基于虛擬仿真技術的微生物限度檢查教學資源建設

李 悅，劉 芳

（天津醫學高等專科學校藥學與生物技術學院，天津 300222）

中藥飲片是中醫治療疾病的物質基礎，是生產制備中藥制劑的藥材來源，同時也是我國中藥行業三大重要支柱之一[1-3]。為全面提升中藥質量，防止外源性微生物污染，保障臨床用藥安全，促進中藥產業健康發展，2020 年版《中國藥典（四部）》新增中藥飲片微生物限度檢查法（通則1108）作為衛生學檢查必須遵循的質量標準[4]。檢查對象包括需氧菌、霉菌和酵母菌、耐熱菌、耐膽鹽革蘭陰性菌、大腸埃希菌、沙門菌等中藥材在種植、栽培、包裝、運輸、存儲過程中易出現的微生物，并對檢驗環境與檢驗過程提出明確要求；對微生物計數、控制菌檢查和結果判斷也做了明確的規定。這一標準的落實，使中藥飲片微生物檢查有了檢驗依據，加強了中藥飲片質量監管，為提升中藥飲片質量奠定了基礎，促進了中藥行業規范化發展，同時有助于推進中藥國際化進程，擴大中醫藥在海外的影響力[5-6]。

醫藥衛生職業教育以行業需求為導向，根據行業發展趨勢和人才需求更新、完善教學內容。對接行業技術規范，面向中藥專業增設中藥飲片微生物限度檢查實訓課程，使學生掌握中藥質量控制新技術、新標準，成為嚴謹科學的質檢人，為中藥質量安全保駕護航。

中藥飲片微生物限度檢查涉及中藥學、微生物學以及中藥制劑分析等多門學科知識與技能，包括潔凈室更衣、菌液制備、供試液接種、培養與計數等模塊。由于其實訓教學受潔凈室無菌環境、細菌培養周期、檢查設備種類、危險化學品管理、試劑耗材成本、教學組織安排等多種因素影響，無法完整重現檢驗工作全貌，導致實訓內容與崗位工作出現偏差，影響了學生學習興趣和學習效果。

1 虛擬仿真技術在中藥飲片微生物限度檢查實訓教學中的應用

虛擬仿真是一種基于計算機模擬、圖形渲染和人機交互原理的數字技術[7-8]，能夠將真實場景數字化，模擬真實世界的情境和行為，借助傳感器、輸入設備和顯示設備，使用者可以進行互動、觀察和實踐，從而獲得一種身臨其境的沉浸式學習與訓練體驗。目前廣泛應用于醫療、教育、航空航天、工程設計等各個領域的虛擬現實（virtual reality，VR）、增強現實（augmented reality，AR）、混合現實（mixed reality，MR）和全景視頻（360-degree video）等都屬于虛擬仿真技術[9-10]。

目前，基于虛擬仿真技術的中藥飲片微生物限度檢查實訓教學研究尚處于起步階段，關于國內醫藥衛生職業教育中藥學專業運用數字技術進行常見飲片微生物限度檢查實訓資源建設方面，仍缺乏系統性研究。

基于中藥飲片質量檢查的真實崗位情境，利用虛擬仿真技術還原藥品生產企業進行微生物檢查的完整工作流程，支持全平臺、跨設備、多場景實訓，利用智能影音功能，模擬實訓教學中“高風險、難實施”的應用場景，解決了傳統實訓“高投入、難再現”的問題。其特點主要為深度沉浸的實訓環境，高度仿真的教學內容，移動泛在的學習模式以及多元智能的評價體系[11-13]。

（1）深度沉浸，高頻交互。運用VR 技術的3D 建模與色彩渲染功能對潔凈室、準備室、樣品室和培養室進行模型建構。利用VR 系統的頭盔、顯示屏和桌面云系統實現微生物區更衣、環境檢查及消毒、試驗菌液接種等虛擬場景的立體呈現。音頻技術能夠模擬實驗過程中供試液制備和微生物培養的聲音效果，增強對聽覺感知系統的刺激。通過將教學內容融入虛擬情境，使學生置身于模擬現實的學習空間，快速進入學習狀態，激發學生內在學習動機。

（2）聚焦技能，真學實練。校企深度合作，按照真實工作內容，序化重構中藥制劑分析課程的實訓任務，科學設計教學環節，運用VR 技術展示微生物檢查全過程。在虛擬仿真實訓中學生能夠體驗多種常見中藥飲片的前處理過程，反復進行菌株接種練習，強化記憶各種培養基的功能。將實訓基地的實際操作與多種飲片的虛擬仿真實訓相結合，拓寬學生視野，提升其運用專業技能解決實際問題的能力。

（3）移動泛在，自主學習。虛擬仿真實訓教學軟件提供了視覺友好的操作界面，樣品檢驗操作指導清晰，實驗室地圖全程引導，且支持多人同時在線學習。學生可以錄制音頻、發布圖片與教師和其他學習者分享培養基接種心得，討論供試品溶液提取分離過程中遇到的問題。同時還能全面兼容多種設備，打破了傳統微生物實訓教學的空間限制，使學習者時時可學、處處能學，營造了自主探究的學習氛圍。

（4）多元評價，全程育人。虛擬仿真教學軟件基于多元評價理念，采用全過程、全方位、多角度、強交互的評價方式。在供試品溶液制備工藝、培養基制備與接種、菌落計數技能考核的基礎上，增加人機問答、案例分析等，培養學生解決問題能力，以及一絲不茍、精益求精的職業素養。

2 微生物限度檢查虛擬仿真教學資源建設

麥冬為百合科植物麥冬的干燥塊根，具有養陰生津、潤肺清心的功效，主要用于治療肺燥干咳、津傷口渴，是常見中藥[14-15]。針對中藥飲片微生物限度檢查崗位任務，我們設計研發了兩種虛擬仿真教學資源，一種是基于VR 技術、采用微生物計數法控制麥冬飲片中微生物污染程度的虛擬仿真教學軟件，另一種是教師團隊自主設計開發的與教學軟件相配套、基于AR技術的數字化活頁式實訓手冊。本研究以完善中藥飲片微生物控制標準體系為目標，中藥分析學、高性能仿真和數據科學等學科為基礎，通過兩種虛擬仿真教學資源建設，補齊了實訓教學的短板，增強了實訓課程的科學性和創新性[16]。

2.1 設計思路

虛擬仿真教學資源建設總體框架包括微生物限度檢查數據收集、虛擬仿真教學軟件設計與開發、數字化活頁教材App設計與開發、實訓教學項目設計4 部分（見圖1）。

圖1 虛擬仿真教學資源建設總體框架Figure 1 Overall framework for the construction of virtual simulation teaching resources

（1）數據收集。對2020 年版《中國藥典》進行學習，查閱文獻，聆聽專家解讀，整理檢查原理、方法、內容、判定依據和必要性等相關資料。在理論研究的基礎上，赴藥品檢驗機構進行學習，前往產業學院下設的龍頭企業進行調研和崗位觀摩，采集廠房、儀器設備及現場環境的相關數據，建立微生物限度檢查數據資源庫。

（2）軟件資源設計思路。基于調研和崗位實踐，形成微生物限度檢查標準操作規程（SOP）。依據SOP 要求設置試驗場景仿真、虛實交互、智能語音對話和項目考核測評等功能。通過程序開發與數據處理最終完成虛擬仿真教學軟件，用于實訓教學、仿真操作和考核管理。

（3）教材資源設計思路。在教材設計方面，以培養藥品檢驗職業能力為核心，微生物限度檢查職業活動為主線，計數法檢查麥冬飲片的微生物限度實訓項目為主體，通過項目驅動，構建以工作過程為框架的課程結構，建立“活頁教材+ 活頁筆記+ 實踐訓練+ 功能插頁”四位一體的數字化實訓手冊，并開發App 軟件，方便學生在手機端學習。

（4）實訓教學項目設計。將微生物檢查崗位任務劃分為任務目標、任務實施、任務報告和任務評價4 個模塊，使學生真實體驗崗位對潔凈度的要求、不同類型培養皿的培養方法、中藥飲片的前處理技術、微生物計數法的操作步驟和注意事項，掌握微生物限度檢查的基本原理與操作要點，培養學生嚴謹求實、遵章守紀的職業素養，增強學生安全意識和環保意識。

2.2 資源研發

2.2.1 麥冬微生物限度檢查虛擬仿真教學軟件研發 該教學軟件主要包括儀器設備、實驗室地圖導覽、操作步驟以及拓展練習4 個模塊。

（1）儀器設備模塊。采用第一視角進行三維場景渲染，模擬藥品檢驗機構和生產企業常用型號的傳遞窗、生物安全柜、生化培養箱和漩渦震蕩儀等儀器設備。通過虛擬仿真實時交互，給予必要的提示與反饋，幫助學生認識儀器的結構與功能，了解其在微生物限度檢查中的作用。

（2）實驗室地圖導覽模塊。通過多地圖交互功能，實現實驗場景和任務節點高效切換，使學生了解潔凈室、樣品室、培養室和觀察室的用途以及進行的實驗操作，加深對實驗內容的理解。在實訓室進行操作時，任務節點的推進往往伴隨著往返場地、人員消毒、設備清潔、藥品過傳遞窗等重復性勞動，不僅占用寶貴的上課時間，也造成實驗材料的大量損耗。利用虛擬仿真軟件進行本項訓練，可以有效解決上述問題。

（3）操作步驟模塊。該教學軟件模擬了微生物計數法檢查麥冬微生物限度的完整實驗流程，包括微生物區更衣、檢查及消毒、試劑用品領取、試驗菌液接種、培養基適用性試驗、麥冬供試液制備、供試品檢查、培養與計數、菌數報告、清場消毒，共10 個任務節點。操作過程中不僅有文字提示，還有智能語音對話，可實時響應用戶提問，并針對問題進行專業指導。傳統實驗教學一般需要較長時間培養菌種，如胰酪大豆胨瓊脂培養基平板和沙氏葡萄糖瓊脂培養基平板需分別在不同培養箱中培養3天，受課時限制，這部分內容往往安排在課下完成，對學習的連續性造成一定影響，加之部分學生學習自主性不強，課下任務完成率明顯下降。利用虛擬仿真軟件進行操作練習則能有效縮短等待時間，增強學習的連貫性，提高學生學習效率和主動性。

（4）拓展練習模塊。虛擬仿真軟件同時具備教學、練習和考核功能。其中，教學功能通過動畫和操作視頻演示來實現。練習功能包括操作步驟練習和拓展練習。拓展練習也是對學生微生物限度檢查理論知識和操作技能的綜合考查。考核功能可以評價并記錄學生的操作情況，將信息保存在后臺，以便教師追溯和點評。

2.2.2 活頁教材與數字化實訓手冊開發 活頁教材是對虛擬仿真實訓的有力支撐，包括實訓簡介、實訓目標、崗位介紹、參考資料、儀器設備、實訓步驟、實訓考核、藥典規定和拓展練習9部分。數字化實訓手冊是在活頁教材的基礎上，利用Unity 3D平臺，采用動畫、三維仿真和AR 技術開發的App 應用程序，可在移動端口實現微生物限度檢查儀器設備掃描識別、三維觀察和結構分解、原理剖析和語音講解等。

（1）掃描識別功能。通過掃描實訓教材中的圖片，學生可以在手機端查看儀器設備的三維立體透視效果，了解儀器設備的外形構造、組成元件以及功能、用途和基本特點，有助于提高學習效率。

（2）三維觀察和結構分解功能。通過點擊屏幕可以對模型進行平移、旋轉、放大、縮小等三維動態操作，細致觀察儀器內部結構和空間構成。此外，該功能還能對儀器設備的組件一鍵分解，對其中某個組件進行三維觀察。此項功能有助于提高學生認知水平，解決無法觀看儀器內部結構的實訓難題。

（3）原理剖析和語音講解功能。利用動畫演示儀器運行時各組件的變化過程，模擬藥品檢驗標準操作步驟。而語音提示則可以介紹儀器的工作原理，講解藥品溶液在儀器設備中的處理過程，以及每一步操作的目的和得到的產物。此項功能有助于增強學生學習自主性，解決儀器原理難理解的實訓難題。

3 微生物限度檢查實訓教學實施

針對微生物限度檢查實訓環境要求高、操作環節多、儀器原理難等問題，我們依托國家級虛擬仿真實訓示范基地建設項目，開發了中藥麥冬微生物限度檢查虛擬仿真實訓資源，將仿真軟件與活頁教材有機結合，遵循“以虛助實、虛實結合”原則，同步建設藥品生物檢定技術技能創新平臺，以真實環境為載體，結合虛擬仿真實訓平臺在創設學習情境、豐富交互體驗方面的優勢，組織實施混合式實踐教學，夯實學生基礎，突破教學難點，拓展應用范圍。

實訓教學的實施以建構主義理論為依據，真實再現中藥飲片微生物限度檢查工作任務，將“嚴謹求實、精益求精”的職業素養培養貫穿教學始終。教學過程包括課前自主學、課中交互學、課后拓展學3 個模塊，通過情境導學、技能教學、仿真促學、崗位踐學和行業拓學5 個環節，引導學生進行探究式學習。運用PBL 教學法、分層教學法和小組討論法等激發學生學習興趣，使學生在主動參與、交流合作、探索研究中達成既定教學目標（見圖2）。

圖2 教學實施過程Figure 2 Process of teaching implementation

（1）情境導學創設職業環境。教師以“中藥飲片迎新規，藥典增加新標準”行業信息作為教學案例，創設職業環境，分析政策出臺的背景，對制藥行業和從業人員的影響，并針對案例提出問題，組織學生進行主題討論，導入教學內容，使學生加深對學習目標的理解。

（2）技能教學助力突破難點。通過標準操作視頻、3D 動畫、虛擬仿真教學軟件、活頁教材與數字化實訓手冊等教學資源，使集菌儀、薄膜過濾器等檢驗儀器的復雜原理形象化、可視化。通過動手操作和細致觀察，使學生理解供試品在儀器中的過濾、培養過程，有效突破實訓教學難點。

（3）仿真促學掌握工作流程。運用桌面沉浸式教學設備（3D射頻眼鏡、VR 系統頭盔和VR 管理系統服務器），搭建CAVE系統教學環境，學生可以進行虛擬仿真實訓教學軟件中10 項工作任務的具體操作，提升操作技能水平，也有助于對整個工作流程的把控，掌握教學重點。

（4）崗位踐學強化綜合能力。實訓環節，由教師講解實訓項目以及注意事項，并對學生進行個性化指導。學生以小組為單位進行實踐探索，組內協同、組間競爭，完成學習任務。

（5）行業拓學促進技術應用。在總結環節，企業導師介紹微生物限度檢查行業前沿技術與質量規范并布置相關作業，引導學生課后查閱文獻，自主設計應用方案，進行拓展學習，增強學生創新意識，提升學生競爭力。

4 討論

本研究運用VR 和AR 技術模擬中藥飲片微生物限度檢查的真實工作場景，按照標準操作規程設計了生動有趣、交互性強的虛擬仿真實訓軟件和數字化實訓手冊，更新了中藥類課程實訓資源，構建了線上線下有機銜接、虛實結合、以虛助實的實訓課程體系，彌補了傳統實訓教學在時間、管理等方面的不足，有助于提升學生飲片質量檢查能力和創新能力。下一階段的研究工作將聚焦基于自然語言人工智能的教學指導與評價模塊的設計，同時針對區域產業需求，重組任務模塊，開發面向不同工種的微生物限度檢查培訓包，不斷提升職業教育服務地方經濟發展的能力。