基于“血液學檢驗”的虛擬仿真實驗室建設方案

摘要：“血液學檢驗”是高職醫學檢驗技術專業的核心課程之一，該課程實驗教學涉廈多種血液系統疾病的實驗室檢查。因此是檢驗專業學生畢業后從事血液病診斷工作不可缺少的知識和技能。但實驗教學由于受學時、場地、儀器設備、經費等因素的限制，教學效果不理想，學生崗位勝任力較差，高質量就業的學生不多。虛擬實驗室是一種利用多媒體廈計算機網絡技術模擬實驗場景，實現交互操作的新型教學模式。在信息化、智能化、網絡化高速發展的環境下，虛擬實驗室的應用有助于提升和優化血液學檢驗的實驗教學體系，提高教學效果。本文主要探討血液學檢驗虛擬實驗室的建設方案與思路，為血液學檢驗實驗教學改革以及虛擬實驗室建設提供一定參考依據。

關鍵詞：血液學檢驗；實踐教學改革；虛擬實驗室

“血液學檢驗”是高職醫學檢驗技術專業的五大核心課程之一，該課程實驗教學涉及貧血、白血病、骨髓增生異常綜合征、霍奇金淋巴瘤等血液系統疾病的實驗室檢查，它是醫學檢驗專業學生畢業后從事血液系統疾病診斷工作不可缺少的知識和技能。

1 “血液學檢驗”實踐教學現狀和醫學檢驗行業現狀分析

“血液學檢驗”的實驗教學主要有以下三個主要問題：（1）實驗教學模式單一，教學模式固定，學生缺乏學習興趣和創新能力。（2）實驗課時不足，臨床上血液病種類繁多，不同血液病的實驗室檢查項目和方法也不同，由于受到實驗場所、實驗試劑、耗材、學時的限制，許多實驗項目無法開展，不能完全對接課本知識以及臨床崗位需求。這導致學生對實驗步驟不熟悉，對實驗原理理解不到位，實驗技術不熟練。（3）教學內容與臨床崗位嚴重脫節，儀器設備落后，實訓課的實驗項目與臨床工作內容不一致。這嚴重影響教學效果和教學質量，學生的崗位勝任能力得不到培養，很難高質量就業。

近年來，隨著臨床檢驗技術的不斷發展，加上自動化檢驗設備的不斷更新，各種新技術、新方法已經逐漸融入血液疾病的診斷、治療及預后評價中。目前臨床血液學檢驗實驗室基本實現或正在實現醫學檢驗技術的現代化、分析的自動化、方法的標準化、項目的分子化、質量管理的全程化、臨床實驗實驗室的信息化、實驗室安全的制度化，檢驗醫學已經成精準醫學的技術核心。

虛擬實驗室是一種利用人工智能、數學模型、虛擬現實技術（VR）或增強現實（AR）仿真技術在計算機系統中實現各種符合實驗教學基本要求的高度仿真實驗環境。虛擬實驗系統利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術及高分辨技術，綜合計算機圖形、圖像處理與模式識別、智能技術、傳感技術、語言處理技術與音響技術模仿了實驗過程中所有使用的組件，儀器和材料，各種實驗儀器、藥品和材料等在軟件程序中將以3D或動畫的形式展現，非常直觀、形象、可視。實驗人員能通過鼠標單擊、拖動并結合鍵盤或點擊手機屏幕來操作實驗中所需要的儀器設備和材料來開展模擬實驗，整個真實的實驗過程及實驗結果在虛擬的實驗環境中顯示出來，完成各類預先設置的實驗內容，是一種新的實驗教學形式。近年來，虛擬實驗已廣泛運用于各學科實驗教學領域。

2 虛擬仿真實驗室的優勢

與傳統實驗室相比，虛擬仿真實驗室的優勢：（1）可進行遠程教育。通過建立網絡平臺，虛擬實驗室可打破教學時間和空間上的限制，實現教與學的分離。（2）節約實驗成本。進行虛擬仿真實驗時，學生不會接觸真實儀器設備和器材及試劑，可避免造成儀器、器材損毀，試劑消耗及“三廢”問題且實驗項目可重復操作。（3）教學手段與時俱進，教學資源貼近行業發展現狀。在血液學檢驗虛擬仿真實驗室系統中，引進臨床崗位上的新儀器設備、新方法、新技術、新規范，根據疾病類型設計實驗項目和流程，模擬醫院檢驗科實驗室環境，實現情境教學，使教學內容與臨床工作內容保持一致，緊跟行業發展步伐。

3 建設血液學檢驗虛擬仿真實驗室的必要性

在信息化、智能化、網絡化高速發展的環境下，傳統實踐教學模式已不能滿足學生學習的需求，將虛擬仿真實驗室結合到“血液學檢驗”課程的實踐教學中，改進實驗教學模式提高教學效果和教學質量十分重要。虛擬實驗室可降低實驗教學成本，增強學生實踐能力，突破實踐教學的瓶頸，有助于增強情景教學的交互式體驗，完善實踐教學體系。因此對“血液學檢驗”進行實踐課程改革，建立虛擬實驗室滿足學生的學習需求，是教學改革實施的必要措施。

4 虛擬仿真實驗室的模式及功能特征

4.1單機模擬實驗室

可利用計算機資源和場地資源，計算機需配備完善的輸入和輸出設備，通過局域網相互連接，在計算機上利用各種仿真軟件和開發工具如HIML、CCI、JAVA、3DSMAX、Unity3D、EoNsIudlo等軟件對實驗環境、儀器設備、器材、試劑等虛擬實驗處理，結合“血液學檢驗”課程特點，開發建設虛擬實驗平臺，虛擬實驗室建設最為關鍵的就是優化硬件以及軟件系統的設計，其中硬件平臺主要就是計算機系統I/O的接口設備，其中計算機平臺是硬件開發的關鍵，要根據實際狀況進行優化處理。

4.2網絡虛擬實驗室

在網絡技術的支持下進行虛擬實驗室建設，利用編程技術開發軟件制作虛擬實驗室的小程序APP，虛擬實驗平臺分為教師端和學生端。在教師端，教師可利用虛擬教學資源庫中的儀器設備、器材、試劑編輯實驗操作流程和相關數據，學生端則給予學生一定的權限，學生可通過手機或電腦下載軟件使用賬號登錄，以場景漫游方式了解實驗室布局、儀器設備構成，通過觸屏或單擊鼠標等方式在主界面中進行場景切換、實訓操作、考核練習等。

4.3虛擬現實實驗室

實驗室配置VR行走平臺桌面立體式設備、VR一體機、AR/MR 3D眼鏡、3D LED顯示屏、HTCVIEVR頭盔、HTCVive手柄傳感器等裝置，學生可佩戴VR眼鏡或頭盔，手握傳感器，就能身臨其境在虛擬環境中使用各種儀器設備進行各項操作，完成各項實驗操作。

4.4功能特征

血液學檢驗虛擬實驗室建設模式具有以下三項功能，其具體如下：（1）可以實現數字模型建立，通過3DMAX軟件對臨床檢驗科實驗室的目前常用血液項目檢查儀器如艾森NovoCyte2040R流式細胞儀、邁瑞BC-5380全自動血細胞分析儀、SHS-3000血沉儀、Mx3005P熒光定量PCR儀、全血發光血小板聚集儀、CW-3000全自動凝血儀、Cobas e601全自動電化學發光免疫分析儀等設備進行建模處理，根據儀器實際的尺寸進行精準建模，充分保障外觀模型的真實性。對于一些內部結構復雜的儀器，分析其三維模型的結構以及層次，要根據具體結構分區域進行建模處理，最終進行模型合并處理。模型建立后，根據虛擬實驗室的動作進行動畫制作。通過VRP for max插件進行場景的導出處理，對所建模型進行修改，根據實際狀況確定導出格式文件類型。（2）具有交互文檔。VRP主要對動作、事件以及場景三個對象進行設置處理。根據實驗項目實際操作情況進行交互處理，利用交互設計進行腳本編輯器的實驗信息、動作場景的設計，明確具體的關系特征。在3D建模的基礎上將時間維度和交互維度充分融合。（3）網絡出版功能。通過VRP進行交互設置處理，VRP可以使用IE瀏覽器、360瀏覽器，在網絡、本地終端執行，分解實驗步驟以及信息，或查看詳細的結構和屬性，通過旋轉或移動物體來組裝和分解物體。學生登錄虛擬實驗平臺的網頁開展各項實驗，同時通過分解儀器設備和實驗操作步驟，進一步了解儀器的內部組成、實驗原理和流程。

5 虛擬仿真實驗室的建設思路

在血液學檢驗教學中，通過建設和合理應用虛擬實驗室，明確具體的教學內容以及信息，可以充分滿足學生的學習需求。（1）血液學檢驗虛擬實驗室建設。通過虛擬仿真軟件構建實驗室，利用虛擬軟件將各種檢驗儀器和設備建立模型和處理，從空間布局和設備的擺放上，都和醫院的臨檢室完全一致，從化驗標本的采集、接收、檢驗和審核結果，全真模擬醫院臨檢室的整個檢驗流程。根據實驗原理、實驗流程、儀器使用流程等設計虛擬仿真實驗，并形成系統化的模式，其主要的系統構成如下圖所示。（2）系統內容。在進行系統建設中，要明確具體內容，通過建立案例庫、形態學資源庫、醫學檢驗基礎實驗操作平臺、血液疾病檢驗虛擬實驗系統、在線實訓考核測試系統、教學效果實時評價系統的方式開展教學，滿足學生學習的實際需求。

血液學檢驗技術操作平臺包括基礎實驗和血液病檢驗技術四個模塊，即基礎實驗操作系統、血液疾病檢驗操作系統、在線實訓考核測試系統、教學效果實時評價系統。

（1）基礎操作系統是在理論教學以及實驗教學的基礎上，通過軟件對各種試劑、耗材、儀器進行仿真模擬處理，分析實驗原理，根據臨床實驗室各項目實驗操作流程和行業標準編輯虛擬實驗項目。其主要教學內容包括實驗室常用器材和儀器一次性采血針、微量吸管、顯微鏡、移液槍、離心機、干燥箱、恒溫水浴箱、超凈工作臺等儀器設備的使用，標本（血液和骨髓液）的采集與處理，酶聯免疫試劑盒，蛋白質電泳等。

（2）血液病檢驗技術操作系統中包括案例庫、基礎實驗、儀器設備，如全自動血細胞分析儀、全自動血凝分析儀、熒光實時定量PCR儀、流式細胞儀、血細胞形態分析儀器、全自動血小板聚集儀等的使用以及檢測結果分析與審核等子系統。該系統綜合理論知識分析病例，基礎實驗、儀器使用、血液病實驗檢查項目結果分析，通過虛擬仿真軟件模擬醫院病房、檢驗科實驗室環境實現情景模擬，模擬醫院檢驗科科室工作環境，按照工作流程設計平臺操作流程。學生在操作時先瀏覽案例庫中某一病例中患者的基本資料后選擇相應體檢項目，再按照平臺操作流程進行檢驗工作：檢驗申請－病人準備－標本采集－運送與處理－儀器質控校準環節－上機檢測－分析數據－審核結果－出示報告單－儀器日常保養。按照工作流程和工作任務設置完成虛擬實驗操作，讓學生在操作過程中理解和掌握檢驗項目的主要知識點和技能，對檢驗方法的敏感性、特異性、快速、簡單和安全的目標進行評價，理解檢驗項目的參考區間，正確區別參考區間、危急值和醫學決定性水平的關系，并對檢驗結果進行有效分析，將行業新標準與新技術融入實驗項目中，培養學生批判性思維和臨床檢驗思維能力。

（3）在線實訓考核測試系統。根據教學目標和崗位勝任能力的要求，對學生的臨床檢驗思維、實驗技能掌握狀況進行考核。教師與行業專家牽頭制定實訓考核的評分細則和考核標準，并將這些內容融入實驗項目考核測試系統中，學生通過登錄虛擬實驗室軟件進行實訓考核，電腦或手機界面會隨機彈出病例，學生按照檢驗工作流程操作。與醫療檢驗技術平臺中的操作不同，前者在學生操作錯誤時能及時給予提示和警戒，而后者無論操作正確與否都會進入實驗的下一個環節。在學生完成實驗后，平臺會對學生的各項操作進行評價計算成績。該考核系統可允許學生在任意時間和地點進行實訓考核，且實訓成績由系統計算分數，考核方式客觀、公正。

在線實訓考核系統測試系統主要包括：①實驗技能考核。考核內容包括骨髓涂片制備、血涂片制備、瑞氏一吉姆薩染色染、細胞化學染色技術、蔗糖溶血試、3P試驗、APIT檢測等實驗項目。考查形式以技能操作為主，全面考查學生基本技能相關知識和操作的掌握程度以及臨床意義的判斷。形態學考核內容涉及外周血細胞和骨髓細胞形態學，由簡到難的考核方式可以增強學習信心。②臨床檢驗思維能力考核，考核內容為血液系統疾病病例分析。要求根據給出的病例描述及初步的檢查結果，提出進一步需要做的檢查及初步診斷，并進行鑒別診斷分析。

（4）教學效果實時評價系統。評價系統中融于行業的工作標準，系統可根據虛擬實驗軟件的網頁中學生學習的網頁瀏覽量、操作過程次數、實驗環節中的失誤次數、實訓考核成績對學生的學習狀況進行綜合評價，指出失誤、失分環節。

6 虛擬實驗室在血液學檢驗實驗教學中的應用前景

虛擬實驗室的應用是實踐教學一次非常重要的創新性改革，使學生擺脫時間、地域、資源的限制，更為直觀、便捷地完成各項實驗的自主學習，不僅增強了情境教學的效果，而且提高了實踐教學質量。但目前虛擬實驗室建設的成本較高，導致很多院校望而卻步，與此同時，虛擬實驗室只是借助計算機、多媒體技術為學習者創造了虛擬學習環境，不能完全取代真實實驗室的傳統實踐教學，僅能作為輔助教學系統使用。二者互補，才能真正提高教學效果。隨著5G技術和VR技術的不斷發展，虛擬實驗室的建設成本會越來越低，在各學科領域得到更為廣泛的應用。

作者簡介：梁紅梅（1988-），女，漢族，陜西銅川人，研究生，助教，主要從事高職醫學檢驗專業教育教學工作。