案例引导的虚拟仿真实验在《医学微生物学与免疫学》教学中的实践

尤红娟 于倩 刘晓梅 孔凡运 李小翠 禹超 郑葵阳， 汤仁仙

《医学微生物学与免疫学》是医学重要的专业基础课程和主干课程，课程以人类病原微生物感染与免疫应答为主线，研究医学微生物基本性状及其与机体和环境的相互关系、感染免疫及免疫学基础理论与相关临床疾病，是后续临床及预防专业课程学习和职业发展的重要基础[1-2]。实验教学是本课程重要的组成部分，不仅是理论知识的验证，同时更应注重实验操作能力、创新思维和科研素质的培养，训练学生发现问题、解决问题的能力[3-4]。基于以上认识与思考，课程团队以学生为中心，依托徐州医科大学基础医学国家级实验教学示范中心平台，利用虚拟仿真技术的空间时间自由性及网络资源的拓展性[5-8]，以真实临床案例为引导，开发了适用于临床医学及其他医学专业基础课程学习后期的综合拓展性实验——基于人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）合并结核分枝杆菌感染虚拟仿真实验，并配合本课程教学改革进程在教学实践中予以应用，现将研发及实施情况总结如下。

1 实验项目设计理念

本实验课程的总目标是重视学生基本理论、知识、技能的教学和训练，强化启发性、体验性、问题式学习，强调高阶性、创新性和挑战度，激发学生自主学习，培养德智体美劳全面发展、综合素质高、适应岗位胜任力和社会需求的新型医学人才。

2 实验项目设计思路

2.1 教学目的

项目借助案例，以医学生未来工作模式为出发点，衔接科研思维拓展，引导学生依据基础知识解决临床案例，通过临床问题探索基础研究，启蒙学生科研意识，提升课程创新性，使学生体验创新的快乐和自信，激发创新欲望，提高学生创新能力。

2.2 研究对象

HIV 和结核分枝杆菌感染均是全球严重的公共卫生问题，HIV 感染也是促进结核分枝杆菌感染日趋严重的重要因素，且结核分枝杆菌感染是HIV 感染患者重要的并发症，两者合并感染是临床较为常见的现象。由于HIV 和结核分枝杆菌的高传染性和高致病性，二者的病原学检测实验须在生物安全防护三级实验室进行，对于临床医学本科实验教学来说，无法完成。

因此，本团队选用HIV 合并结核分枝杆菌感染案例为素材，开发基于案例引导的综合性虚拟仿真实验。借助虚拟仿真实验，不仅能够使学生掌握疾病诊断的实验操作原理、步骤和应用；还可以在有限的课时内极大地加深学生对上述疾病临床表现、诊断方法的认识，在帮助学生认识该疾病的同时培养其临床思维能力、自主学习能力。

2.3 操作环节

本虚拟仿真实验以相关临床案例为切入点，通过主诉、现病史等病情描述，结合适当临床辅助检查，引导学生进行本项目的实验操作，同时配合实验进展，适当穿插理论知识点及当前技术进展。

实验操作环节包括：（1）以动画形式讲述实验原理。（2）指导学生进行每一步实验操作。（3）对学生的实验操作进行考核，针对实验的各个操作环节，设置多个考核问题，考察学生的实验原理和实验方法的掌握情况，同时每一项考核问题附有结果解释说明，加深学生对实验的理解和掌握。（4）利用学生所学的知识进行拓展训练，例如引导学生自主设计实验进行靶蛋白的检测等，培养学生的科研思维。（5）也是实验最后一个环节，引导学生对本次实验进行归纳总结，进一步反映学生本次实验的实际掌握情况。

2.4 注重贯彻课程思政

在完成实验操作的过程中，通过案例强调临床HIV感染诊断的慎重性；通过与患者的沟通方式、HIV 感染防控体系的构建等实验细节，对学生进行润物细无声的思政教育，促进学生职业精神的养成，立德树人。

3 实验项目实施过程

3.1 课前准备

课前通过集体备课，使课程团队中的每一位教师理解项目设计理念，并针对项目实施过程中的各个环节进行充分讨论，确定虚拟仿真实验教学过程中各环节的实施方式。

3.2 课堂教学

实验操作前，授课教师详细讲述本项目的实施目的和必要性，引入虚拟仿真项目的理念，让学生领会本次操作需要学习掌握的实验内容和实验目的。实验操作过程，主要通过人机对话呈现。学生通过阅读案例，掌握实验的临床应用；通过实验操作，掌控实验原理、操作方法、注意事项和结果分析；通过实验考核，加强对实验各环节的理解和掌握；通过拓展实验，加强对相关理论知识和实验应用的把握；通过实验总结，加强知识的系统性。

在学生实验操作过程中，授课教师负责处理学生遇到的各种问题，指导学生操作，引导学生思考问题、解决问题。学生操作完成后，教师和学生对实验进行讨论、总结，从对案例的分析到对实验结果的讨论，引导学生发现问题、解决问题，加深对所学内容的理解及应用。

3.3 课后总结反馈

课程结束后，针对本实验项目实施的各个环节，授课教师将实验教学中遇到的各种问题，进行集中讨论，提出解决办法，以便推进下一步的实验教学改革，提升教学效果。同时，发放学生调查问卷，反馈本次实验项目的开展情况。

4 实施效果评价

本项目通过对学生的操作过程及相应知识点的掌握情况进行实时评测及反馈，让学生了解反思自己的学习情况。经过本实验学习后，学生普遍反映能更深入了解实验的实际意义及本病的临床诊断要点。2022 年6 月，通过向临床医学专业2018 级、2019 级和2020 级学生发布调查问卷反馈项目的实施情况，共发放调查问卷265份，回收问卷264 份，具体情况如下（表1 和表2）。学生对虚拟实验的接受程度的统计结果显示，97.35%（257/264）的学生认同虚拟仿真实验是实验技能操作的重要训练方式；94.69%（250/264）的学生认为本实验能有效还原实体实验的操作情境；96.59%（255/264）的学生愿意接受虚拟操作；97.73%（258/264）的学生认真操作了本实验；93.18%（246/264）的学生认为虚拟仿真实验具有优越性。对学习动机情况的统计结果显示，94.69%（250/264）和94.69%（250/264）的学生分别认为本实验能够激发学习兴趣和提高学习效果。对学生知识点掌握情况的统计结果显示，95.44%（252/264）的学生认为该实验能够加强对理论知识的理解和掌握；95.83%（253/264）和96.59%（255/264）的学生分别认为本实验操作有助于了解科研方法，加强对实验方法的理解和掌握。

表1 临床医学专业 2018 级、2019 级和 2020 级学生对虚拟实验的接受程度[名（%），n=264]

表2 临床医学专业 2018 级、2019 级和 2020 级学生学习动机情况[名（%），n=264]

表3 临床医学专业 2018 级、2019 级和 2020 级学生知识点掌握情况[名（%），n=264]

5 讨论

《医学微生物学与免疫学》开设在五年制临床医学专业的二年级第二学期，在此阶段，学生已系统学习解剖学、组织与胚胎学、生物化学、生理学等课程，具备一定分析临床问题的知识基础，是梳理基础医学知识脉络，塑造临床诊疗思维的极佳阶段[9-10]。为了提高学生的学习兴趣和自主学习能力，课程组教师结合本校实际情况，自2007 年开始探索理论教学的课程改革，引入案例教学，至今已形成了案例教学法（case-based learning，CBL）与传统讲授式教学法（lecture-based learning，LBL）相结合的理论教学模式。学生普遍反映，与传统教学相比，这种教学模式更有利于激发学习积极性，培养自主学习能力[11]。因此，近年来，在总结理论案例教学改革的经验基础上，尝试案例引导的整合性实验教学改革，将临床思维培养、创新能力塑造、科研素质养成融入日常实验教学中，提高学生综合素质。

医学实验教学是医学教育的重要组成部分，除了加深对理论知识的理解和应用，也是培养医学生临床思维和科研素养的重要途经[12]。目前，医学实践训练中涵盖一定数量细小验证性基本实验操作，而且传统教学往往手段单一，不能有效还原其临床意义，易造成学生忽略其重要实践价值。同时，在本课程实验教学中，学生实践操作对象涉及的是病原微生物，受实验材料、实践教学空间及时间、实验安全等各方面的限制，实体实验不能完全满足学生随时学习、练习、多途径探索的欲望与要求，需要研发新的手段进行有效补充[13-15]。

医学虚拟仿真实验作为现代教育技术在医学教育领域的重要突破，对于推进以学生为中心、多途径、探究性自主学习，解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难，高成本、高消耗、不可逆操作及最新科研成果转化等问题，有利于拓展基础医学实验教学的深度与广度。案例引导的虚拟仿真实验一方面可以达到训练学生基本操作，掌握实验技能的目的；同时让学生从虚拟的诊疗过程中体验到其职业价值及所做操作的具体临床意义，大大弥补了目前实验教学系统性不足的缺陷，增强同学操作积极性，更有利于培养学生的临床思维能力及职业认同感[16-18]。

为了顺应当前教育教学改革的需求，利用现代先进的信息化教育教学技术，本课程团队在实施十余年案例教学的基础上，依据学生学情及实际教学需求，针对医学微生物学与免疫学实验课程中某些难以开展的实验教学内容，自主开发了综合拓展性实验项目——基于HIV合并结核分枝杆菌感染案例。在此项目中，以临床案例为引导，通过对实验原理及其衍生应用进行了深度的探讨，使学生深入理解血清学反应的综合应用，理解实验研究的复杂性。帮助学生学习综合运用医学微生物学、医学免疫学、人体解剖学、病理学等多学科相关知识，探究科学现象，拓展知识深度，提高课程难度，培养学生解决专业问题的综合能力和高级思维。学生普遍认为通过本项目的实验操作，能够更为系统地理解和掌握实验相关理论知识，把握实验原理及其应用，加深对临床相关疾病的认识。

目前本项目主要服务对象为临床医学及医学相关专业二年级学生，但后续调整运行过程中，拟通过项目内容的删减，如增加结核分枝杆菌培养、降低科研探索模块权重等方式，建立该项目的微调版本，让该项目亦可应用于非医学类专业的学生学习。同时后续将进行线下小组学习，将更有助于培养学生资料查阅、文献阅读及小组协作、表达能力和科研创新欲望，促使学生发挥学习的主观能动性。通过该项目的建设积累虚拟实验开发经验，完成医学微物学与免疫学综合拓展性实验项目系列开发，进一步完善本团队医学微生物学与免疫学立体混合教学模式。