病原生物学与免疫学相融合的虚拟仿真综合实验设计与初步应用

张 珍，胡 涛，杜镇镇，耿 丽，赵慧琳

(滨州医学院，山东 烟台 264003)

虚拟仿真实验是运用虚拟现实、生物仿真、多媒体与网络通讯等技术，与相应的专业知识与技能相结合而构建的虚拟实验环境，学生可以运用里面的虚拟实验设备和物品，按照实验步骤进行训练，此方法为实验教学提供了新思路[1]。近年，已有不少基础医学虚拟仿真实验项目用于教学，但这些实验内容较单一，缺少学科之间或学科内多个知识点交叉的综合性实验。在此尝试把病原生物学与免疫学有机结合，构建虚拟仿真综合实验项目，以拓展学生思维、增强他们解决实际问题的能力。下面以“细菌诊断血清制备与凝集反应”为例，介绍虚拟仿真综合实验的设计与教学过程。

一、虚拟仿真综合实验“细菌诊断血清制备与凝集反应”的设计思路

细菌的培养与形态、特性的观察是病原生物学最基础的内容；细菌又是人机体最常见的抗原，抗原与抗体特异的免疫应答是免疫学的核心主线。现以细菌作为抗原接种家兔制备诊断血清(即抗体)，制备出的抗体又可反过来用于待测细菌抗原的检测，即菌种鉴定。此综合实验把几个经典微生物与免疫学实验无缝衔接，学生既能理解机体免疫应答的规律，又掌握微生物培养到临床感染诊断的全过程，是理论与实践的有机结合。据此设计了详细的实验内容脚本，与软件公司技术人员合作，结合生物仿真、动画制作等技术，共同制作虚拟仿真实验项目，通过网络平台呈现给学生。

二、“细菌诊断血清制备与凝集反应”的内容与操作方法

首先，综合实验包括实验目的、关键词释义、实验流程及思考题等几大部分，点击各标题即可查看详细内容，比如关键词释义，会配以文字或图片介绍，学生能较快熟悉相应理论内容和相关的背景知识，进入实验状态。

实验流程部分是重点内容(见附图)，流程包括好几个实验模块，每个模块都是一个单独实验，学员按照顺序或选择任一需要学习的内容，单击即可进行学习。每个模块有录制的教师操作视频演示，也有虚拟操作部分。学生可观看真人操作视频，观摩操作过程与细节；也可在线进行虚拟操作练习，按照操作提示即可顺利完成实验的各个步骤，感受真实的实验过程。此虚拟实验制作专业，实验器材、物品与实验步骤形象逼真，实验环节层次分明、井然有序,实验结果准确、直观，计算机可对学生虚拟操作过程及器材选择是否正确进行提示和评价，在关键步骤还有注意事项提示等。实验后配有相应思考题，从理论到拓展应用，引导学生多角度思考、充分领悟其中的作用机制。

附图 细菌诊断血清制备与凝集反应流程图

三、虚拟仿真综合实验的教学过程

1.研究对象。随机选取我校2016级临床医学3个班186名学生为研究对象，采用虚拟仿真实验平台与常规课堂实验相结合的教学模式；另两个班125名学生为对照组，采用常规课堂实验教学模式。两组学生为随机选取。

2.课前预习。学生登录虚拟仿真实验平台，可查看实验目的、关键词释义、实验流程等，进行预习。对重点概念和知识点提前理解、梳理，观看操作视频、仔细观摩操作细节，对实验内容有初步了解。

3.课堂教学。选取综合实验中的玻片凝集实验，让学生实际操作。首先实验教师讲解、演示具体操作步骤，实验室事先准备好相关试剂，如培养的几种待测细菌(抗原)、伤寒杆菌诊断血清、变形杆菌诊断血清以及玻片、取菌环等，学生现场动手练习；课堂上，学生也可随时查看虚拟仿真教学系统的操作视频或实验流程中的其他环节，如细菌的培养、免疫家兔的程序(皮内注射、耳缘静脉注射)、家兔心脏取血、血清收集保存等系列实验，搞清楚所用抗体的来龙去脉。这些实验周期较长、所需动物多，且受安全、场地等因素的影响[2]，现实中不易开展，正好通过虚拟实验完成，达到“虚”与“实”相补的目的。

4.课后复习与演练。课堂实验完成后，学生仍可以登录虚拟实验平台反复练习，可加强对知识点的深度理解，比如联系到细菌的结构与特性及机体在受到抗原刺激后、体内相应抗体产生的过程和规律等，加强学科之间横向、纵向的联系，锻炼学生的综合思维及创新理念。

四、教学效果的评价

2.实验组问卷调查结果。问卷内容包括虚拟实验能否促进理解和深化知识、激发学习兴趣、提高自主学习能力、实验满意程度等。发放问卷186份(实验组)，回收有效问卷186份，有效回收率100%，结果如下(见附表)。

医学免疫学和病原生物学都是实践性强的基础学科，知识相互渗透、密切相连，且免疫学是很抽象的理论性学科，现实中的实验受学时、仪器材料等限制，开展数量有限[3]。虚拟仿真实验通过视频、动画、图片、音频等多媒体素材，多角度、全方位地展示实验原理和流程，为学生提供每一步线上操作的机会，使抽象的过程具体化，增加学生学习兴趣，有助学生实践与综合思维能力的提高[4]。但虚拟仿真实验项目实施中也存在一些问题，比如制作费时费力，专业教师与软件公司技术人员各有优、劣势，有些思路与操作步骤的理解配合还有欠缺；学生对科学兴趣、思维创新等能力的提高，在学科结束以期末考试为主的评价标准里很难体现出来，多少会影响学生积极性。相信随着时间积累和经验的总结，虚拟仿真综合实验的设计与开展会更完善，在培养复合型高等医学人才中发挥更大的作用。

附表 实验组问卷调查结果