流式细胞术检测免疫细胞分型虚拟仿真实验教学

汪少辰

（中国科学技术大学生命科学与医学部，安徽 黄山 230027）

一、绪论

血液学检验技术是实验室研究和临床检查常用的检验手段，是实验教学的重点内容，目前主要是用流式细胞术进行血液学检验。流式细胞术是利用流式细胞仪对细胞或其他各种微粒进行多参数高通量分析和分选的技术，是应用于肿瘤检测、白血病及淋巴癌诊断的重要手段之一[1]。在传统的教学模式中，由于流式细胞仪售价昂贵，且受到了实验设备、成本、时间等多因素的限制，学生只能通过老师的演示教学来认识整个实验流程，无法亲自动手实践，难以调动学生的积极性，影响教学效果。

随着计算机技术的发展，虚拟仿真实验应运而生，虚拟仿真是用虚拟技术模仿出真实的实验场景，学生进行学习[2]。通过借助多媒体技术使学生身临其境，突破已有教学条件的限制，改变以往教师为主体的课堂模式，把课堂还给学生，提升实验教学质量[3]。

本文拟以“流式细胞术检测免疫细胞分型”实验为例，浅述该实验进行虚拟仿真教学的建设与发展，为今后建设该虚拟仿真实验项目提供一定的参考意义。

二、虚拟仿真实验的特点

（一）满足课堂教学需求

传统实验教学的效果受课堂人数和器材设备的影响大打折扣，而虚拟仿真实验可以打破这些因素的限制，将那些难度大、设备贵、不易进行的实验以交互式的方式呈递给学生，方便学生观察实验和动手操作，提升教学质量。有的虚拟实验室使用3D 打印、人工智能等技术，为学生提供趣味性的学习平台，启发学生的思维[4-5]。

（二）充分利用平台资源

根据教育部通知，为提高实验教学质量，至2020 年将认定1000 项左右虚拟仿真实验教学项目[6]。合理利用已有的虚拟仿真实验平台资源，可以借助这些平台解决实际教学中存在的问题，弥补现有实验教学的不足。

（三）提高学习效率

利用虚拟仿真实验平台授课，将大大提高学生获得新知识的效率，在有一定的知识基础后，有的放矢地对教学过程中的重难点展示和深度剖析，甚至让学生进行实物训练。在某些学生观察或操作较困难的实验项目中虚拟仿真实验可以为学生的实训提供更多的课堂空间，有利于老师对学生的指导，进一步提高学习效率。

三、流式细胞术检测免疫细胞分型虚拟仿真实验

多种免疫细胞在人体内参与免疫应答，起到调节多种免疫反应的作用，免疫细胞数目的异常能预示疾病的发生，因此进行免疫细胞的分型对于评估人体健康状态和临床上优化治疗方案都有重要的价值。利用流式细胞术分析不同免疫细胞类型和组织的表型和功能，是目前对白血病、淋巴瘤等多种疾病研究的重要手段。但是由于设备昂贵、操作难度大、学生人数众多等原因，学生的学习只能停留在理论知识和教师展示层面[7]。不能亲自进行实验操作，是无法真正掌握免疫细胞分型技术及其在诊断和治疗中的意义的。

因此，我们设计了基于流式细胞术检测免疫细胞分型的仿真操作虚拟实验系统，让学生用电脑进行有关血液样本免疫细胞分型的实验操作，为学生提供了虚拟仿真操作实验平台，有助于学生将实验操作与理论知识联系起来。本平台主要设计为信息管理、模拟仿真、虚拟测量、报告提交、在线交流五个部分。

（一）信息管理

在虚拟仿真实验室中，有流式细胞术的实验原理和实验仪器的简介、实验操作步骤的详细视频教学，学生可以通过观看视频及图片，掌握实验的基本理论。

（二）模拟仿真

该实验设计成四个步骤，在学生在实际操作过程中，通过软件完成细胞前期预处理、流式细胞仪开机、流式细胞仪检测免疫细胞分型、流式细胞仪关机等操作。在学生进行操作时，如果操作错误，系统会进行错误提示，并正确地引导学生操作（图1）。

图1.流式细胞术检测免疫细胞分型虚拟仿真实验设计框架

（三）虚拟测量

实验过程中的每个操作会预先设定答案，学生根据系统提示，进行一定的操作或选择，系统将根据学生所做的选择进行判读计算得分。比如在细胞预处理过程中会需要选择离心机的转速和升降速，对于分离外周血单个核细胞时如果转速选择小于300 g 或大于600 g，亦或是升降速没有设置成0 该步骤都将判定不得分。虚拟实验操作平台将对学生每一项操作时间、准确性和结果等做出判断并自动生成一个分数保存，根据各项目操作得分综合给出最终得分。

（四）报告提交

实验结束后，学生需根据本节虚拟实验课提交一份实验报告，包括有研究背景、研究目的、实验原理、试剂与仪器设备、实验步骤、实验结果，以及对实验过程的分析讨论、反思。

（五）在线交流

除了对完成的实验结果的讨论环节，系统还有在线提问和在线答疑的功能，学生与教师可以进行实时互动，方便教师掌握学生的学习进度，调整授课策略。

四、流式细胞术检测免疫细胞分型虚拟仿真实验的发展

（一）完善虚拟仿真实验项目

更新流式细胞术检测免疫细胞分型实验信息管理，提供更多的参考资料帮助学生了解本节知识的前沿知识，理解开设本实验课程的意义所在。完善平台的功能，给教师和学生提供多元化的选择。同时根据上过课的老师和同学的反馈，优化部分功能，便于操作。同时需要完善本平台的网络管理，给师生提供一个安全稳定的使用环境[8]。

（二）促进资源开放共享

在使用一定时间后不断完善本平台后，推向其他高校和地区，实现优质资源共享。

（三）线上线下相结合

在实验教学过程中，不仅要掌握理论知识，更需要严格规范的操作，尤其是对于流式细胞术这种对操作有一定要求的实验。因此我们不能局限于虚拟仿真平台，在平台上熟练掌握后应当在实际训练中锻炼学生的动手能力，虚实结合，相互补充。

五、展望

随着信息技术的飞速发展，给流式细胞术实验教学的改革带来了新的机遇和挑战。虚拟仿真教学可以弥补传统实验课程的不足，在流式细胞术实验教学中具有广阔的应用前景。本文提出的“流式细胞术检测免疫细胞分型虚拟仿真实验”一定程度上可以改善目前存在的设备耗材昂贵、操作难度高等问题，提高学生对本实验的理解和掌握。我们需要充分利用虚拟仿真教学的优势，选择适合教学实际的内容，但在提高虚拟教学能力的同时，还要培养学生的实践能力，线上线下相结合，最大程度发挥虚拟仿真平台的作用。