基于虚拟仿真技术的微生物限度检查教学资源建设

李 悦，刘 芳

（天津医学高等专科学校药学与生物技术学院，天津 300222）

中药饮片是中医治疗疾病的物质基础，是生产制备中药制剂的药材来源，同时也是我国中药行业三大重要支柱之一[1-3]。为全面提升中药质量，防止外源性微生物污染，保障临床用药安全，促进中药产业健康发展，2020 年版《中国药典（四部）》新增中药饮片微生物限度检查法（通则1108）作为卫生学检查必须遵循的质量标准[4]。检查对象包括需氧菌、霉菌和酵母菌、耐热菌、耐胆盐革兰阴性菌、大肠埃希菌、沙门菌等中药材在种植、栽培、包装、运输、存储过程中易出现的微生物，并对检验环境与检验过程提出明确要求；对微生物计数、控制菌检查和结果判断也做了明确的规定。这一标准的落实，使中药饮片微生物检查有了检验依据，加强了中药饮片质量监管，为提升中药饮片质量奠定了基础，促进了中药行业规范化发展，同时有助于推进中药国际化进程，扩大中医药在海外的影响力[5-6]。

医药卫生职业教育以行业需求为导向，根据行业发展趋势和人才需求更新、完善教学内容。对接行业技术规范，面向中药专业增设中药饮片微生物限度检查实训课程，使学生掌握中药质量控制新技术、新标准，成为严谨科学的质检人，为中药质量安全保驾护航。

中药饮片微生物限度检查涉及中药学、微生物学以及中药制剂分析等多门学科知识与技能，包括洁净室更衣、菌液制备、供试液接种、培养与计数等模块。由于其实训教学受洁净室无菌环境、细菌培养周期、检查设备种类、危险化学品管理、试剂耗材成本、教学组织安排等多种因素影响，无法完整重现检验工作全貌，导致实训内容与岗位工作出现偏差，影响了学生学习兴趣和学习效果。

1 虚拟仿真技术在中药饮片微生物限度检查实训教学中的应用

虚拟仿真是一种基于计算机模拟、图形渲染和人机交互原理的数字技术[7-8]，能够将真实场景数字化，模拟真实世界的情境和行为，借助传感器、输入设备和显示设备，使用者可以进行互动、观察和实践，从而获得一种身临其境的沉浸式学习与训练体验。目前广泛应用于医疗、教育、航空航天、工程设计等各个领域的虚拟现实（virtual reality，VR）、增强现实（augmented reality，AR）、混合现实（mixed reality，MR）和全景视频（360-degree video）等都属于虚拟仿真技术[9-10]。

目前，基于虚拟仿真技术的中药饮片微生物限度检查实训教学研究尚处于起步阶段，关于国内医药卫生职业教育中药学专业运用数字技术进行常见饮片微生物限度检查实训资源建设方面，仍缺乏系统性研究。

基于中药饮片质量检查的真实岗位情境，利用虚拟仿真技术还原药品生产企业进行微生物检查的完整工作流程，支持全平台、跨设备、多场景实训，利用智能影音功能，模拟实训教学中“高风险、难实施”的应用场景，解决了传统实训“高投入、难再现”的问题。其特点主要为深度沉浸的实训环境，高度仿真的教学内容，移动泛在的学习模式以及多元智能的评价体系[11-13]。

（1）深度沉浸，高频交互。运用VR 技术的3D 建模与色彩渲染功能对洁净室、准备室、样品室和培养室进行模型建构。利用VR 系统的头盔、显示屏和桌面云系统实现微生物区更衣、环境检查及消毒、试验菌液接种等虚拟场景的立体呈现。音频技术能够模拟实验过程中供试液制备和微生物培养的声音效果，增强对听觉感知系统的刺激。通过将教学内容融入虚拟情境，使学生置身于模拟现实的学习空间，快速进入学习状态，激发学生内在学习动机。

（2）聚焦技能，真学实练。校企深度合作，按照真实工作内容，序化重构中药制剂分析课程的实训任务，科学设计教学环节，运用VR 技术展示微生物检查全过程。在虚拟仿真实训中学生能够体验多种常见中药饮片的前处理过程，反复进行菌株接种练习，强化记忆各种培养基的功能。将实训基地的实际操作与多种饮片的虚拟仿真实训相结合，拓宽学生视野，提升其运用专业技能解决实际问题的能力。

（3）移动泛在，自主学习。虚拟仿真实训教学软件提供了视觉友好的操作界面，样品检验操作指导清晰，实验室地图全程引导，且支持多人同时在线学习。学生可以录制音频、发布图片与教师和其他学习者分享培养基接种心得，讨论供试品溶液提取分离过程中遇到的问题。同时还能全面兼容多种设备，打破了传统微生物实训教学的空间限制，使学习者时时可学、处处能学，营造了自主探究的学习氛围。

（4）多元评价，全程育人。虚拟仿真教学软件基于多元评价理念，采用全过程、全方位、多角度、强交互的评价方式。在供试品溶液制备工艺、培养基制备与接种、菌落计数技能考核的基础上，增加人机问答、案例分析等，培养学生解决问题能力，以及一丝不苟、精益求精的职业素养。

2 微生物限度检查虚拟仿真教学资源建设

麦冬为百合科植物麦冬的干燥块根，具有养阴生津、润肺清心的功效，主要用于治疗肺燥干咳、津伤口渴，是常见中药[14-15]。针对中药饮片微生物限度检查岗位任务，我们设计研发了两种虚拟仿真教学资源，一种是基于VR 技术、采用微生物计数法控制麦冬饮片中微生物污染程度的虚拟仿真教学软件，另一种是教师团队自主设计开发的与教学软件相配套、基于AR技术的数字化活页式实训手册。本研究以完善中药饮片微生物控制标准体系为目标，中药分析学、高性能仿真和数据科学等学科为基础，通过两种虚拟仿真教学资源建设，补齐了实训教学的短板，增强了实训课程的科学性和创新性[16]。

2.1 设计思路

虚拟仿真教学资源建设总体框架包括微生物限度检查数据收集、虚拟仿真教学软件设计与开发、数字化活页教材App设计与开发、实训教学项目设计4 部分（见图1）。

图1 虚拟仿真教学资源建设总体框架Figure 1 Overall framework for the construction of virtual simulation teaching resources

（1）数据收集。对2020 年版《中国药典》进行学习，查阅文献，聆听专家解读，整理检查原理、方法、内容、判定依据和必要性等相关资料。在理论研究的基础上，赴药品检验机构进行学习，前往产业学院下设的龙头企业进行调研和岗位观摩，采集厂房、仪器设备及现场环境的相关数据，建立微生物限度检查数据资源库。

（2）软件资源设计思路。基于调研和岗位实践，形成微生物限度检查标准操作规程（SOP）。依据SOP 要求设置试验场景仿真、虚实交互、智能语音对话和项目考核测评等功能。通过程序开发与数据处理最终完成虚拟仿真教学软件，用于实训教学、仿真操作和考核管理。

（3）教材资源设计思路。在教材设计方面，以培养药品检验职业能力为核心，微生物限度检查职业活动为主线，计数法检查麦冬饮片的微生物限度实训项目为主体，通过项目驱动，构建以工作过程为框架的课程结构，建立“活页教材+ 活页笔记+ 实践训练+ 功能插页”四位一体的数字化实训手册，并开发App 软件，方便学生在手机端学习。

（4）实训教学项目设计。将微生物检查岗位任务划分为任务目标、任务实施、任务报告和任务评价4 个模块，使学生真实体验岗位对洁净度的要求、不同类型培养皿的培养方法、中药饮片的前处理技术、微生物计数法的操作步骤和注意事项，掌握微生物限度检查的基本原理与操作要点，培养学生严谨求实、遵章守纪的职业素养，增强学生安全意识和环保意识。

2.2 资源研发

2.2.1 麦冬微生物限度检查虚拟仿真教学软件研发 该教学软件主要包括仪器设备、实验室地图导览、操作步骤以及拓展练习4 个模块。

（1）仪器设备模块。采用第一视角进行三维场景渲染，模拟药品检验机构和生产企业常用型号的传递窗、生物安全柜、生化培养箱和漩涡震荡仪等仪器设备。通过虚拟仿真实时交互，给予必要的提示与反馈，帮助学生认识仪器的结构与功能，了解其在微生物限度检查中的作用。

（2）实验室地图导览模块。通过多地图交互功能，实现实验场景和任务节点高效切换，使学生了解洁净室、样品室、培养室和观察室的用途以及进行的实验操作，加深对实验内容的理解。在实训室进行操作时，任务节点的推进往往伴随着往返场地、人员消毒、设备清洁、药品过传递窗等重复性劳动，不仅占用宝贵的上课时间，也造成实验材料的大量损耗。利用虚拟仿真软件进行本项训练，可以有效解决上述问题。

（3）操作步骤模块。该教学软件模拟了微生物计数法检查麦冬微生物限度的完整实验流程，包括微生物区更衣、检查及消毒、试剂用品领取、试验菌液接种、培养基适用性试验、麦冬供试液制备、供试品检查、培养与计数、菌数报告、清场消毒，共10 个任务节点。操作过程中不仅有文字提示，还有智能语音对话，可实时响应用户提问，并针对问题进行专业指导。传统实验教学一般需要较长时间培养菌种，如胰酪大豆胨琼脂培养基平板和沙氏葡萄糖琼脂培养基平板需分别在不同培养箱中培养3天，受课时限制，这部分内容往往安排在课下完成，对学习的连续性造成一定影响，加之部分学生学习自主性不强，课下任务完成率明显下降。利用虚拟仿真软件进行操作练习则能有效缩短等待时间，增强学习的连贯性，提高学生学习效率和主动性。

（4）拓展练习模块。虚拟仿真软件同时具备教学、练习和考核功能。其中，教学功能通过动画和操作视频演示来实现。练习功能包括操作步骤练习和拓展练习。拓展练习也是对学生微生物限度检查理论知识和操作技能的综合考查。考核功能可以评价并记录学生的操作情况，将信息保存在后台，以便教师追溯和点评。

2.2.2 活页教材与数字化实训手册开发 活页教材是对虚拟仿真实训的有力支撑，包括实训简介、实训目标、岗位介绍、参考资料、仪器设备、实训步骤、实训考核、药典规定和拓展练习9部分。数字化实训手册是在活页教材的基础上，利用Unity 3D平台，采用动画、三维仿真和AR 技术开发的App 应用程序，可在移动端口实现微生物限度检查仪器设备扫描识别、三维观察和结构分解、原理剖析和语音讲解等。

（1）扫描识别功能。通过扫描实训教材中的图片，学生可以在手机端查看仪器设备的三维立体透视效果，了解仪器设备的外形构造、组成元件以及功能、用途和基本特点，有助于提高学习效率。

（2）三维观察和结构分解功能。通过点击屏幕可以对模型进行平移、旋转、放大、缩小等三维动态操作，细致观察仪器内部结构和空间构成。此外，该功能还能对仪器设备的组件一键分解，对其中某个组件进行三维观察。此项功能有助于提高学生认知水平，解决无法观看仪器内部结构的实训难题。

（3）原理剖析和语音讲解功能。利用动画演示仪器运行时各组件的变化过程，模拟药品检验标准操作步骤。而语音提示则可以介绍仪器的工作原理，讲解药品溶液在仪器设备中的处理过程，以及每一步操作的目的和得到的产物。此项功能有助于增强学生学习自主性，解决仪器原理难理解的实训难题。

3 微生物限度检查实训教学实施

针对微生物限度检查实训环境要求高、操作环节多、仪器原理难等问题，我们依托国家级虚拟仿真实训示范基地建设项目，开发了中药麦冬微生物限度检查虚拟仿真实训资源，将仿真软件与活页教材有机结合，遵循“以虚助实、虚实结合”原则，同步建设药品生物检定技术技能创新平台，以真实环境为载体，结合虚拟仿真实训平台在创设学习情境、丰富交互体验方面的优势，组织实施混合式实践教学，夯实学生基础，突破教学难点，拓展应用范围。

实训教学的实施以建构主义理论为依据，真实再现中药饮片微生物限度检查工作任务，将“严谨求实、精益求精”的职业素养培养贯穿教学始终。教学过程包括课前自主学、课中交互学、课后拓展学3 个模块，通过情境导学、技能教学、仿真促学、岗位践学和行业拓学5 个环节，引导学生进行探究式学习。运用PBL 教学法、分层教学法和小组讨论法等激发学生学习兴趣，使学生在主动参与、交流合作、探索研究中达成既定教学目标（见图2）。

图2 教学实施过程Figure 2 Process of teaching implementation

（1）情境导学创设职业环境。教师以“中药饮片迎新规，药典增加新标准”行业信息作为教学案例，创设职业环境，分析政策出台的背景，对制药行业和从业人员的影响，并针对案例提出问题，组织学生进行主题讨论，导入教学内容，使学生加深对学习目标的理解。

（2）技能教学助力突破难点。通过标准操作视频、3D 动画、虚拟仿真教学软件、活页教材与数字化实训手册等教学资源，使集菌仪、薄膜过滤器等检验仪器的复杂原理形象化、可视化。通过动手操作和细致观察，使学生理解供试品在仪器中的过滤、培养过程，有效突破实训教学难点。

（3）仿真促学掌握工作流程。运用桌面沉浸式教学设备（3D射频眼镜、VR 系统头盔和VR 管理系统服务器），搭建CAVE系统教学环境，学生可以进行虚拟仿真实训教学软件中10 项工作任务的具体操作，提升操作技能水平，也有助于对整个工作流程的把控，掌握教学重点。

（4）岗位践学强化综合能力。实训环节，由教师讲解实训项目以及注意事项，并对学生进行个性化指导。学生以小组为单位进行实践探索，组内协同、组间竞争，完成学习任务。

（5）行业拓学促进技术应用。在总结环节，企业导师介绍微生物限度检查行业前沿技术与质量规范并布置相关作业，引导学生课后查阅文献，自主设计应用方案，进行拓展学习，增强学生创新意识，提升学生竞争力。

4 讨论

本研究运用VR 和AR 技术模拟中药饮片微生物限度检查的真实工作场景，按照标准操作规程设计了生动有趣、交互性强的虚拟仿真实训软件和数字化实训手册，更新了中药类课程实训资源，构建了线上线下有机衔接、虚实结合、以虚助实的实训课程体系，弥补了传统实训教学在时间、管理等方面的不足，有助于提升学生饮片质量检查能力和创新能力。下一阶段的研究工作将聚焦基于自然语言人工智能的教学指导与评价模块的设计，同时针对区域产业需求，重组任务模块，开发面向不同工种的微生物限度检查培训包，不断提升职业教育服务地方经济发展的能力。