基于虚拟仿真技术的医学免疫学线上综合性实验教学研究——以免疫细胞治疗细胞制品质控实验教学为例①

陈 瑾 许 健 胡正军 周云凯 （浙江中医药大学医学技术与信息工程学院，杭州310053）

推进课堂革命，开展形成性教学评价，提高教学质量，是一项政府积极引导、高校致力实践的重大战略任务。在“互联网+”背景下，现代信息技术与教学过程的深度融合被认为是实现课堂革命的主要手段［1］。新冠肺炎疫情的骤然降临，迫使学生和任课教师全员“触线”，据统计，约23 亿人次投入到线上教学［2］，经历了一次真实彻底的“互联网+教学”实战。教育部发布了《在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》（教高厅［2020］2 号），要求各高校制定疫情防控期间在线教学实施方案。实验教学注重操作，使得其开展线上教学尤为困难，而虚拟仿真技术为此提供了有效实现路径，在实验教学改革中发挥了重要作用。各高校充分利用国家虚拟仿真实验教学项目共享平台服务，依托虚拟仿真实验课程资源提供在线实验教学支撑和教学考核管理。

医学免疫学是连接基础医学和临床医学的重要桥梁课程，同时与细胞生物学、生物化学、医学技术、预防医学等多学科存在广泛的交叉和渗透，是一门公认的既难教也难学的课程［3］。医学免疫学实验教学过程应该注重实验内容符合临床应用，增强实用性和针对性，如近年的肿瘤免疫治疗热点问题和前沿研究被纳入医学免疫学实验教学体系［4］。肿瘤免疫疗法是继手术、化疗、放疗之后的第4种肿瘤治疗模式，被誉为人类最有希望攻克癌症的手段，其中研究最为深入的即嵌合抗原受体T 细胞免疫疗法（chimeric antigen receptor T-cell immunotherapy，CAR-T）［5］。CAR-T 疗法包含 T 细胞分选、CAR 结构转入、T 细胞活化扩增、回输观察（图1），其中T 细胞制品的质量控制是回输疗效的关键，在《细胞治疗产品研究与评价技术指导原则》中要求对回输细胞的活性、纯度、功能性进行分析，目前临床上多采用流式细胞仪进行回输T细胞质量监测。流式细胞仪因其快速、准确、多参数的检测特征，广泛应用于临床血液学、免疫学、肿瘤学和药物学等多个学科，涵盖了从基础研究到临床诊断等多个方面［6］，也是医学免疫学关键技术，许多高校加强了对该技术的教学重视。

图1 CAR-T治疗原理及流程［5］Fig.1 Principle and procedure of CAR-T therapy［5］

但CAR-T 细胞质控流式检测在实际实验教学中存在困难：①整个T细胞制品质量检测周期长，包括CAR-T 细胞体外培养和质控检测，整个周期在2 周左右，无法在单一、有限的教学时间和教学空间内完成；②实验无菌要求高，生物污染风险大，细胞培养易受细菌、真菌、病毒等污染，需在无菌室内进行，不适于对大批量学生进行公开教学；③流式细胞仪属于高精密度、自动化复杂仪器，高校教学资源局限无法保障每位同学操作使用。基于此，教研组以CAR-T 细胞制品质控为主线，综合流式细胞仪细胞活性、表面标记、细胞凋亡三大应用技术，建立“免疫细胞治疗中细胞制品质量控制流式检测的虚拟仿真实验项目”，研究医学免疫学线上综合性实验教学方法，借助虚拟仿真技术沉浸性、交互性和构想性特征，设立虚拟情境实验操作，提高学生的学习兴趣和自主性，培养探索精神。

1 教学目的

1.1 知识目标 巩固肿瘤免疫和T 细胞免疫相关知识点，了解CAR-T 疗法基本原理及实施过程中T细胞制品质量控制的要素（包括细胞活性、CAR 阳性率表达和杀伤作用测定等），学会流式细胞仪调试、操作与维护，并对免疫细胞制品质量进行检测控制。

1.2 能力目标 通过视频示教、任务发布、虚拟情境实操等教学实施，激发学生学习兴趣与探索精神，培养团队协作意识，锻炼检验实践能力，增强医学生临床业务能力，提升教学效果。

1.3 素质目标 “高校教育，以本为本”，要求提高人才培养的质量，一方面让学生了解和掌握免疫领域先进技术，拓宽学生视野，培养学生的创新思维能力；另一方面形成质控的管理思维，辩证思考问题，形成医学严谨的态度，树立医者的责任意识。

2 教学对象与方法

2.1 授课对象 选取医学检验技术大三年级3 个班级的学生（共计100 人次）进行线上实验教学探索。

2.2 教学方法 线上教学相较于传统班级教学模式有其鲜明特征，从而改变教学方法趋向于“以学生为主体”的教学范式。线上教学是一种开放式课堂，打破原有教学时空观，与传统现场教学活动的一次性和即逝性相比，线上教学能够反复进行，便于学生复习、理解和巩固，较好地体现了个性化学习优势，因此抓好学生自律性是关键。同时线上教学可承载更多样化的教学资源，书本是基础资源，但已不再是唯一，针对本项目涉及的免疫疗法，在线上教学中资源涵盖从2018 年诺贝尔生理学或医学奖关于PD-1 的新闻报道到顶级期刊上发表的肿瘤免疫治疗研究进展，以及CAR-T 疗法临床应用案例等，形成了在线教学资源的开放化、多样化，引导学生在面对来自不同渠道的观点和学说时，在其相互交锋、互补之中加以理解、比较，从而拓宽视野，培养独立思维能力和批判思考能力，实现主体介入学习，形成知识的建构［1］。再者线上教学变革了从“面对面”传授到“人对人”互动的教学观，学生从僵化的班级集合体中解放出来，教师更关注在线的每一位学生个体的情况，学生亦可与老师一对一交流，突出了学生个性化需求，激发了学生学习的积极性和主动性［7］。在线上教学特色基础上，教师以虚拟仿真沉浸性、交互性实验平台为依托，在实验导入及实验实施过程中分别引入问题导向教学法和任务驱动式教学法，进一步增强学生的学习兴趣和团队沟通协作能力。

2.2.1 问题导向教学法 针对实验教学目的，课前为学生设计了系列问题（表1），包括基本问题（学生通过理论学习给出答案）、重难点问题（需学生阅读思考后回答）、实践问题（应用所学知识解决问题）及拓展问题（启发性思考），促进同学深度参与，有效培养自主学习，启迪智慧，学以致用。根据学生的回答及存在疑问，整合课本知识与课外拓展材料，制作了CAR-T 细胞免疫治疗原理及流程演示视频，引导学生主动学习掌握CAR-T 细胞制品质量控制的要素，以及细胞制品质量流式检验的方法及合格评价依据。

表1 问题导向教学Tab.1 Problem-based learning

2.2.2 任务驱动式教学法 任务驱动式教学为学生提供体验实践的情境和感悟问题的情境，在本实验中，以临床案例为背景，设定检测实验任务［8］：患者，60 岁女性，2014 年 9 月以“活动后乏力、皮肤紫癜”起病，2014 年11 月在医院确诊为急性B 淋巴细胞白血病，多次联合化疗未达完全缓解，骨髓原幼淋巴细胞在75%~88%。2015 年4 月2 日行外周血淋巴细胞单采，共采集淋巴细胞4.88×109个，淋巴细胞于体外分选、培养和转染，现需对细胞制品质量评价，是否满足输注标准？

实验前发布CAR-T 细胞制品合格率检测任务，以小组为单位设置任务完成度考核。在小组任务分解过程中，使学生主动建构探究、实践、思考、运用，进行自主探索和互动协作的学习。最后对学习效果的评价主要包括两部分内容，一方面是对学生是否完成当前问题的过程和结果评价，即所学知识的意义建构评价；而更重要的一方面是对学生自主学习及协作学习能力的评价。在这个过程中，以任务为主线、教师为主导、学生为主体，学生会不断获得成就感，可以更大地激发其求知欲望，逐步形成一个感知心智活动的良性循环，从而培养出独立探索、勇于开拓进取的自学能力。

3 教学过程

本虚拟仿真实验涉及的内容包括：CAR-T 细胞收集、染色、离心等前期处理，流式细胞仪调试与质控检测、CAR-T 细胞增殖实验、细胞表面标记检测、细胞凋亡检测，具体流程如图2，同时在整个实验过程中贯穿生物安全小提示。

图2 实验流程Fig.2 Experimental procedure

3.1 自学检查——问题式评估判断 实验导入中分析学生预习结果，对于T 细胞免疫和肿瘤免疫基础问题，同学们通过课本查阅基本掌握，正确率在90%以上；而CAR-T 肿瘤治疗原理和流式细胞术原理属于实践应用范畴，学生涉猎有限，相对生疏，正确率约70%；对于免疫细胞治疗疗效的可能影响因素及肿瘤免疫治疗前景的拓展性思考，同学们各抒己见，初见批判性思考成效。随后针对本虚拟仿真实验内容，学生登录系统后自动播放学习视频（图3），介绍免疫细胞治疗研究进展，了解CAR-T 对肿瘤的特异性治疗原理及治疗流程，掌握流式细胞术在免疫细胞治疗细胞制品质量控制中的应用。

3.2 样本制备——沉浸式场景体验 制备CAR-T单细胞悬液，用 Fixable Viability Dye（FVD）死活细胞染色试剂盒鉴定转染后T细胞活力与细胞增殖情况，判断是否达到回输量；随后用CD19 蛋白抗体检测CAR 转染的阳性表达率，判断特异性效果；最后将CAR-T 细胞和肿瘤细胞共培养，选用Annexin-V/PI 细胞凋亡试剂盒检测肿瘤细胞凋亡，判断CAR-T细胞杀伤作用。虚拟实验中根据各试剂盒操作指南指导学生完成样本制备过程（图3），学生在虚拟生物安全柜中完成制样步骤，直观形象、立体生动地体验、感知与领略，掌握样本、试剂移液枪吸取、离心操作规范，学会合格样本的判断。

3.3 流式细胞仪检测——交互式操作练习 样本检测前，模拟操作流式细胞仪开机质控，掌握流式检测技术的基本操作及仪器性能评价。质控通过后方可开始检测。进入虚拟仿真实验练习环节，每一操作步骤均设置了说明，指导学生完成实验方案的建立、上样、数据采集（图3），在关键步骤设置提问，如在流式细胞仪调试中，关键判读质控结果，包括变异系数（CV）和荧光强度均值（MFI）；CAR-T 阳性表达率和凋亡检测模块，涉及双色荧光，注意荧光补偿的正确调节，荧光溢漏会严重干扰阳性比例，从而帮助学生对假阳性、假阴性等异常结果的原因分析。系统实现实验过程智能指导，学生与线上教师进行互动提问与答疑，教师掌握每位学生的线上学习状态。系统具有错误提示和自动评价功能，学生通过人机交互的方式，实现边练习、边学习、边调整，错误和不足之处及时得到改正和补充，增强体验感和互动趣味性。

图3 虚拟仿真实验过程Fig.3 Process of virtual simulation experiment

3.4 CAR-T 细胞制品质量评价——反思式思考评价 样本检测结束后，学生对实验结果进行计算分析，FVD 染色阴性群占比判断CAR-T 细胞量与细胞活力：CD19 和CD3 双阳性细胞群比例指示anti-CD19 CAR-T 细胞转染阳性表达率∶Annexin-V 阳性群比例说明CAR-T 细胞对肿瘤细胞杀伤作用。根据结果填写实验报告，学生可以反思自己的全部操作，并评价自己掌握的情况。学生根据评价结果，判断是否可以进行回输，从而提高学习兴趣和学习效果。

4 考核方法与教学成效

4.1 考核内容

4.1.1 理论内容 T 细胞免疫和肿瘤免疫相关知识点的考察；免疫细胞治疗原理；流式细胞术检测方法原理。

4.1.2 操作内容 流式细胞仪调试及细胞活力、阳性表达率、凋亡的关键实验操作及其注意事项、结果分析与判读。

4.2 考核模式 包含实验前测试、实验过程提问解答、实验报告和虚拟仿真实验考核模块4 个方面评价学生的学习效果（图4）。考核模块通过人机对话模式参加考核，无步骤提示，同时根据关键性步骤评价实验质量，试剂量加入是否准确？流式质控设定是否正确？数据分析是否合理？若操作不当，上述关键结果将无法通过，则实验失败。系统将根据学生在考核中的表现给出系统评价和具体的数据分析，真正实现过程中全方位评价，并使考核、效果评估进一步规范化与标准化。

图4 实验考核内容Fig.4 Content of experimental assessment

4.3 教学效果评价 本虚拟仿真实验的教学研究注重学生自学能力和探索精神的培养，打破一张试卷定成绩的惯例，构建过程性考核评价体系。线上实验教学的智能指导功能可实时统计学生学习情况，图5 为2020 年3 月份学生线上学习情况及3 月13 日不同时段的学习次数，当月累计在线学习1 975 次，日均 66 次，主要分布于 08：00~12：00 时间段，通过对学生学习规律的掌握，教师可针对性开展线上指导。实验成绩3 个班平均都在良好以上，同时对学生在学习兴趣、合作能力、实践能力和探索精神方面开展问卷调查，各项能力均有不同程度的提升，其中在学习兴趣和实践能力方面的提升度3 个班均高于50%，在探索精神方面提升度稍弱，低于30%（图5），这可能是受以往重理论轻实践思想影响，需在今后加强创新精神和科研思维的培养。

图5 虚拟仿真实验教学成效Fig.5 Teaching efficiency of virtual simulation experiment

5 讨论

医学免疫学是医学类本科生教育的重点和难点，在此次新冠肺炎疫情防控大背景下，发展“互联网+”线上实验教学的重要性与必要性日渐突显，已形成“多层次、多形式、多内容”的立体化实验教学体系。本实验“免疫细胞治疗细胞制品质量控制虚拟仿真项目”创新了医学免疫学、临床血液学、检验仪器学线上综合实验教学，打破时间、空间及课程界限；将启发式教学和体验式教学相结合，教师从“传授者”转变为“引导者”，通过师生、生生间在线讨论与答疑，帮助学生培养学习能动性，启发自主学习和实践。但线上教学以学生为主体，依赖学生学习的自律性，若学生自主学习能力较弱，依赖他们自主学习、创新学习的教学改革倍感压力。

此外针对实践教学中周期长、风险大、设备匮乏等局限，虚拟仿真技术以其沉浸性、交互性和构想性特征，全数字建模仿真，虚拟空间情景漫游，体验形象生动，解决了实验教学困境，提升实践技能；评价系统注重过程性评价，教学模式下每一个操作步骤均有标准提示，考核模式下有知识点测试分和操作步骤分，得分点、失分点一目了然，教学成效易评测、易统计、易分析。但虚拟仿真实验程序无法完全预测学生在真实实验过程中可能遇到的突发状况，不利于学生应变能力、分析问题和解决问题的能力培养［9］。

因此，有必要进一步研究现代信息技术教育教学规律，着力构建线上线下联动、课内课外衔接、传统创新融合的新型教学模式，促进教师“在线教学胜任力”到“双线混融教学胜任力”的发展［10］。