医学微生物学虚拟仿真实验平台的设计与构建

任向宇，包丽丽，孙晓琳，殷兆丽，孙传凯，李 恋，福 泉

（1.内蒙古医科大学基础医学院，内蒙古 呼和浩特 010059；2.内蒙古医科大学附属医院，内蒙古 呼和浩特 010059）

医学微生物学作为微生物学的一门分支学科，是联系基础医学与临床医学的桥梁学科，包含理论和实验教学。实验教学是学习、理解及掌握本学科理论知识的重要途径，有助于学生的知识延伸和能力训练。随着信息技术的不断发展，新的医学理论和技术层出不穷，之前单纯以经典实验操作为主的教学模式也迎来了重大改革，如何利用网络信息技术提高实验教学质量成为亟待解决的问题。

虚拟仿真技术是信息技术高速发展的成果，将其融入实验教学已成为医学实验教学发展的趋势。虚拟仿真技术主要有虚拟现实技术、增强现实技术、人机交互技术以及三维展现技术等，可利用这些技术将不具备开设条件或实验难度较大的实验项目虚拟化，让学生在模拟环境中获得与真实环境一致的实验效果。一直以来我校都高度重视并积极开展虚拟仿真实验项目建设，2015年教育部批准我校国家级蒙医学虚拟仿真实验教学中心的建设，其中包括病原生物学虚拟仿真部分[1]。经过几年的发展，我校已积累了丰富的建设经验，为进一步加强虚拟仿真实验教学改革，课程团队成员经过多次研讨，并结合前期积累的网络教学资源，在软件公司协助下共同开发了一定数量的实验项目。

1 开展医学微生物学虚拟仿真实验教学的必要性

1.1 保障实验教学的生物安全

医学微生物学实验材料主要是病原微生物，生物安全一直是伴随其发展的一个重要问题[2]。2020年2月14日在中央全面深化改革委员会第十二次会议上，生物安全被纳入了国家安全体系，让所有人切实认识到了加强生物安全管理和防护的重要性。医学微生物学的研究对象比较特殊，是可致病微生物，尤其是一些具有危险性的高致病性微生物（如破伤风梭状芽孢杆菌、炭疽芽孢杆菌、结核分枝杆菌），相关实验都伴随有生物安全问题。在本科阶段由于设备条件的限制，难以普遍开设微生物实验，为防止实验室感染也难以开放实验室。在已经开设的实验中，由于低年级学生生物安全意识相对淡薄，在实验操作中稍有疏忽就会导致感染等安全事故，如个人防护不彻底、使用仪器和操作不规范、实验后不消毒、随意处理实验物品等，而且部分实验产生的废弃物也可能污染环境或存在致病风险，需要通过专门途径回收并进行高压灭菌处理[3]。因此，如何在保证师生安全的情况下尽量多开展实验，一直是医学微生物学实验教学的发展方向。而虚拟仿真技术能够有效规避高危实验带来的生物安全问题，且可长期、大范围、重复使用，符合医学微生物学实验教学改革的方向。

1.2 拓展和优化实验教学内容

虚拟实验由于不受病原微生物、试剂、仪器等条件制约，在基础实验操作阶段学生可反复进行模拟操作，加深对实验原理及操作步骤的理解，为探究综合性、设计性实验节省出时间，为学生综合能力、创新思维和科学精神的培养提供有力保障[4]。尤其重要的是，本课程团队将分子生物学法分类鉴定细菌、人痰液中结核分枝杆菌的检验、流感病毒鸡胚培养及血凝血抑等实验转化为仿真教学资源，丰富并优化了教学内容。利用微生物学虚拟仿真实验平台，能够同时满足临床医学、蒙医学、医学检验学、护理学、药学、中医学和制药工程等多专业各层次学生的培养要求，达到了拓展实验教学的目的。

1.3 突破传统实验教学的时空局限

随着医学专业招生人数逐年增加，各高校实验教学都面临着经费、场地、仪器、设备、教师等资源相对匮乏的问题。医学微生物学实验教学除急需解决以上问题外，还面临着实验内容与课时一再删减及生物安全问题。目前仅开展了一些经典常用实验，如无菌操作、细菌接种、显微镜使用等，有些需要精密仪器和昂贵耗材、实验周期长的实验不能在本科阶段开展。这既阻碍了学生实践创新能力的提升，又与快速发展的临床医学教育严重脱节。传统课堂现场教学具有一次性和即逝性，因此部分学生不能完全掌握规范的实验操作方法。虚拟仿真实验教学能够弥补传统教学的缺点，实验不再在某个固定空间进行，师生通过网络聚集在虚拟实验空间，教学变得更加开放。教师在虚拟仿真实验中随时反复展示标准操作，既培养了学生对医学仪器设备、器械正确使用的习惯，又强化了实验技术的规范化操作，有利于提高其专业技能。这较好地体现了在线教学和现代信息技术的优势，同时节约了教学成本[5]。

2 医学微生物学虚拟仿真实验平台的构建

根据教育部要求，虚拟仿真实验教学中要充分体现“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则[6]，本课程团队紧扣此原则，和软件公司共同构建了虚拟仿真实验平台，由4 个实验教学模块组成（见图1）。

图1 医学微生物学虚拟仿真实验平台Figure 1 Medical microbiology virtual simulation experiment platform

2.1 实验室安全教育模块

实验室安全运行始终是高校实验室管理工作的重中之重[7]。针对学生安全意识薄弱问题，我们设置了实验室安全教育模块，包括生物安全常识、实验废弃物的处理、危险化学品的使用及实验仪器设备（如高压蒸汽灭菌器、生物安全柜）的标准化操作等内容。同时还补充了一些安全事故应急处置方法方面的教学内容，如实验容器破碎、酒精等易燃液体引起明火、离心机异常转动等紧急情况，切实提高学生安全事故处置能力，预防安全事故的发生。

2.2 基础实验教学资源模块

基础实验教学资源模块包括微生物数字切片系统和标准化实验操作两部分内容。我们把细菌、真菌及其他微生物如衣原体、螺旋体等的基本形态及特殊结构标本片，全部利用数字化3D 扫描技术处理生成全视野的数字化切片（即虚拟切片），尤其是将本实验室保存完好的珍贵稀有的标本片扫描成数字图像永久保存。数字切片不但把玻璃切片上的微生物的大小、形状、结构排列和革兰染色等重要信息完美呈现出来，而且不依赖于显微镜的性能，图像质量不会随时间改变，既方便学生随时调取图像观察，又解决了传统玻璃切片不易保存、数量限制的问题[8]。同时，我们还将基础实验内容进行标准化实验操作，如革兰染色、抗酸染色、鞭毛染色等常用细菌染色法，光学显微镜的使用，细菌无菌接种，药敏实验，生化鉴定等，整合成虚拟仿真实验内容。这部分经典实验可以作为学生学习和巩固医学微生物学理论知识及实验技能的引导，为下一层次的实验教学建立知识框架。学生可以提前预习并反复进行操作，从而在线下课堂上更好地掌握规定的学习内容，增强课堂学习效果。

2.3 综合设计性实验模拟模块

医学微生物学主要研究与医学相关的细菌、病毒和真菌等病原微生物，种类繁多，相互之间逻辑性不强。临床常见细菌的分离鉴定方法、形态特征、菌落特点、生化反应特性等由于实验条件和课时限制不能全部展示给每个学生。实验条件要求高、生物安全难以保证等因素限制了医学微生物学实验在本科阶段的广泛开展，部分高校采用示教或录像形式完成实验，导致学生很容易忽略相关知识的学习。在临床上病毒是新发传染性疾病最常见的病原体，其流行极大地威胁着公众健康，要引起医学工作者的重视。应用虚拟仿真技术可以解决以上问题。我们按照实验流程设计了综合设计性虚拟实验，团队成员将脓汁标本的细菌学检验、肠道病原菌的分离鉴定、结核分枝杆菌的微生物学诊断、流感病毒的分离鉴定等通过案例分析方式列出实验流程供学生参考。详细流程：查阅文献资料后选定实验题目—利用基础实验教学资源模块学习过程中以及在其他实验课程中掌握的实验技术进行初步实验设计—规划仪器耗材的用量和规格等实验细节并开展预实验—通过预实验结果确定最终实验方案—正式开展实验—将实验结果统计归纳后用PPT 总结汇报。将这些实验中涉及的理论知识和操作技术分解成相对独立简单的知识点及操作单元，学生可根据初步实验方案选取相应的实验技术，确定实验条件。在此过程中，将实验周期长、危险性大、参与度低、灵活性小的微生物综合设计实验“模块化”设置。虚拟仿真实验没有时空限制，教师把控实验的主要方向，学生作为主体参与整个实验流程，是锻炼学生科研思维和培养创新意识的良好手段[9]。

除设计传统的细菌学检验与鉴定综合性实验外，为与临床联系更为紧密，我们还将分子生物学知识融入医学微生物学实验中，设计了PCR（生物学的聚合酶链反应）法分类鉴定细菌虚拟仿真实验。PCR 技术目前已在临床医学、预防医学和食品检测等多个领域广泛使用，采用虚拟仿真实验可让学生及时掌握临床实用技术，快速与临床学科衔接。我们将PCR 的基本原理、应用范围以及仪器的组成、参数设置和使用规程制作成Flash展示给学生，以此激发其学习兴趣。采用16S rDNA 基因扩增法，以沙门菌属为例，包括细菌基因组DNA 的提取、通用引物的设计、扩增体系、反应条件、基因测序和系统进化树的构建等一系列实验。分子微生物学研究对象往往是肉眼不可见的微观世界，因此对学生理解能力、空间想象能力要求高。通过虚拟仿真技术将实验中的微观过程转换成宏观现象，有助于学生理解其中直接或间接的因果关系，将知识融会贯通，满足不同层次的学习需求，激发学习积极性[10]。

2.4 学习和考核模块

平台与互联网链接后，任课教师可以随时查看学生的点击率、学习时间，实时回答学生在学习过程中遇到的各种问题，及时对前3 阶段的学习效果进行追踪，且能及时与学生进行交流。除平时的训练外，虚拟仿真实验平台还设置了基本技能学习模式和考核模式。学习模式主要针对学生的易错点、难点和关键步骤设置考核。比如细菌的药物敏感性实验的关键步骤和易出错的操作为菌种管的握持与拔塞方法、接种环的握法以及划线方法、药敏纸片的放置方法、抑菌圈直径的测量、药物敏感性结果判断等。流感病毒鸡胚培养实验中易错的操作为无菌操作技术、胚胎位置的标记、病毒的接种位置等。针对流感病毒的血凝和血凝抑制实验中鸡胚预冷的时间、病毒的倍比稀释、病毒效价的判定等，可在相关步骤设置障碍，每一个步骤学生若操作失误，都会有相应的操作提示及规范的操作动作展示。

通过学习模式已经掌握操作规范的学生，可进入考核模式完成实验考核。考核模式中首先会随机抽取数字切片让学生辨认微生物，随后要求学生完成实验操作。在没有任何实验步骤或设备设置参数提示的情况下，学生需在20 分钟内独自完成所有实验操作，在规定时间内没有完成操作者则视为考核未通过，要继续回到学习模式，通过查找相应扣分点针对性地反复练习。如果考核模式中有任何问题，学生也可以随时切换至学习模式学习，此时在考核模式中之前的操作将取消，学生完成学习后重新参加考核，考核次数不受限制，直到对成绩满意为止。这样就消除了传统单一地通过实验报告考核学生实验水平的弊端，真正做到把过程与结果有机融合在一起，充分调动学生学习积极性和主动性，还可以客观公平地反映实验教学质量及教师教学效果[11]。

3 虚拟仿真实验进一步完善的方向

在今后的实验项目建设中，应注重与社会发展、人才培养目标紧密结合，又要较好地融入本学科教学特色，重点探索与其他学科交叉的综合设计性实验[12]。（1）鼓励教师自主研发实验项目尤其是创新性实验项目，如开发与临床医学和地区发展密切相关的布鲁氏菌病等虚拟仿真实验，为我校形成一套完整的多学科虚拟仿真实验课程体系奠定坚实基础。（2）构建虚实深度融合的范式与机制。经过多年经验积累，可以肯定虚拟仿真实验对课堂教学的积极作用，但其不能取代线下实验教学的主体地位。每次学生完成线上虚拟仿真实验后，待恢复线下教学还会对重要的实验技术再次进行操作，由于前期学生已经对本学科有了良好的认知基础，训练时会盲目操作，不但减少了安全隐患，而且大大提升了实验成功率。因此，本课程团队努力探索虚拟仿真教学方法，积极打造线上线下虚实结合的实验教学模式，在引导学生自主学习的同时归纳总结教学问题，团队合理反馈后形成软件更新或改善的“初脚本”。这将起到优化教学内容的作用，同时也对团队教师提供了创新的方向，有利于对接“金课”标准，明确建设“金课”的思路和方向[13]，在校企合作基础上争取打造一批高质量的虚拟仿真混合式“金课”，提升高校人才培养质量。