基于虛擬仿真技術的醫學免疫學線上綜合性實驗教學研究——以免疫細胞治療細胞制品質控實驗教學為例①

陳 瑾 許 健 胡正軍 周云凱 （浙江中醫藥大學醫學技術與信息工程學院，杭州310053）

推進課堂革命，開展形成性教學評價，提高教學質量，是一項政府積極引導、高校致力實踐的重大戰略任務。在“互聯網+”背景下，現代信息技術與教學過程的深度融合被認為是實現課堂革命的主要手段［1］。新冠肺炎疫情的驟然降臨，迫使學生和任課教師全員“觸線”，據統計，約23 億人次投入到線上教學［2］，經歷了一次真實徹底的“互聯網+教學”實戰。教育部發布了《在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》（教高廳［2020］2 號），要求各高校制定疫情防控期間在線教學實施方案。實驗教學注重操作，使得其開展線上教學尤為困難，而虛擬仿真技術為此提供了有效實現路徑，在實驗教學改革中發揮了重要作用。各高校充分利用國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺服務，依托虛擬仿真實驗課程資源提供在線實驗教學支撐和教學考核管理。

醫學免疫學是連接基礎醫學和臨床醫學的重要橋梁課程，同時與細胞生物學、生物化學、醫學技術、預防醫學等多學科存在廣泛的交叉和滲透，是一門公認的既難教也難學的課程［3］。醫學免疫學實驗教學過程應該注重實驗內容符合臨床應用，增強實用性和針對性，如近年的腫瘤免疫治療熱點問題和前沿研究被納入醫學免疫學實驗教學體系［4］。腫瘤免疫療法是繼手術、化療、放療之后的第4種腫瘤治療模式，被譽為人類最有希望攻克癌癥的手段，其中研究最為深入的即嵌合抗原受體T 細胞免疫療法（chimeric antigen receptor T-cell immunotherapy，CAR-T）［5］。CAR-T 療法包含 T 細胞分選、CAR 結構轉入、T 細胞活化擴增、回輸觀察（圖1），其中T 細胞制品的質量控制是回輸療效的關鍵，在《細胞治療產品研究與評價技術指導原則》中要求對回輸細胞的活性、純度、功能性進行分析，目前臨床上多采用流式細胞儀進行回輸T細胞質量監測。流式細胞儀因其快速、準確、多參數的檢測特征，廣泛應用于臨床血液學、免疫學、腫瘤學和藥物學等多個學科，涵蓋了從基礎研究到臨床診斷等多個方面［6］，也是醫學免疫學關鍵技術，許多高校加強了對該技術的教學重視。

圖1 CAR-T治療原理及流程［5］Fig.1 Principle and procedure of CAR-T therapy［5］

但CAR-T 細胞質控流式檢測在實際實驗教學中存在困難：①整個T細胞制品質量檢測周期長，包括CAR-T 細胞體外培養和質控檢測，整個周期在2 周左右，無法在單一、有限的教學時間和教學空間內完成；②實驗無菌要求高，生物污染風險大，細胞培養易受細菌、真菌、病毒等污染，需在無菌室內進行，不適于對大批量學生進行公開教學；③流式細胞儀屬于高精密度、自動化復雜儀器，高校教學資源局限無法保障每位同學操作使用。基于此，教研組以CAR-T 細胞制品質控為主線，綜合流式細胞儀細胞活性、表面標記、細胞凋亡三大應用技術，建立“免疫細胞治療中細胞制品質量控制流式檢測的虛擬仿真實驗項目”，研究醫學免疫學線上綜合性實驗教學方法，借助虛擬仿真技術沉浸性、交互性和構想性特征，設立虛擬情境實驗操作，提高學生的學習興趣和自主性，培養探索精神。

1 教學目的

1.1 知識目標 鞏固腫瘤免疫和T 細胞免疫相關知識點，了解CAR-T 療法基本原理及實施過程中T細胞制品質量控制的要素（包括細胞活性、CAR 陽性率表達和殺傷作用測定等），學會流式細胞儀調試、操作與維護，并對免疫細胞制品質量進行檢測控制。

1.2 能力目標 通過視頻示教、任務發布、虛擬情境實操等教學實施，激發學生學習興趣與探索精神，培養團隊協作意識，鍛煉檢驗實踐能力，增強醫學生臨床業務能力，提升教學效果。

1.3 素質目標 “高校教育，以本為本”，要求提高人才培養的質量，一方面讓學生了解和掌握免疫領域先進技術，拓寬學生視野，培養學生的創新思維能力；另一方面形成質控的管理思維，辯證思考問題，形成醫學嚴謹的態度，樹立醫者的責任意識。

2 教學對象與方法

2.1 授課對象 選取醫學檢驗技術大三年級3 個班級的學生（共計100 人次）進行線上實驗教學探索。

2.2 教學方法 線上教學相較于傳統班級教學模式有其鮮明特征，從而改變教學方法趨向于“以學生為主體”的教學范式。線上教學是一種開放式課堂，打破原有教學時空觀，與傳統現場教學活動的一次性和即逝性相比，線上教學能夠反復進行，便于學生復習、理解和鞏固，較好地體現了個性化學習優勢，因此抓好學生自律性是關鍵。同時線上教學可承載更多樣化的教學資源，書本是基礎資源，但已不再是唯一，針對本項目涉及的免疫療法，在線上教學中資源涵蓋從2018 年諾貝爾生理學或醫學獎關于PD-1 的新聞報道到頂級期刊上發表的腫瘤免疫治療研究進展，以及CAR-T 療法臨床應用案例等，形成了在線教學資源的開放化、多樣化，引導學生在面對來自不同渠道的觀點和學說時，在其相互交鋒、互補之中加以理解、比較，從而拓寬視野，培養獨立思維能力和批判思考能力，實現主體介入學習，形成知識的建構［1］。再者線上教學變革了從“面對面”傳授到“人對人”互動的教學觀，學生從僵化的班級集合體中解放出來，教師更關注在線的每一位學生個體的情況，學生亦可與老師一對一交流，突出了學生個性化需求，激發了學生學習的積極性和主動性［7］。在線上教學特色基礎上，教師以虛擬仿真沉浸性、交互性實驗平臺為依托，在實驗導入及實驗實施過程中分別引入問題導向教學法和任務驅動式教學法，進一步增強學生的學習興趣和團隊溝通協作能力。

2.2.1 問題導向教學法 針對實驗教學目的，課前為學生設計了系列問題（表1），包括基本問題（學生通過理論學習給出答案）、重難點問題（需學生閱讀思考后回答）、實踐問題（應用所學知識解決問題）及拓展問題（啟發性思考），促進同學深度參與，有效培養自主學習，啟迪智慧，學以致用。根據學生的回答及存在疑問，整合課本知識與課外拓展材料，制作了CAR-T 細胞免疫治療原理及流程演示視頻，引導學生主動學習掌握CAR-T 細胞制品質量控制的要素，以及細胞制品質量流式檢驗的方法及合格評價依據。

表1 問題導向教學Tab.1 Problem-based learning

2.2.2 任務驅動式教學法 任務驅動式教學為學生提供體驗實踐的情境和感悟問題的情境，在本實驗中，以臨床案例為背景，設定檢測實驗任務［8］：患者，60 歲女性，2014 年 9 月以“活動后乏力、皮膚紫癜”起病，2014 年11 月在醫院確診為急性B 淋巴細胞白血病，多次聯合化療未達完全緩解，骨髓原幼淋巴細胞在75%~88%。2015 年4 月2 日行外周血淋巴細胞單采，共采集淋巴細胞4.88×109個，淋巴細胞于體外分選、培養和轉染，現需對細胞制品質量評價，是否滿足輸注標準？

實驗前發布CAR-T 細胞制品合格率檢測任務，以小組為單位設置任務完成度考核。在小組任務分解過程中，使學生主動建構探究、實踐、思考、運用，進行自主探索和互動協作的學習。最后對學習效果的評價主要包括兩部分內容，一方面是對學生是否完成當前問題的過程和結果評價，即所學知識的意義建構評價；而更重要的一方面是對學生自主學習及協作學習能力的評價。在這個過程中，以任務為主線、教師為主導、學生為主體，學生會不斷獲得成就感，可以更大地激發其求知欲望，逐步形成一個感知心智活動的良性循環，從而培養出獨立探索、勇于開拓進取的自學能力。

3 教學過程

本虛擬仿真實驗涉及的內容包括：CAR-T 細胞收集、染色、離心等前期處理，流式細胞儀調試與質控檢測、CAR-T 細胞增殖實驗、細胞表面標記檢測、細胞凋亡檢測，具體流程如圖2，同時在整個實驗過程中貫穿生物安全小提示。

圖2 實驗流程Fig.2 Experimental procedure

3.1 自學檢查——問題式評估判斷 實驗導入中分析學生預習結果，對于T 細胞免疫和腫瘤免疫基礎問題，同學們通過課本查閱基本掌握，正確率在90%以上；而CAR-T 腫瘤治療原理和流式細胞術原理屬于實踐應用范疇，學生涉獵有限，相對生疏，正確率約70%；對于免疫細胞治療療效的可能影響因素及腫瘤免疫治療前景的拓展性思考，同學們各抒己見，初見批判性思考成效。隨后針對本虛擬仿真實驗內容，學生登錄系統后自動播放學習視頻（圖3），介紹免疫細胞治療研究進展，了解CAR-T 對腫瘤的特異性治療原理及治療流程，掌握流式細胞術在免疫細胞治療細胞制品質量控制中的應用。

3.2 樣本制備——沉浸式場景體驗 制備CAR-T單細胞懸液，用 Fixable Viability Dye（FVD）死活細胞染色試劑盒鑒定轉染后T細胞活力與細胞增殖情況，判斷是否達到回輸量；隨后用CD19 蛋白抗體檢測CAR 轉染的陽性表達率，判斷特異性效果；最后將CAR-T 細胞和腫瘤細胞共培養，選用Annexin-V/PI 細胞凋亡試劑盒檢測腫瘤細胞凋亡，判斷CAR-T細胞殺傷作用。虛擬實驗中根據各試劑盒操作指南指導學生完成樣本制備過程（圖3），學生在虛擬生物安全柜中完成制樣步驟，直觀形象、立體生動地體驗、感知與領略，掌握樣本、試劑移液槍吸取、離心操作規范，學會合格樣本的判斷。

3.3 流式細胞儀檢測——交互式操作練習 樣本檢測前，模擬操作流式細胞儀開機質控，掌握流式檢測技術的基本操作及儀器性能評價。質控通過后方可開始檢測。進入虛擬仿真實驗練習環節，每一操作步驟均設置了說明，指導學生完成實驗方案的建立、上樣、數據采集（圖3），在關鍵步驟設置提問，如在流式細胞儀調試中，關鍵判讀質控結果，包括變異系數（CV）和熒光強度均值（MFI）；CAR-T 陽性表達率和凋亡檢測模塊，涉及雙色熒光，注意熒光補償的正確調節，熒光溢漏會嚴重干擾陽性比例，從而幫助學生對假陽性、假陰性等異常結果的原因分析。系統實現實驗過程智能指導，學生與線上教師進行互動提問與答疑，教師掌握每位學生的線上學習狀態。系統具有錯誤提示和自動評價功能，學生通過人機交互的方式，實現邊練習、邊學習、邊調整，錯誤和不足之處及時得到改正和補充，增強體驗感和互動趣味性。

圖3 虛擬仿真實驗過程Fig.3 Process of virtual simulation experiment

3.4 CAR-T 細胞制品質量評價——反思式思考評價 樣本檢測結束后，學生對實驗結果進行計算分析，FVD 染色陰性群占比判斷CAR-T 細胞量與細胞活力：CD19 和CD3 雙陽性細胞群比例指示anti-CD19 CAR-T 細胞轉染陽性表達率∶Annexin-V 陽性群比例說明CAR-T 細胞對腫瘤細胞殺傷作用。根據結果填寫實驗報告，學生可以反思自己的全部操作，并評價自己掌握的情況。學生根據評價結果，判斷是否可以進行回輸，從而提高學習興趣和學習效果。

4 考核方法與教學成效

4.1 考核內容

4.1.1 理論內容 T 細胞免疫和腫瘤免疫相關知識點的考察；免疫細胞治療原理；流式細胞術檢測方法原理。

4.1.2 操作內容 流式細胞儀調試及細胞活力、陽性表達率、凋亡的關鍵實驗操作及其注意事項、結果分析與判讀。

4.2 考核模式 包含實驗前測試、實驗過程提問解答、實驗報告和虛擬仿真實驗考核模塊4 個方面評價學生的學習效果（圖4）。考核模塊通過人機對話模式參加考核，無步驟提示，同時根據關鍵性步驟評價實驗質量，試劑量加入是否準確？流式質控設定是否正確？數據分析是否合理？若操作不當，上述關鍵結果將無法通過，則實驗失敗。系統將根據學生在考核中的表現給出系統評價和具體的數據分析，真正實現過程中全方位評價，并使考核、效果評估進一步規范化與標準化。

圖4 實驗考核內容Fig.4 Content of experimental assessment

4.3 教學效果評價 本虛擬仿真實驗的教學研究注重學生自學能力和探索精神的培養，打破一張試卷定成績的慣例，構建過程性考核評價體系。線上實驗教學的智能指導功能可實時統計學生學習情況，圖5 為2020 年3 月份學生線上學習情況及3 月13 日不同時段的學習次數，當月累計在線學習1 975 次，日均 66 次，主要分布于 08：00~12：00 時間段，通過對學生學習規律的掌握，教師可針對性開展線上指導。實驗成績3 個班平均都在良好以上，同時對學生在學習興趣、合作能力、實踐能力和探索精神方面開展問卷調查，各項能力均有不同程度的提升，其中在學習興趣和實踐能力方面的提升度3 個班均高于50%，在探索精神方面提升度稍弱，低于30%（圖5），這可能是受以往重理論輕實踐思想影響，需在今后加強創新精神和科研思維的培養。

圖5 虛擬仿真實驗教學成效Fig.5 Teaching efficiency of virtual simulation experiment

5 討論

醫學免疫學是醫學類本科生教育的重點和難點，在此次新冠肺炎疫情防控大背景下，發展“互聯網+”線上實驗教學的重要性與必要性日漸突顯，已形成“多層次、多形式、多內容”的立體化實驗教學體系。本實驗“免疫細胞治療細胞制品質量控制虛擬仿真項目”創新了醫學免疫學、臨床血液學、檢驗儀器學線上綜合實驗教學，打破時間、空間及課程界限；將啟發式教學和體驗式教學相結合，教師從“傳授者”轉變為“引導者”，通過師生、生生間在線討論與答疑，幫助學生培養學習能動性，啟發自主學習和實踐。但線上教學以學生為主體，依賴學生學習的自律性，若學生自主學習能力較弱，依賴他們自主學習、創新學習的教學改革倍感壓力。

此外針對實踐教學中周期長、風險大、設備匱乏等局限，虛擬仿真技術以其沉浸性、交互性和構想性特征，全數字建模仿真，虛擬空間情景漫游，體驗形象生動，解決了實驗教學困境，提升實踐技能；評價系統注重過程性評價，教學模式下每一個操作步驟均有標準提示，考核模式下有知識點測試分和操作步驟分，得分點、失分點一目了然，教學成效易評測、易統計、易分析。但虛擬仿真實驗程序無法完全預測學生在真實實驗過程中可能遇到的突發狀況，不利于學生應變能力、分析問題和解決問題的能力培養［9］。

因此，有必要進一步研究現代信息技術教育教學規律，著力構建線上線下聯動、課內課外銜接、傳統創新融合的新型教學模式，促進教師“在線教學勝任力”到“雙線混融教學勝任力”的發展［10］。