自主设计性虚拟仿真综合实验在医学免疫学实验教学中的运用

杜镇镇，胡 涛，张 珍

(滨州医学院，山东 滨州 256600)

医学免疫学是阐述人体免疫系统基本结构和功能的科学，其内容与基础、临床的多个学科交叉，是很重要的一门基础课程，由于其结构微观、概念理论抽象，是基础医学教学中的重点和难点。实验教学是巩固理论知识、培养学生实践能力和创新思维能力的主要环节，对于高素质医学人才的培养至关重要，因此，教师对于如何改进、提高实验教学质量的探索从未停止[1]。随着科技信息的发展，实验课在传统实际操作的基础上逐步增加录像、网络视频等教学资源[2]，近几年虚拟仿真实验在高等医学教育领域得到广泛应用，实验教学模式也越来越丰富[3]。我校自2013年在免疫学实验中引进部分虚拟实验项目，2015年开始制作具有自主知识产权、本校特色的虚拟仿真综合项目，以虚实结合的教学模式陆续运用，尤其在新冠疫情期间线上虚拟仿真平台发挥了巨大作用，平时可通过学校网站对本科生开放共享，获得了学生的认可。

1 免疫学传统实验教学中的问题

1.1 免疫学实验周期长，学生只能参与整个实验的一小部分

在免疫学几个经典实验中，如双向对流免疫电泳、补体溶血试验、淋巴细胞分离、乙肝病毒抗原的检测等，因试剂材料准备耗时长、种类多且费用贵，实验技术人员提前加工准备所需试剂，课堂上学生只需简单加样、观察结果，很难有机会从头到尾参与一个完整实验[4]；再加上学生人数较多，设备材料有限，一般2～4人一组，每个学生独立操作的机会少。就拿双向对流免疫实验来说，所需抗原、抗体(需至少提前三周免疫动物)、琼脂板和电泳缓冲液等均是课前准备，学生只需在相应琼脂板孔上加样、接通电泳仪即可，对于所使用的材料来源、加工处理过程一知半解，实验中缺乏操作锻炼和系统思考，不利于教学质量的提高。

1.2 传统实验课堂与新技术、临床应用联系较少，学生参与实验的积极性不高

随着免疫学科的迅速发展，新理念、新技术不断涌现，比如科研或临床常用的流式细胞术、PCR仪器等，这些在传统实验课堂很难见到。比如流式细胞术对特定细胞群进行分选，进一步检测免疫细胞吞噬功能状态，可对一些疾病进行分析和诊断，通过虚拟仿真实验让学生感受到先进仪器设备给临床检测带来的方便与快捷，增加实验课的兴趣并有助于对基础知识理论的学习，收到事半功倍的效果。

2 免疫学虚拟仿真实验平台的构建

2.1 虚拟仿真技术发展背景与综合实验设计思路

虚拟仿真实验是把某学科专业知识技能与网络通信、多媒体等技术相结合而构建的虚拟实验环境，学生可以运用里面形象逼真的虚拟设备和材料，按照实验步骤进行练习，达到熟悉实验流程、知识内化的目的。虚拟实验平台还可链接丰富的学习资源，不受时空限制，短时间内学生即可将海量知识融会贯通[5]。当前，随着数字信息时代的到来，教育部积极推进信息化教学，倡导把虚拟仿真实验技术融入医学基础课程的教学中[6]。现有网络平台的内容局限于单一课程和某一个实验的具体操作，缺少学科交叉性的、综合性的虚拟实验项目，因此，本教研室依据自身教学大纲，与软件公司协同制作一些综合性、设计性的免疫学虚拟仿真实验，以利于学生系统梳理学科知识、锻炼科研思维能力及培养解决实际问题的能力[7]。

2.2 虚拟仿真实验平台的构建

2.2.1 校企合作开发具有自主特色的虚拟仿真综合实验

免疫学科的实验，一般有实验时间长、多学科交叉、动物耗材多、基础知识与临床检测密切相连的特点，在实体实验课堂上很难开展，虚拟实验正好解决这个难题，可设计不受时空、仪器耗材限制系列的综合实验。目前，设计成熟的四个综合实验，分别是细菌凝集反应综合实验、乙肝病毒检测的综合实验、补体功能的系列实验与淋巴细胞分离与免疫细胞功能的检测实验。每一个综合实验分好几个模块，可连贯起来学习，也可单独练习一部分，并且配置有实际操作的录像视频，形象直观，有利于学生系统梳理知识脉络，如补体溶血功能综合试验，以抗原抗体特异免疫应答这条主线，把绵羊红细胞制备、溶血素(抗体)产生、补体溶血功能及其拓展应用(补体结合和空斑形成试验)几个实验融合起来，在短时间可让学生理解抗原、抗体的概念及抗体产生规律、免疫应答的特点及在疾病诊断中的应用(图1)，有助于学生综合思维能力的提升。

图1 与补体溶血相关的虚拟仿真综合实验流程图

2.2.2 购买部分虚拟仿真实验操作或自己录制操作视频，丰富实验教学资源

当前，基础医学虚拟仿真项目已在许多高校使用，有一些是运用软件公司开发的虚拟项目。我校筛选购买了一些经典的、基础虚拟实验操作，方便学生练习，如ABO血型的测定、 细菌抗原的检测、ELISA乙肝病毒抗原检测、大小吞噬试验等，这些实验在课堂上可以进行实物操作，虚拟练习是为了方便学生课前、课后自主训练，不受时空限制，巩固课堂知识[8]；还购买了部分拓展性的虚拟实验项目，如HIV病毒的检测、豚鼠的过敏性休克，现实实验环境中因安全、动物或者经费的原因导致不能开设，学生可通过虚拟操作练习，加深对理论知识的理解与思考。

3 运用虚拟仿真实验的教学模式探索

3.1 在传统实体实验基础上融入虚拟仿真实验的虚实结合教学模式

免疫学实验中，实物操作具有不可替代的作用，课堂上必须以传统实际操作为主，虚拟部分可通过课前预习、课中穿插、课后巩固来灵活运用。课堂上在完成实物操作的情况下，教师辅助学生学习相应的虚拟仿真综合实验，关键是联系实物实验的相对应的材料来源与延伸部分，比如补体溶血功能试验(图1)，课堂直接用现成的试剂做补体溶血实验，其他实验模块像绵羊红细胞的制备、虚拟仿真溶血素的制备免疫过程、补体制备过程与细节拓展应用部分，由教师适时引导，学生在虚拟平台操作练习或随时查看系统里的操作视频，尤其是能纵观整个实验流程，掌握实验重点与难点，内容较多来不及看的话可以课下继续延伸学习。通过把虚拟仿真实验平台穿插在传统实验操作中的教学，使学生加深对概念的理解、形成系统的思维，领会抗原、抗体特异性反应在临床中的实际作用。在这种模式下学生更能充分利用课堂、课下时间，强化记忆、拓展思维，梳理知识脉络，达到“虚”与“实”相补的目的。

3.2 学生自主学习模式

虚拟仿真平台作为免疫学预习及复习的辅助教学资料， 采用“学生为主”的自主学习模式。学校虚拟仿真平台对本科生开放共享，打破了时空限制，学生可随时通过手机、电脑联网尽情享受优质在线资源，用鼠标点击所需的实验耗材与仪器按照步骤就可以体验实验过程，形象直观的虚拟操作训练使抽象的知识变得易于接受，提高了学习效率[9]。另外，为了提高学生们的参与积极性，优化平台管理功能，增加自测题目、在线问答互动交流版面、学习情况统计等功能；有的实验步骤中间还设置提问，只有答案正确才可以继续实验进程，答案错误需查找原因，像闯关游戏一样，这种模式既能增加趣味性，又能对学生开展形成性评价。

4 实施效果与存在问题

4.1 虚拟仿真平台实施效果

教研室在实体实验的基础上，依托虚拟仿真教学平台，在本科实验教学中试行“虚”“实”结合的教学模式改革，经过3年多的教学实践，尤其新冠疫情时大规模的在线教学，一定程度上弥补了实验材料和实验周期长的限制，学生通过线下、线上都有机会全程参与整个实验过程[10]，得到了大部分学生的良好评价，教学质量逐年提升。根据学生对虚拟平台应用的调查问卷显示，有85%以上的学生认为该模式能增加学习兴趣、丰富学习资源并开阔视野，有80%以上的学生认为有利于自主学习能力的培养及科研思维的形成。近两年，学生参加各级大学生科技活动人数明显增加，由免疫学教师指导几位学生研究的《发热伴血小板减少综合征患者血清内抗体IgG中和活性及其影响因素分析》获得2021全国大学生基础医学创新研究暨实验设计大赛二等奖。

4.2 存在问题

首先，相比传统实验，虚拟仿真实验的开设对教师和学生带来新的挑战，需要师生良好的配合与付出。虚拟仿真综合实验的构思、撰写、制作以及教学运用中的每一个环节，是一个谨慎的过程，都需要反复推敲改进，教师团队需精心筹划并不断学习各方面知识，才能不断优化实验内容和教学方法[11]。其次，学生用手机运行虚拟实验时，字体和物品较小，选择与操作起来不太方便；实验室电脑运行时，经常出现卡顿等棘手问题，这与平台的稳定性和电脑硬件配套有关，需要学校更多的政策来支持和维护，以保证安全运行和管理[12]。再次，为了充分调动起学生的积极性，还需要提升平台的数据管理功能，比如可以记录学生的登录次数和浏览时间，学生与教师的互动功能、在线测试专区等，教师可以据此给学生适合的形成性评价[13]，并且增加这种形成性评价在学科总成绩中的比例，可提高学生线上学习的积极性，开阔视野、拓展思维，有助于综合素质能力的提升。

5 结语

通过构建的免疫学虚拟仿真实验平台辅助传统实体实验教学，是把现代信息技术与医学专业知识深度融合的有益尝试。采取虚实结合、线上与线下教学相融合的教学模式，可以较轻松地使学生把抽象深奥的免疫学理论融会贯通，对学生知识体系的构成必将产生深远的影响[14]。同时平台的使用使学生获得知识途径增加，便于自主学习能力的提升，高等素质教育的核心要求就是加强对学生自主学习能力的培养。目前，虚拟仿真实验在实践中取得了一定成效，但如何提高教学效果和人才培养质量，还须进一步探讨。未来在增强实体实验的基础上，依据本校教学大纲，期待设计出更适合学生的具有自主特色的综合实验，利用信息技术不断更新教育理念、变革教育模式[15]，培养与时俱进的高素质医学人才。