的老師和同學(xué)的反饋，優(yōu)化部分功能，便于操作。同時(shí)需要完善本平臺的網(wǎng)絡(luò)管理，給師生提供一個(gè)安全穩(wěn)定的使用環(huán)境[8]。

（二）促進(jìn)資源開放共享

在使用一定時(shí)間后不斷完善本平臺后，推向其他高校和地區(qū)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享。

（三）線上線下相結(jié)合

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，不僅要掌握理論知識，更需要嚴(yán)格規(guī)范的操作，尤其是對于流式細(xì)胞術(shù)這種對操作有一定要求的實(shí)驗(yàn)。因此我們不能局限于虛擬仿真平臺，在平臺上熟練掌握后應(yīng)當(dāng)在實(shí)際訓(xùn)練中鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充。

五、展望

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，給流式細(xì)胞術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。虛擬仿真教學(xué)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的不足，在流式細(xì)胞術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文提出的“流式細(xì)胞術(shù)檢測免疫細(xì)胞分型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”一定程度上可以改善目前存在的設(shè)備耗材昂貴、操作難度高等問題，提高學(xué)生對本實(shí)驗(yàn)的理解和掌握。我們需要充分利用虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢，選擇適合教學(xué)實(shí)際的內(nèi)容，但在提高虛擬教學(xué)能力的同時(shí)，還要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，線上線下相結(jié)合，最大程度發(fā)揮虛擬仿真平臺的作用。