醫學微生物學虛擬仿真實驗平臺的設計與構建

任向宇，包麗麗，孫曉琳，殷兆麗，孫傳凱，李 戀，福 泉

（1.內蒙古醫科大學基礎醫學院，內蒙古 呼和浩特 010059；2.內蒙古醫科大學附屬醫院，內蒙古 呼和浩特 010059）

醫學微生物學作為微生物學的一門分支學科，是聯系基礎醫學與臨床醫學的橋梁學科，包含理論和實驗教學。實驗教學是學習、理解及掌握本學科理論知識的重要途徑，有助于學生的知識延伸和能力訓練。隨著信息技術的不斷發展，新的醫學理論和技術層出不窮，之前單純以經典實驗操作為主的教學模式也迎來了重大改革，如何利用網絡信息技術提高實驗教學質量成為亟待解決的問題。

虛擬仿真技術是信息技術高速發展的成果，將其融入實驗教學已成為醫學實驗教學發展的趨勢。虛擬仿真技術主要有虛擬現實技術、增強現實技術、人機交互技術以及三維展現技術等，可利用這些技術將不具備開設條件或實驗難度較大的實驗項目虛擬化，讓學生在模擬環境中獲得與真實環境一致的實驗效果。一直以來我校都高度重視并積極開展虛擬仿真實驗項目建設，2015年教育部批準我校國家級蒙醫學虛擬仿真實驗教學中心的建設，其中包括病原生物學虛擬仿真部分[1]。經過幾年的發展，我校已積累了豐富的建設經驗，為進一步加強虛擬仿真實驗教學改革，課程團隊成員經過多次研討，并結合前期積累的網絡教學資源，在軟件公司協助下共同開發了一定數量的實驗項目。

1 開展醫學微生物學虛擬仿真實驗教學的必要性

1.1 保障實驗教學的生物安全

醫學微生物學實驗材料主要是病原微生物，生物安全一直是伴隨其發展的一個重要問題[2]。2020年2月14日在中央全面深化改革委員會第十二次會議上，生物安全被納入了國家安全體系，讓所有人切實認識到了加強生物安全管理和防護的重要性。醫學微生物學的研究對象比較特殊，是可致病微生物，尤其是一些具有危險性的高致病性微生物（如破傷風梭狀芽孢桿菌、炭疽芽孢桿菌、結核分枝桿菌），相關實驗都伴隨有生物安全問題。在本科階段由于設備條件的限制，難以普遍開設微生物實驗，為防止實驗室感染也難以開放實驗室。在已經開設的實驗中，由于低年級學生生物安全意識相對淡薄，在實驗操作中稍有疏忽就會導致感染等安全事故，如個人防護不徹底、使用儀器和操作不規范、實驗后不消毒、隨意處理實驗物品等，而且部分實驗產生的廢棄物也可能污染環境或存在致病風險，需要通過專門途徑回收并進行高壓滅菌處理[3]。因此，如何在保證師生安全的情況下盡量多開展實驗，一直是醫學微生物學實驗教學的發展方向。而虛擬仿真技術能夠有效規避高危實驗帶來的生物安全問題，且可長期、大范圍、重復使用，符合醫學微生物學實驗教學改革的方向。

1.2 拓展和優化實驗教學內容

虛擬實驗由于不受病原微生物、試劑、儀器等條件制約，在基礎實驗操作階段學生可反復進行模擬操作，加深對實驗原理及操作步驟的理解，為探究綜合性、設計性實驗節省出時間，為學生綜合能力、創新思維和科學精神的培養提供有力保障[4]。尤其重要的是，本課程團隊將分子生物學法分類鑒定細菌、人痰液中結核分枝桿菌的檢驗、流感病毒雞胚培養及血凝血抑等實驗轉化為仿真教學資源，豐富并優化了教學內容。利用微生物學虛擬仿真實驗平臺，能夠同時滿足臨床醫學、蒙醫學、醫學檢驗學、護理學、藥學、中醫學和制藥工程等多專業各層次學生的培養要求，達到了拓展實驗教學的目的。

1.3 突破傳統實驗教學的時空局限

隨著醫學專業招生人數逐年增加，各高校實驗教學都面臨著經費、場地、儀器、設備、教師等資源相對匱乏的問題。醫學微生物學實驗教學除急需解決以上問題外，還面臨著實驗內容與課時一再刪減及生物安全問題。目前僅開展了一些經典常用實驗，如無菌操作、細菌接種、顯微鏡使用等，有些需要精密儀器和昂貴耗材、實驗周期長的實驗不能在本科階段開展。這既阻礙了學生實踐創新能力的提升，又與快速發展的臨床醫學教育嚴重脫節。傳統課堂現場教學具有一次性和即逝性，因此部分學生不能完全掌握規范的實驗操作方法。虛擬仿真實驗教學能夠彌補傳統教學的缺點，實驗不再在某個固定空間進行，師生通過網絡聚集在虛擬實驗空間，教學變得更加開放。教師在虛擬仿真實驗中隨時反復展示標準操作，既培養了學生對醫學儀器設備、器械正確使用的習慣，又強化了實驗技術的規范化操作，有利于提高其專業技能。這較好地體現了在線教學和現代信息技術的優勢，同時節約了教學成本[5]。

2 醫學微生物學虛擬仿真實驗平臺的構建

根據教育部要求，虛擬仿真實驗教學中要充分體現“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則[6]，本課程團隊緊扣此原則，和軟件公司共同構建了虛擬仿真實驗平臺，由4 個實驗教學模塊組成（見圖1）。

圖1 醫學微生物學虛擬仿真實驗平臺Figure 1 Medical microbiology virtual simulation experiment platform

2.1 實驗室安全教育模塊

實驗室安全運行始終是高校實驗室管理工作的重中之重[7]。針對學生安全意識薄弱問題，我們設置了實驗室安全教育模塊，包括生物安全常識、實驗廢棄物的處理、危險化學品的使用及實驗儀器設備（如高壓蒸汽滅菌器、生物安全柜）的標準化操作等內容。同時還補充了一些安全事故應急處置方法方面的教學內容，如實驗容器破碎、酒精等易燃液體引起明火、離心機異常轉動等緊急情況，切實提高學生安全事故處置能力，預防安全事故的發生。

2.2 基礎實驗教學資源模塊

基礎實驗教學資源模塊包括微生物數字切片系統和標準化實驗操作兩部分內容。我們把細菌、真菌及其他微生物如衣原體、螺旋體等的基本形態及特殊結構標本片，全部利用數字化3D 掃描技術處理生成全視野的數字化切片（即虛擬切片），尤其是將本實驗室保存完好的珍貴稀有的標本片掃描成數字圖像永久保存。數字切片不但把玻璃切片上的微生物的大小、形狀、結構排列和革蘭染色等重要信息完美呈現出來，而且不依賴于顯微鏡的性能，圖像質量不會隨時間改變，既方便學生隨時調取圖像觀察，又解決了傳統玻璃切片不易保存、數量限制的問題[8]。同時，我們還將基礎實驗內容進行標準化實驗操作，如革蘭染色、抗酸染色、鞭毛染色等常用細菌染色法，光學顯微鏡的使用，細菌無菌接種，藥敏實驗，生化鑒定等，整合成虛擬仿真實驗內容。這部分經典實驗可以作為學生學習和鞏固醫學微生物學理論知識及實驗技能的引導，為下一層次的實驗教學建立知識框架。學生可以提前預習并反復進行操作，從而在線下課堂上更好地掌握規定的學習內容，增強課堂學習效果。

2.3 綜合設計性實驗模擬模塊

醫學微生物學主要研究與醫學相關的細菌、病毒和真菌等病原微生物，種類繁多，相互之間邏輯性不強。臨床常見細菌的分離鑒定方法、形態特征、菌落特點、生化反應特性等由于實驗條件和課時限制不能全部展示給每個學生。實驗條件要求高、生物安全難以保證等因素限制了醫學微生物學實驗在本科階段的廣泛開展，部分高校采用示教或錄像形式完成實驗，導致學生很容易忽略相關知識的學習。在臨床上病毒是新發傳染性疾病最常見的病原體，其流行極大地威脅著公眾健康，要引起醫學工作者的重視。應用虛擬仿真技術可以解決以上問題。我們按照實驗流程設計了綜合設計性虛擬實驗，團隊成員將膿汁標本的細菌學檢驗、腸道病原菌的分離鑒定、結核分枝桿菌的微生物學診斷、流感病毒的分離鑒定等通過案例分析方式列出實驗流程供學生參考。詳細流程：查閱文獻資料后選定實驗題目—利用基礎實驗教學資源模塊學習過程中以及在其他實驗課程中掌握的實驗技術進行初步實驗設計—規劃儀器耗材的用量和規格等實驗細節并開展預實驗—通過預實驗結果確定最終實驗方案—正式開展實驗—將實驗結果統計歸納后用PPT 總結匯報。將這些實驗中涉及的理論知識和操作技術分解成相對獨立簡單的知識點及操作單元，學生可根據初步實驗方案選取相應的實驗技術，確定實驗條件。在此過程中，將實驗周期長、危險性大、參與度低、靈活性小的微生物綜合設計實驗“模塊化”設置。虛擬仿真實驗沒有時空限制，教師把控實驗的主要方向，學生作為主體參與整個實驗流程，是鍛煉學生科研思維和培養創新意識的良好手段[9]。

除設計傳統的細菌學檢驗與鑒定綜合性實驗外，為與臨床聯系更為緊密，我們還將分子生物學知識融入醫學微生物學實驗中，設計了PCR（生物學的聚合酶鏈反應）法分類鑒定細菌虛擬仿真實驗。PCR 技術目前已在臨床醫學、預防醫學和食品檢測等多個領域廣泛使用，采用虛擬仿真實驗可讓學生及時掌握臨床實用技術，快速與臨床學科銜接。我們將PCR 的基本原理、應用范圍以及儀器的組成、參數設置和使用規程制作成Flash展示給學生，以此激發其學習興趣。采用16S rDNA 基因擴增法，以沙門菌屬為例，包括細菌基因組DNA 的提取、通用引物的設計、擴增體系、反應條件、基因測序和系統進化樹的構建等一系列實驗。分子微生物學研究對象往往是肉眼不可見的微觀世界，因此對學生理解能力、空間想象能力要求高。通過虛擬仿真技術將實驗中的微觀過程轉換成宏觀現象，有助于學生理解其中直接或間接的因果關系，將知識融會貫通，滿足不同層次的學習需求，激發學習積極性[10]。

2.4 學習和考核模塊

平臺與互聯網鏈接后，任課教師可以隨時查看學生的點擊率、學習時間，實時回答學生在學習過程中遇到的各種問題，及時對前3 階段的學習效果進行追蹤，且能及時與學生進行交流。除平時的訓練外，虛擬仿真實驗平臺還設置了基本技能學習模式和考核模式。學習模式主要針對學生的易錯點、難點和關鍵步驟設置考核。比如細菌的藥物敏感性實驗的關鍵步驟和易出錯的操作為菌種管的握持與拔塞方法、接種環的握法以及劃線方法、藥敏紙片的放置方法、抑菌圈直徑的測量、藥物敏感性結果判斷等。流感病毒雞胚培養實驗中易錯的操作為無菌操作技術、胚胎位置的標記、病毒的接種位置等。針對流感病毒的血凝和血凝抑制實驗中雞胚預冷的時間、病毒的倍比稀釋、病毒效價的判定等，可在相關步驟設置障礙，每一個步驟學生若操作失誤，都會有相應的操作提示及規范的操作動作展示。

通過學習模式已經掌握操作規范的學生，可進入考核模式完成實驗考核。考核模式中首先會隨機抽取數字切片讓學生辨認微生物，隨后要求學生完成實驗操作。在沒有任何實驗步驟或設備設置參數提示的情況下，學生需在20 分鐘內獨自完成所有實驗操作，在規定時間內沒有完成操作者則視為考核未通過，要繼續回到學習模式，通過查找相應扣分點針對性地反復練習。如果考核模式中有任何問題，學生也可以隨時切換至學習模式學習，此時在考核模式中之前的操作將取消，學生完成學習后重新參加考核，考核次數不受限制，直到對成績滿意為止。這樣就消除了傳統單一地通過實驗報告考核學生實驗水平的弊端，真正做到把過程與結果有機融合在一起，充分調動學生學習積極性和主動性，還可以客觀公平地反映實驗教學質量及教師教學效果[11]。

3 虛擬仿真實驗進一步完善的方向

在今后的實驗項目建設中，應注重與社會發展、人才培養目標緊密結合，又要較好地融入本學科教學特色，重點探索與其他學科交叉的綜合設計性實驗[12]。（1）鼓勵教師自主研發實驗項目尤其是創新性實驗項目，如開發與臨床醫學和地區發展密切相關的布魯氏菌病等虛擬仿真實驗，為我校形成一套完整的多學科虛擬仿真實驗課程體系奠定堅實基礎。（2）構建虛實深度融合的范式與機制。經過多年經驗積累，可以肯定虛擬仿真實驗對課堂教學的積極作用，但其不能取代線下實驗教學的主體地位。每次學生完成線上虛擬仿真實驗后，待恢復線下教學還會對重要的實驗技術再次進行操作，由于前期學生已經對本學科有了良好的認知基礎，訓練時會盲目操作，不但減少了安全隱患，而且大大提升了實驗成功率。因此，本課程團隊努力探索虛擬仿真教學方法，積極打造線上線下虛實結合的實驗教學模式，在引導學生自主學習的同時歸納總結教學問題，團隊合理反饋后形成軟件更新或改善的“初腳本”。這將起到優化教學內容的作用，同時也對團隊教師提供了創新的方向，有利于對接“金課”標準，明確建設“金課”的思路和方向[13]，在校企合作基礎上爭取打造一批高質量的虛擬仿真混合式“金課”，提升高校人才培養質量。