基于原创的病原生物学虚拟仿真实验教学平台研究

王晓楠，李京培，杨 晨，唐媛媛，刘莉茵，李 群

（安徽医科大学，安徽 合肥 230032）

病原生物学实验教学是医学实验课程体系的重要组成部分，是联系基础和临床之间的桥梁。但是，现实的诸多影响因素限制了病原生物学实验在很多高校的开展，即使有的学校开展了相关实验，学生能参与的也只是实验的一部分或者仅仅观察实验结果，严重影响了实验教学质量的提高。

从2014年开始，教育部高教司便下文支持网络化的虚拟仿真实验技术在各个高校的开展。2018年，教育部在各高校推进虚拟仿真实验教学项目建设工作，希望依托这些项目，让我国高等教育的理论教学和实践教学实现“两翼齐飞”的效果，帮助中国高等教育实现“变轨超车”。如今，虚拟仿真技术已经被广泛应用于医学教育的众多领域[1-3]，可以为高校教学模式改革提供强大的技术支持，尤其应用于病原生物学教学中，可以解决病原生物学实验中的生物安全隐患等实际问题。因此，借助互联网共享优质教学资源，建设虚拟仿真实验教学平台，改革实验教学的新模式是医学教育发展的必然趋势。

1 病原生物学虚拟仿真实验教学平台建设的必要性

病原生物学实验教学包括常见致病性的病毒、细菌、真菌、寄生虫等病原体检验的基本实验技能和技术及其相关仪器操作；帮助学生树立正确的生物安全和无菌操作观念；促进理解常见病原体的生物学特性、致病性和免疫性。通过实验课的操作训练，可以培养学生独立思考、分析问题、解决问题的能力以及团队协作精神，为学生专业课学习及医学临床实践打下坚实的基础。但是，在实际教学中，很多常见病原微生物是国家CDC（中国疾病预防控制中心）管控菌种。由于菌种管控和生物安全问题，很多高校实验室的防护措施尚不完备，实验室感染时有发生[4-6]。但相关的这些技术在病原生物学实验中具有重要的代表意义，也是国家执业医师资格考试大纲和医学微生物学教学大纲的重要内容，缺失了这些环节不利于学生动手能力和综合能力的培养。因此，将现代信息技术与实验教学项目深度融合，建设虚拟仿真实验教学平台，突破实验教学时间和空间限制，有利于解决医学生能力培养和潜在感染之间的矛盾问题。

2 病原生物学虚拟仿真实验教学平台的建设

2.1 病原生物学虚拟仿真实验教学的资源建设

我校从2015年开始就划拨专项经费，用于病原生物学虚拟仿真实验教学平台建设。选取我校病原生物学部分经典实验，整合临床病例、相关理论知识点和实验操作，融合虚拟现实、多媒体、人机交互和网络通信等技术，目前已经建成的3个虚拟仿真实验教学系统，涵盖了病原生物学的很多经典实验操作，并逐渐形成了完整的病原生物学虚拟仿真实验教学体系。

2.1.1 肠道致病菌分离与鉴定虚拟仿真实验教学系统 肠道致病菌分离与鉴定虚拟仿真实验教学系统[7]以临床常见病例为中心，整合相关理论知识、系列实验操作而设计，涵盖肠道致病菌的理论知识点复习、肠道致病菌分离与鉴定的7个经典实验操作视频和肠道致病菌分离与鉴定虚拟实验实训。虚拟实验实训来源于我校第一附属医院的两个真实病例，学生根据系统给出的患者生命体征、体格检查等信息，综合运用所学知识选择相应的实验室检查方法并进行虚拟实验操作。通过该教学系统，学生不但可以掌握肠道致病菌分离与鉴定的经典实验操作方法，还锻炼了动手能力、分析临床问题能力等综合素质。

2.1.2 破伤风梭菌毒素致小鼠肌肉痉挛虚拟仿真实验教学系统该实验教学系统以破伤风梭菌致小鼠肌肉痉挛实验[8]作为虚拟仿真实验对象，将破伤风的相关理论知识、实验视频与虚拟操作实践有机结合。实验视频包括材料准备、菌种复苏、增菌培养、菌毒素制备、菌毒素稀释、实验动物分组与注射、实验动物观察、实验结束清场等实验过程。在实体实验教学中，由于生物安全问题，学生只能观察小鼠发病死亡的实验结果，对于整个实验过程缺乏系统了解。在虚拟仿真实验教学系统中，学生不但可以了解菌毒素制备的实验过程和受感染小鼠发病死亡的全过程，还可以自主操作虚拟实验，避免直接接触有感染性的病原体和受感染的小鼠，使实验室生物安全得到了保障。

2.1.3 脑脊液中常见病原微生物的分离鉴定虚拟仿真实验教学系统 该实验教学系统由脑脊液的生理学知识、脑脊液常见病原微生物分离鉴定的7个经典实验视频和虚拟实验实训组成。虚拟实验部分选取了附属医院的脑膜炎病例，模拟从临床患者的脑脊液中分离出常见的病原体并加以鉴定。系统先以动画形式给出患者在家的症状，如剧烈头痛、发热、意识障碍、双眼上翻、自言自语，医生体检后给出患者的生命体征，然后系统给患者实施CT检查，排除占位病变等非感染脑膜炎之后，采取腰椎穿刺，取出脑脊液标本。由于脑膜炎的病原菌可能是细菌、病毒或寄生虫，学生就要根据所学知识，综合判断需要进一步做哪些实验室检查以确诊。选择好实验方法后，学生就进入虚拟实验室进行虚拟实验操作。虚拟实验可以强化操作多次，避免了接触致病性的病原菌，也训练了学生的知识综合应用能力以及分析、解决问题能力。

2.2 平台共享

系统建成之后，这些教学资源已经通过我校基础医学国家级虚拟仿真实验教学中心网站和上海梦之路数字科技有限公司虚拟仿真实验教学网站对外开放。其中，肠道致病菌分离与鉴定虚拟仿真实验和破伤风梭菌毒素致小鼠肌肉痉挛虚拟仿真实验入选国家级虚拟仿真实验教学项目，已经在教育部的实验空间——国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台上面向全国高校和社会免费开放，并提供教学服务。只要输入网址链接即可打开，实现与其他高校教学资源的共建共享，相互取长补短，扩大了我校在全国医学院校中的影响力。

3 病原生物学虚拟仿真实验教学平台的应用

3.1 虚拟仿真实验教学的实施

虚拟仿真实验教学平台建成以后，实体实验教学便有了有力的臂膀。虚拟仿真实验教学模式为学生提供了可移动的电子教学场所，实验教学不再局限于实验室，而是得到了极大拓展。在实验课之前，教师布置学生利用虚拟仿真平台预习相关实验内容。系统涵盖了理论知识和实验操作，学生从理论到实验循序渐进地预习该实验内容的所有知识点。实验操作包含实验视频和虚拟实验操作，学生可以先观看视频，再尝试虚拟实验操作。在实体实验教学中，学生可以带着问题听课，做到有的放矢。对于实验操作部分，预习之后的实验操作成功率更高，重要的操作掌握得也更加牢固。实验课后，对于有疑惑的知识点或不熟练的实验操作，学生还可以利用虚拟仿真平台进一步复习巩固。

3.2 虚拟仿真实验教学效果问卷调查

虚拟仿真实验教学实施以后，采用自编的虚拟仿真实验教学效果调查问卷，随机选取安徽医科大学2016级临床医学和全科医学专业学生共96人进行问卷调查。调查前先向学生阐明本问卷调查的目的，现场发放问卷，要求学生如实填写，并独立完成，填写完成后统一收回问卷。共发放问卷96份，收回有效问卷96份，问卷有效回收率为100%，见表1。

从调查结果来看，大部分学生对虚拟仿真实验教学的优点如帮助理解实验过程、教学方式新颖有趣等持肯定态度。但是，由于医学生毕业后大部分要从事临床工作，实践技能对他们来说是生存之本，因此学生普遍认为虚拟仿真实验不能完全代替实体实验，可以与传统实验优势互补，共同助力学生综合实践能力的培养。

表1 虚拟仿真实验教学效果问卷调查

4 虚拟仿真实验教学平台建设的思考

4.1 虚拟仿真实验教学弥补了传统实验教学的不足

虚拟仿真实验满足了创新时代下对医学生的培养要求，突破了实验教学对客观条件的依赖性，学生可以在虚拟实验室亲自动手完成实验操作，直观地“体验”知识，在虚拟仿真实验中观察、探索、实验、想象，发展思维，增长智慧，促进了学生自主学习，弥补了传统实验教学的不足。

4.2 临床与实践相结合

医学生发现问题、提出问题能力的培养已经成为当今时代医学教育的目标。单学科的学习已经无法满足当下时代对人才的需求，综合能力的培养是未来医生的必修课。病原生物学虚拟仿真实验紧密融合基础与临床知识，帮助学生理解理论知识的同时，激发了学习兴趣，培养了学生的临床思维，与现代医学教育要求的“早临床、多临床、反复临床”相适应，真正做到基础知识与临床知识紧密衔接[9]。

4.3 智能引导，培养思维能力

虚拟实验系统内容精、容量大，适合主流媒体形式。虚拟实验设置了人机交互和智能引导功能，学生选择的实验方法如果不正确，系统会给予提示，引导学生采用正确的实验方法。系统还具有在线统计分析功能，能跟踪学生学习情况，最后会自动评价学生总体操作得分。学生根据系统反馈了解自身学习情况，从而查漏补缺，思维能力得到锻炼和提高。

4.4 建立科学的评价体系

虚拟仿真实验教学平台建成以后，需要良好的激励机制来发挥系统应有的效果。科学的评价体系主要体现在两个方面。

（1）对教师来说：学校需要制订合理的奖励机制和考评机制。对于建设虚拟仿真实验资源的教师，学校应按照一定的工作量给予评定。对于后期平台的在线维护工作，学校应根据教师的登录时长和在线答疑时间，列入教师的教学工作量，为评奖评优提供客观依据。只有良好的考评机制，才能促进教师全身心投入虚拟仿真实验教学平台的建设工作和后期的维护工作，才能建设更好、更优质的教学资源，为培养优秀的医学接班人而努力。（2）对学生来说：学校需要制订科学、合理的教学大纲和考核机制。根据不同专业的学习要求，把虚拟仿真实验纳入实验教学计划中，与传统实体实验教学相呼应，形成有机的整体，并把虚拟仿真实验的学习纳入学生的考核和评价体系中。实验教师和管理人员从后台定期检查学生网上的学习时间，掌握学生自主学习情况，真正实现预习（课前虚拟）、课堂（实验室）和复习（课后虚拟）的循环模式，从而提高虚拟仿真实验教学资源的实际使用效果。