网络背景下病原生物学虚拟实验教学方法初探

李嘉，张东圆，陈志成

（河北医科大学临床学院，河北石家庄 050031）

虚拟实验是基于计算机系统产生的一种可以创建和体验虚拟环境及操作的现代科技。早在1989年，由美国的威廉教授首先提出了“虚拟实验室”的概念。随后，众多国外大学通过不断的研究，开发了形式各异的虚拟实验室。国内虚拟实验技术起步要晚一些，但发展较快。随着计算机在我国的逐步普及，第二军医大学生理学教研室自20世纪90年代开始，对生理学虚拟实验进行了初步探索，成功的模拟了“蛙心灌流”“哺乳动物血压调节”以及“动作电位的产生机制和记录方法”等实验。后来他们在原有的虚拟实验基础上进一步升级，建成了早期的机能学虚拟实验室。大量的教学研究证明，虚拟实验室具有实验成本低、实验效率高、实验效果好等诸多优势[1]。同时，随着近年来网络的普及，大量的教学视频等内容被放置在网络上，学生可通过网络，不受时间和地区的限制，做到随时随地的学习，为学生提供了有利的自学条件。由此可见，网络虚拟实验对于医学院校实验教学起到了很好的辅助作用，是未来医学类实验教学发展的新方向。

1 传统教学模式下病原生物学实验教学的现状

传统的病原生物学教学过程中，实验教学是在实验室中进行，首先由教师介绍实验原理及实验步骤，并对操作技术进行集中示教，而后学生按照既定实验步骤，对实验设备、试剂、标本进行操作，观察并记录实验结果，最后书写完成实验报告。传统教学模式对于学生操作及观察能力的培养具有明显优势。然而上述单一的授课模式却易受到现实条件的制约[2]，主要存在以下两个问题。

1.1 某些病原生物致病性强，实验周期长，许多实验无法开展

病原生物学实验的实验对象多是与人体致病有关的病原生物，普遍具有不同程度的致病性，如肠道致病菌中既有致病性较弱的大肠杆菌，也有致病性较强的伤寒沙门菌。如在实验内容中加入致病性强的病原生物，一旦学生操作不慎或失误均会对学生的健康造成威胁，导致实验室感染，存在一定的生物安全隐患[3]。因此，很多病原生物学实验都被改为示教课程，由教师进行操作讲解，学生没有实际操作的机会。此外，病原生物学实验中的大部分实验周期较长，课堂时间有限，难以完成，因此也限制了实验的开展，不利于学生对于实验整理流程的掌握。

1.2 校园实验场地、教学经费和资源紧张

操作致病性强的病原生物对实验设备需求种类多、精细度高，同时对安全防护要求的等级也较高，学生实验涉及操作的人数众多，需要大量的资金投入，购买建设多个高水平的实验室，多数高校很难满足。同时，近些年由于高等教育招生规模的扩大，再加上课时数的逐年减少，实验场地、教学经费和资源紧张，因此课堂实验开展的多是一部分有代表性、易操作、经济、常用的简单实验，对于那些需要昂贵仪器、比较耗时的实验大都只做课堂示教，学生缺乏锻炼机会，这些都不利于学生动手能力的提高及对实验的理解。

2 网络虚拟实验——病原生物学实验教学的新思路

传统病原生物学实验教学中存在的上述问题已经无法简单地从改变教学方法、调整教学内容等方法解决，必须引入新鲜力量，虚拟实验尤其是网络虚拟实验则很好地弥补了传统实验教学的不足，具有以下明显的优势。

2.1 增强实验安全性，拓宽实验内容

病原生物学实验与其他专业实验课相比，存在诸多危险因素[4]，例如：实验时不慎被病原生物感染，高压蒸汽灭菌操作不当发生危险等。此外，部分实验标本对安全防护要求也极高，例如：霍乱弧菌培养观察、寄生虫虫卵检测这些对生物安全实验室防护等级要求高的实验，在一般的本科教学中，无法开展。而学生在虚拟实验室中进行这些病原生物的实验操作，则完全不必担心上述问题，同时又能将实验学习与理论学习相呼应，增加了病原生物学的实验项目，拓宽学生实验操作。

2.2 强化学生实验基本技能，缩短实验时间，排除不稳定因素，增强实验效果

病原生物学实验程序比较复杂，操作过程时间较长，实验结果不易观察。虚拟实验室可以帮助学生提前预习实验操作，加强学生对实验操作细节的熟悉程度，排除试剂、设备对实验结果的影响，缩短标本培养时间，有助于保证实验的完整性，加深学生对实验的理解和掌握。

2.3 降低实验成本，缓解学校经费压力

由于病原生物学实验的特殊性，决定了开设该专业实验课程需要准备高级精准的实验设备和防护高等级较高的实验场所。这需要大量的资金支持。虚拟实验则解决了病原生物学实验对实验耗材、仪器、场所的限制，可在一定程度上了缓解学校经费紧张的状况。

2.4 激发学生求知欲，增强学生的实践创新能力，做到真正意义上的实验室开放

虚拟实验室可通过网络提供全天候的开放式实验环境，学生可自拟、自选实验项目并自行组织实验，使学生从灌输式被动学习转变到主动积极灵活学习。从而开阔学生视野，激发学生的参与热情，有利于激发学生的求知欲，充分调动学习积极性、主动性及创造性，培养学生创新能力。

3 病原生物学实验教学的具体实施方法——以临床学院为例

3.1 虚拟实验的设计思路

虚拟实验是对传统实验的有益补充。但是如何让虚拟实验与传统实验有效结合，而不是简单的重复，我们并没有足够的经验[5]。另外，虚拟实验不具有实物感，即使再逼真也无法取代传统实验教学中对操作技能的锻炼，因此学生的实际操作技能的培养还需依靠传统实验教学。综上所述，在充分的研讨过后，我们将该次课题研究的设计思路如下[6]:首先，明确各学生实验的教学目的，其中实验原理的理解、实验技术整体路线的掌握则主要在虚拟实验教学来实现，而对于教学目的中的技能目标由传统实验教学来实现。先虚后实，虚实结合，让学生先在上课前通过各种网络终端例如笔记本电脑、手机等，运行多媒体实验教学软件，通过交互操作以及观看试教，初步认知实验的操作步骤的基础操作技术；然后通过真实环境的实践教学，进行实验技术的培养和训练。课后，学生还可以再次通过多媒体实验教学软件对所学知识点进行复习，查漏补缺，起到了了良好的巩固作用。从而，将虚拟实验和传统实验有效结合在一起。

3.2 虚拟实验的建设及具体实施方法

在具体实施过程中，首先我们利用具有一定图片互动功能的Microsoft PowerPoint 软件作为开发工具，开发出一套集交互性、形象性、趣味性于一体，又不失科学性的病原生物学多媒体实验教学软件，并将其上传至数字化学习平台。在校学生可以通过互联网随时登录该学习平台，利用该资源，进行课前的预习，也可用于学生课后复习巩固[7]。例如：微生物实验中高压蒸汽灭菌操作，是微生物学中最基础的实验操作，但因为实验条件和时间限制，传统实验教学中都是由教师在课前代为完成，学生无法亲自操作，也无法观摩学习。而在增加了虚拟实验后，我们可以通过课前预习，模拟进行相关操作，对实验的整体流程有一个完整的印象，同时了解各种培养器皿和培养基如何通过高压蒸汽锅进行高温蒸汽灭菌操作，从而更好地理解和掌握细菌培养实验的前期准备过程。随后，在实际课堂教学过程中，重点培养学生练习不同细菌的各种接种方法的操作技能，最后再通过虚拟实验对细菌进入培养箱后的培养条件和结果观察进行补充学习。这样有助于帮助学生整体把握实验流程，帮助学生形成完整的实验思维。

3.3 教学效果及分析

我们以临床学院2017 级临床专业医学微生物学课程来进行该次教改实验研究的尝试[8]。从该专业教学大班中，随机挑选了两个小班，分别标为A、B 班。这两个小班理论课、实验课的教学均由同一名代课教师完成。其中A 班（40 人）为虚拟实验教学实验组，B 班（37人）为传统实验教学对照组。要求A 班学生每次上实验课前，利用课余时间提前登录虚拟实验进行课前预习，并于课后再次利用系统内针对该次实验课程的复习题进行复习。经过一学期的完整教学，对两个班的期末综合考试成绩进行统计学分析（其中实验课考核成绩占总成绩的30%，笔试考核成绩占总成绩的70%）。A 组的最高成绩为88 分，最低成绩为62 分，平均成绩74.08 分；B 组的最高成绩为89 分，最低成绩为52 分，平均成绩68.35 分。将上述学生的成绩导入SPSS Statistics Version 21 统计软件系统，利用软件进行单因素方差分析，结果现实两组学生的考试成绩P＜0.05,两组分析结果有差异。这说明利用虚拟实验进行教学辅助，学生的学习成绩有明显的提升，也证明了学生知识的掌握更加系统、牢固，学习效果更佳。

4 结语

以上是我们在病原生物学虚拟实验和传统实验教学进行有机结合的一次教学改革尝试，除了上述考试成绩统计学结果分析外，我们还针对本次授课的感受，进行了学生问卷调查，结果显示71.32%的学生认为虚拟实验对知识的学习起到了很好的辅助作用，提升了学生对课程的学习兴趣，再次证明了该次教学改革的实践取得了较好的效果。虚拟实验和传统实验教学模式的融合，两者的作用都得到了最大程度的发挥。既可以帮助学生更好地掌握抽象的实验原理及实验技术，又可以节约实验课堂理论授课时间，增加学生在课堂中操作技能的练习机会，有效地提升了学生的操作技能。另外，多媒体教学课件的交互性让学生感觉充满了新鲜感，更好地激发了学生的学习兴趣。随着虚拟实验课件的进一步完善，虚拟实验与传统实验配比的不断调整，相信新型教学模式在提升教学效果上能够显现出更强大的优越性。