虚拟仿真实验平台的探索与构建——以抗体中和作用实验为例

翟东昇，李旭波，马 雪，胡 玥，李明凯

(中国人民解放军空军军医大学药学系药理学教研室,陕西 西安 710032)

抗体对病毒感染的预防和治疗有重要作用，也是临床治疗病毒感染的常用手段。随着2019新型冠状病毒(SARS-CoV-2)感染全球性爆发，针对该病毒的特异性抗体研发迫在眉睫。因此，病毒实验操作是对病原微生物治疗药物研发及临床研究有重要意义，理解和掌握病毒感染及抗体治疗的原理对于培养医学生十分必要。但是现实开展病毒相关实验却困难重重，其中包括:①涉及生物安全问题，对实验人员及环境保护都有较高的要求。②条件制约，病毒操作需要在生物安全实验室的二级安全柜中进行，该生物安全柜价格昂贵，需要配备相应的高标准空间和通风设备，大多数院校不能满足要求。③操作步骤多，在科研教学中开展难度大，制约了相关实验的开展。病毒的制备周期长，步骤多，需要提前数周准备，但是学生并没有足够的时间。以上问题限制了学生对病毒感染相关知识的理解和思考，影响了学生学习的积极性。因此，病毒感染相关实验操作无法开展，影响医学生的全面发展。

虚拟仿真实验可以利用视频教学、人机互动、VR虚拟操作等方式，在不准备器材、不具备实验室的条件下熟悉和操作整个实验流程[1-3]。由于技术的进步，借助计算机生成图像和程序设计为学习者提供模拟平台。模拟技术不断发展，提供了能够在虚拟现实中的高保真度，提供引人入胜的学习体验。通过提供模拟现实世界中的沉浸式教育活动来强化教学和实验室概念，最新的技术进步提高了模拟仿真技术在医学实验教育中的潜在用途，满足了学生自主学习的需要，为学生提供了交互式、多媒体的学习环境[2-5]。本实验基于抗体中和作用的理论基础，设计了病毒操作相关的虚拟仿真实验，搭建了三维生物安全实验室，安全柜等设备，利用动画呈现实验过程，把病毒实验操作和晦涩的理论知识生动地展现出来。同时，教师可以及时收集学生成绩及问题，提高教学效率，降低教学成本[6]。本文以药理学教研室“抗体中和作用”虚拟仿真项目为例，从教学内容，教学方法及虚拟仿真实验建设等方面做出介绍。

1 实验设计

1.1 实验目的

①学习了解抗体中和作用的治疗原理。②学会并掌握个人防护流程及病毒操作注意事项。

1.2 实验原理

抗体中和作用，即病毒侵入机体后，B淋巴细胞产生的相应抗体能够结合病毒表面的抗原部分，组织病原微生物黏附靶细胞受体，防止侵入细胞。

1.3 实验设计

本实验选择2～3日龄乳鼠，分为3组，包括：对照组、感染组、治疗组，每组进行病毒梯度浓度感染，每种处理5只小鼠。其中，感染组用无菌1 640培养基梯度稀释感染毒株及对照感染抗原(100,101,102)，分别感染乳鼠，脑内接种，每只0.02ml。对照组及治疗组用无菌1640培养基梯度稀释感染毒株及对照感染抗原(100,101,102)，每个稀释度各取0.4ml与等量单克隆抗体(McAb)或者正常腹水混合，37℃作用30min后进行感染。其分组如表1。

抗体治疗作用的观察：感染后观察乳鼠逐日发病情况，建立评分标准，进行评分，以发育不良(1分)、动作迟钝(1分)、后肢麻痹(1分)、站立困难(1分)、尾僵直(1分)、死亡(2分)，共计7分，感染3日内死亡按照病毒感染致死处理，每组小鼠分别评分，取平均值。其评分表如表2。

表2 病毒感染乳鼠发病情况评分表

2 虚拟仿真实验建设思路

本实验依托北京润尼尔公司搭建实验平台，实验流程严格参照教学实验设计，依据二级生物安全实验室实际布局搭建模型，使用者可以通过操作电脑转换视角观察实验室，力求生动逼真地再现实验场景及规范操作流程，最后展现预期的实验结果。基于“理论结合实际”的原则，本虚拟仿真实验一方面参照教学内容进行实验设计；另一方面，根据现有实验内容，设计了“实验操作演示+互动式操作+考核反馈”的学习板块。通过虚拟实验的学习模式及考核模式，学生自主选择两种模式进行学习。学习模式提供了该实验标准操作流程视频，并在互动过程中显示实验注意事项及指导。考核模式可以在操作环境下真实互动地实现全部操作过程，同时在操作过程中出现部分关键操作要点，考核学生关键知识点和操作规范，检验学生对实验技能知识的掌握。最后，根据学生考核模式中遇到的问题，教师可以通过系统统计掌握学生考核成绩，个性化反馈知识及学生操作掌握情况两种模式分别满足了学生的不同学习需求，考察了学生对实验试剂，器械的熟悉程度，激发学生在实验过程的主动性，帮助教师评估学生知识掌握情况，如图1。

图1 虚拟仿真实验建设方案

2.1 实验板块设计

本实验根据教学设计，分为三大部分，其中包括个人防护、病毒操作及动物感染(图2)。教学平台具有两种模式，第一种是学习模式，其界面具有提示性操作，介绍操作环境并指导学生进行病毒实验操作，学生也可以根据标准视频演示利用三维动画分步骤演示实验流程，了解实验过程。第二种是考核模式，该模式下并无提示界面，学生需要通过学习模式后，自主进行模拟实验操作，并回答关键实验操作步骤的注意事项。

图2 虚拟实验操作流程

2.1.1 个人防护

个人防护是病毒实验操作最重要的步骤，也是保护实验人员免于感染性病毒各种方式的暴露，确保人身安全，这对医学生建立病毒感染防控意识具有重要意义。

病毒实验操作的个人防护部位分别为眼镜、头面部、躯体、手、足、耳和呼吸道。所需要的装备为眼镜(安全镜、护目镜)、面罩(口罩)、帽子、防护衣(隔离衣或连体衣)、手套和鞋套等，其佩戴顺序为口罩、帽子、防护服、防护眼镜、鞋套和手套。而脱卸个人防护装备的顺序为外层手套、防护眼镜、防护服、口罩及防护帽、鞋套和内层手套。个人防护用品的正确选择及佩戴是该过程的第一步。该部分我们采用物品图标拖拽的交互方式，让学生主动学习防护用品的佩戴顺序及方式。

个人防护后，虚拟仿真平台根据标准规范的生物安全实验室，设置P2实验室的一级屏障和二级屏障，一级屏障保障了实验操作者与被操作对象之间的隔离，包括生物安全柜和防护服等；二级屏障则是保障了生物安全实验室与外部环境的隔离，其中就包括换气系统，因此，一级屏障和二级屏障分别是实验人员和外界环境的保护伞。该模拟系统分别模拟了进入一更室、二更室、缓冲间及风淋系统的操作流程，最大限度地模拟生物安全实验室的屏障进入过程。如图3。

图3 个人防护准备流程

2.1.2 生物安全操作

生物安全是病毒相关实验操作中的重要环节，也是制约院校开展病毒实验的关键。因此，虚拟仿真实验对病毒实验的安全操作进行重点教学，其中包括安全柜使用、仪器识别、病毒操作及动物感染等过程。在学习模式中，安全柜的原理特点，使用方式通过提示的方式出现在界面中。接着，安全柜桌面的摆放、物品名称和仪器使用方式也通过相同的方式出现在桌面。病毒稀释及感染部分，穿插了抗体中和实验原理讲解动画，让学生能够在实验中理解实验原理，更好地掌握实验技能。整个过程严格参照病毒生物安全操作规范教学，贴近现实病毒实验操作，让学生更好地理解及掌握操作流程，如图4。

图4 病毒生物安全操作虚拟实验操作界面

2.2 考核模式设计

虚拟仿真实验综合了文字、图像的多种方式演示实验过程，但是学生参与感较少，对实验体验度不高，理解不够。就此，我们另开发了本实验的考核模式，以填空、选择等方式对关键实验操作进行提问，实验最后以习题的形式对该实验操作进行考核，最终成绩将传入系统。一方面，考查学生在学习模式中的学习效果，提高学生在模拟实验中的学习积极性。另一方面，教师可以了解实验错误较多的操作，统一管理学生成绩，如图5。

图5 虚拟仿真实验考核环节界面设计

3 抗病毒虚拟仿真实验项目开发意义

3.1 突破实验条件限制，保障生物安全问题

近年来，医学教育正在跨领域、跨学科地开展工作，通过教育技术革新迎接前所未有的重要挑战。病原微生物是导致人体感染性疾病的重要来源，相关实验操作是医学生必备技能[7-8]。但是病毒相关实验涉及生物安全防护问题，成为教学过程中的掣肘之处。对于能够引起人类和动物疾病，但一般情况下对人、动物或环境不构成严重危害的病毒，需要生物安全防护水平为二级的实验室。而对于能够引起人类和病毒严重疾病，可以直接或者间接在人与人、动物与人、动物与动物传播的病毒，需要生物安全防护水平为三级的实验室。病毒的泄露会危及实验人员及公共卫生安全。比如，在病毒感染动物的实验内容中，一方面，传统实验利用真正的动物进行实验，涉及动物权益和伦理等问题。另一方面，动物实验并不是百分之百会成功，观察不到预期实验结果会影响学生对该实验的理解，而虚拟仿真实验很好地避免了此类问题。因此，病毒相关实验虚拟仿真教学的开展，避免了相应的生物安全问题，最大限度为学生提供病毒操作模拟条件，让他们熟悉生物安全操作，为从事医疗工作打下基础。

3.2 多方式、多媒体教学，提高实验教学质量

2019新冠病毒感染造成的全球性疫情让病毒感染成为热门研究方向之一。但是，病毒安全操作要求特殊，大多数医学院校对于培养医学生病毒相关操作及抗体治疗的原理没有实践经验。这为医学教育及学生以后的医学工作埋下隐患。

医学生的培养模式已经发展为动手能力为先，自主学习发展的新范例。新时代学生获取知识的途径变得多元化，不再局限于课堂上教师讲授或者查阅的文献资料，网络多媒体成为大学生学习的重要手段[9]。计算机虚拟仿真技术的快速发展，已经是学科专业和信息技术深度融合的产物，可以完善教学实验中的空缺[10-11]。与传统实验相比，虚拟仿真实验可以不受地域、环境等限制。在大多数院校不能开展病毒实验条件下，虚拟实验技术实现仪器、实验室建设困难的问题，有效解决了资金、环境及人力的问题。虚拟仿真实验共享可以为全国的学生提供平台，保障了教学的正常开展。其次，相对于传统实验教学以图片、视频等方式为教学手段，虚拟仿真实验给学生提供了逼真的三维教学环境、生动的互动环节[12-14]。逼真的操作模拟操作环境界面及循序渐进的操作指导，营造了安全、高效和有趣的教育环境。考核模式可以随时检测学生对实验课程的掌握情况，这也是传统实验室的短板，可以督促学生更好地掌握操作细节，有利于培养学生的自主学习能力，这是以学生为主导教学模式不可缺少的部分。因此，虚拟仿真实验成为开展病毒相关实验的最优选择，不仅可以降低教学成本、突破环境限制，而且交互环节较好地锻炼了学生的动手能力[15]。基于虚拟仿真实验带来的医学教学领域的范式转变，其影响的范围也将继续扩大。虚拟仿真平台对抗体中和作用基础实验，弥补了医学本科教学的不足，为医疗工作的顺利开展打下坚实的基础。