王曉楠, 李京培, 唐媛媛, 劉莉茵, 李 群

(安徽醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 安徽 合肥 230032)

破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗建設(shè)

王曉楠, 李京培, 唐媛媛, 劉莉茵, 李 群

(安徽醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 安徽 合肥 230032)

針對病原生物學(xué)實驗教學(xué)中存在的生物安全問題,將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于病原生物學(xué)實驗教學(xué),設(shè)計了破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗。通過該實驗,學(xué)生可以有序地完成原來難以實現(xiàn)的病原生物學(xué)實驗操作,循序漸進(jìn)地掌握實驗的全過程。借助于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺,可解決病原生物學(xué)實驗面臨的實驗室生物安全等問題,同時能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生實際操作能力。

虛擬仿真實驗； 病原生物； 破傷風(fēng)梭菌； 實驗教學(xué)

病原生物學(xué)是醫(yī)學(xué)專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課程,是生命科學(xué)的重要組成部分,有著很強(qiáng)的實踐性和應(yīng)用性。病原生物學(xué)實驗是一門重要的、獨(dú)立的教學(xué)課程,主要通過學(xué)習(xí)基本的病原生物學(xué)的實驗操作,熟悉病原生物的形態(tài)、致病機(jī)制、預(yù)防診斷以及治療方法,增強(qiáng)學(xué)生對病原生物的感性認(rèn)識,促進(jìn)學(xué)生對病原生物學(xué)的深入理解。病原生物學(xué)實驗需要實訓(xùn)場地和大量配套的實驗器材,然而有資料表明,由于實驗室防護(hù)措施或制度不完善,極易造成病原生物感染事故[1-2]。因此,很多病原生物學(xué)實驗在普通醫(yī)學(xué)高校的普通實驗室難以開展。

近年來,虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于很多專業(yè)的實驗教學(xué),如機(jī)械[3]、電子[4]、醫(yī)學(xué)等[5],并且取得了豐碩成果。借助虛擬仿真實驗平臺,可以讓病原生物學(xué)實驗教學(xué)的表現(xiàn)形式豐富多彩，且具有直觀性和可操作性。虛擬仿真技術(shù)為目前病原生物學(xué)實驗教學(xué)提供了虛實互補(bǔ)的有效途徑,有效推進(jìn)了教學(xué)改革的進(jìn)程。本文以虛擬仿真破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗為例,介紹病原生物學(xué)虛擬仿真實驗的設(shè)計及開發(fā)。與傳統(tǒng)實驗相比,虛擬仿真實驗在很多方面更具有優(yōu)勢。

1 傳統(tǒng)的病原生物學(xué)實驗教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

隨著高等教育事業(yè)的發(fā)展,很多普通高等醫(yī)學(xué)院校都遇到實驗場地、設(shè)備、師資等實驗教學(xué)資源短缺的問題,加上病原生物學(xué)專業(yè)的特殊性,傳統(tǒng)的實驗、實踐教學(xué)模式面臨重大挑戰(zhàn)。

1.1 實驗教學(xué)項目設(shè)計缺乏完整性

多年來,病原生物學(xué)實驗教學(xué)處于教學(xué)從屬地位,實驗內(nèi)容多側(cè)重于驗證性實驗,而自主實驗及綜合性實驗項目明顯不足。例如破傷風(fēng)梭菌實驗過程有很多操作流程,包括破傷風(fēng)梭菌菌種的復(fù)蘇、菌種復(fù)壯、菌毒素制備、實驗動物的分組與注射、實驗動物的觀察、實驗結(jié)束的清場這6個流程。其中,每個流程都包括了病原生物學(xué)的經(jīng)典實驗操作。

破傷風(fēng)梭菌是厭氧菌屬的代表菌。由于破傷風(fēng)梭菌的病原生物學(xué)特殊性和實驗課時的限制,在傳統(tǒng)的破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗中,學(xué)生只參與對示教性實驗動物的觀察,主要實驗環(huán)節(jié)都是由實驗教師操作的,學(xué)生對整個實驗操作流程缺乏完整性的學(xué)習(xí),也沒有實際動手操作,對該實驗的印象不深。而破傷風(fēng)梭菌引起的破傷風(fēng)在臨床上仍很常見,它也是執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試大綱需要掌握的內(nèi)容。這樣的實驗教學(xué)不利于對醫(yī)學(xué)生實踐能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)手段無法與時俱進(jìn)

傳統(tǒng)的破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗教學(xué)采用教師示教、講解,學(xué)生按照實驗指導(dǎo)按部就班地觀察實驗結(jié)果,然后撰寫實驗報告。這樣的實驗教學(xué)缺乏豐富多樣的教學(xué)方法和手段,難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,實驗室也難以做到真正意義的開放,不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和規(guī)范化的實驗技能培養(yǎng),實驗教學(xué)效果難以得到保證。

1.3 實驗存在生物安全風(fēng)險

破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗的實驗菌種是真實致病的破傷風(fēng)梭菌,具有一定的致病性,存在著一定的生物安全風(fēng)險。該項實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)安全問題,如實驗菌種、接種毒素的實驗動物、實驗操作、實驗廢棄物的處理等都存在著生物危害與生物安全問題,一旦操作失誤就會對學(xué)生的健康造成威脅,也給學(xué)校實驗室的安全管理帶來很大壓力。

1.4 實驗準(zhǔn)備工作量大但學(xué)生覆蓋面窄

在破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗中,破傷風(fēng)梭菌毒素感染的小白鼠一般在感染后24～48 h出現(xiàn)癥狀,在感染后72～96 h死亡。毒素毒力的衰減、小鼠批次不同和實驗室環(huán)境溫度等因素均對實驗結(jié)果有影響。在傳統(tǒng)實驗課中,為了保證每個班級上實驗課的學(xué)生都能看到發(fā)病的實驗小白鼠肌肉痙攣的現(xiàn)象,實驗教師需要在不同時間反復(fù)進(jìn)行小白鼠感染,工作量很大。此外,由于我校在校學(xué)生多、專業(yè)設(shè)置多,破傷風(fēng)實驗動物只供臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生觀察,使用覆蓋面窄,而其他專業(yè)的學(xué)生連實驗現(xiàn)象都無緣觀察,更不用說參與整個實驗操作過程。學(xué)生缺乏鍛煉機(jī)會,不利于學(xué)生動手能力的提高及對實驗的理解。

2 虛擬仿真實驗的設(shè)計

虛擬仿真實驗是利用多學(xué)科的綜合性技術(shù),以計算機(jī)和專用設(shè)備為工具,提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬,同時在虛擬實驗中設(shè)計人機(jī)交互,讓使用者如同身臨其境一般,利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行的動態(tài)實驗[6]。

2.1 實驗教學(xué)背景

根據(jù)病原生物學(xué)教學(xué)大綱和國家執(zhí)業(yè)醫(yī)師資格考試大綱的要求,以破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗作為虛擬仿真實驗設(shè)計對象,通過仿真、多媒體等技術(shù)及相關(guān)設(shè)備,將操作實踐與實驗材料、實驗儀器、實驗內(nèi)容、實驗動物、實驗方法步驟等有機(jī)結(jié)合,設(shè)計了破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗。該虛擬仿真實驗不但能夠觀察破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣的作用,而且可以對仿真菌種或?qū)嶒瀯游锏冗M(jìn)行虛擬操作,參與實驗的全過程,獲得身臨其境的學(xué)習(xí)體驗。

2.2 實驗內(nèi)容

將破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗做成一個模塊化系統(tǒng),系統(tǒng)由破傷風(fēng)梭菌的理論知識點復(fù)習(xí)、實驗?zāi)康呐c原理、實驗結(jié)果與討論、實驗視頻、思考題、虛擬實驗操作等6部分組成。學(xué)生可以隨時隨地觀看和自主學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識和實驗視頻,掌握繁瑣復(fù)雜的破傷風(fēng)實驗的整個過程,然后進(jìn)行虛擬實驗操作。

實驗視頻包括實驗材料的準(zhǔn)備、破傷風(fēng)梭菌菌種的復(fù)蘇、增菌培養(yǎng)、菌毒素制備、配制不同稀釋度的菌毒素、實驗動物的分組與注射、實驗動物的觀察、實驗結(jié)束的清場等整個實驗過程。實驗視頻含有國標(biāo)配音,對每一步關(guān)鍵的實驗操作點,都有詳細(xì)的配音講解,使學(xué)生能全面了解破傷風(fēng)梭狀芽胞桿菌毒素的制備過程和感染小鼠發(fā)病死亡的過程。實驗視頻直觀、真實地展示了破傷風(fēng)梭狀芽胞桿菌毒素強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性作用,也避免學(xué)生直接接觸有感染性的病原體和受感染的小鼠,使實驗室生物安全得到了保障。

虛擬實驗操作是整個虛擬仿真實驗系統(tǒng)的重點,也是唯一可以由學(xué)生自主操作的實驗部分。學(xué)生必須掌握實驗器材及試劑、實驗步驟、實驗結(jié)果、注意事項等相關(guān)的理論和實驗知識才能進(jìn)入系統(tǒng)操作。學(xué)生只有正確完成了當(dāng)前的實驗操作,系統(tǒng)才允許其進(jìn)入下一步操作,直至完成全部操作。破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗系統(tǒng)提供了生動、逼真的學(xué)習(xí)情境,使實驗教學(xué)更加生動,可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

2.3 項目特色

筆者設(shè)計的破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗項目具有4個特點。

(1) 內(nèi)容完整。該實驗項目不僅涵蓋了破傷風(fēng)梭菌的理論知識,還含有實驗操作,使學(xué)生從理論到實驗循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)破傷風(fēng)梭菌毒素的所有知識點。

(2) 形式多樣。實驗操作不僅包含實驗視頻,還有虛擬實驗動畫操作；學(xué)生可以先觀看視頻,然后再動手操作,身臨其境地完成實驗操作的整個過程。

(3) 實驗操作完整。實驗操作包括實驗準(zhǔn)備、實驗操作、實驗結(jié)果、實驗結(jié)束清場。學(xué)生不是片面地了解實驗?zāi)硞€過程或?qū)嶒灲Y(jié)果,而是整體把握實驗全過程,有利于知識的融會貫通,更好地參與今后的綜合性和設(shè)計性實驗。

(4) 功能靈活。虛擬仿真操作實驗系統(tǒng)可以在Web下進(jìn)行,擁有三維實驗環(huán)境和可視化的實驗對象,真正實現(xiàn)實驗交互,有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的主動性。

3 虛擬仿真實驗項目開發(fā)的意義

3.1 不受實驗室時空限制,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性

病原生物學(xué)的實驗內(nèi)容多,并且存在安全風(fēng)險。某些項目操作過程復(fù)雜、技術(shù)要求高,學(xué)生想熟練掌握這項操作必須經(jīng)過反復(fù)練習(xí)，但單純在實驗室進(jìn)行練習(xí)的時間和空間有限。虛擬仿真實驗不受時間和空間的限制,學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行實驗、練習(xí)。虛擬仿真技術(shù)提供了逼真的實驗情境,使實驗教學(xué)更加生動,從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了實驗課的教學(xué)質(zhì)量。

3.2 教學(xué)手段先進(jìn),提高實驗的效果

虛擬仿真實驗具有很好的逼真性、沉浸性和交互性,可以讓學(xué)生在虛擬但如身臨其境的學(xué)習(xí)情境中扮演一個角色,全身心地融入到學(xué)習(xí)情境中去。開發(fā)的破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗項目具有內(nèi)容豐富、圖文并茂、動靜結(jié)合的特點,并以視頻、圖像等豐富的表現(xiàn)力幫助學(xué)生進(jìn)行多感官的學(xué)習(xí),使學(xué)生樂于參與、樂于學(xué)習(xí),從而提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識,提高實驗課的教學(xué)效果。

3.3 提高效率,合理配置實驗教學(xué)資源

傳統(tǒng)的破傷風(fēng)實驗課每學(xué)期需準(zhǔn)備20～30次,實驗教學(xué)經(jīng)費(fèi)壓力較大。虛擬仿真實驗項目的開發(fā),只需一次性投資,教學(xué)資源便可以長久使用,真正做到無損耗,降低了實驗室建設(shè)成本,使有限的實驗教學(xué)經(jīng)費(fèi)用于學(xué)生的綜合性和開放性實驗,從而合理配置實驗教學(xué)資源,提高教學(xué)經(jīng)費(fèi)的使用效率。

3.4 避免危險,保障實驗室生物安全

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué),有利于減少資源消耗與環(huán)境污染,可以避免學(xué)生直接接觸有感染性的病原體和受感染的小鼠,避免了學(xué)生真實實驗操作所帶來的各種生物安全危險,實驗室的生物安全得到了保障。

4 結(jié)語

醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗是醫(yī)學(xué)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物,在生物醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)、臨床教學(xué)、疾病診斷、假體植入、手術(shù)模擬、康復(fù)保健、遠(yuǎn)程醫(yī)療等諸多方面有著廣闊的應(yīng)用前景,近年來已應(yīng)用于國內(nèi)外多所醫(yī)學(xué)院校的實驗教學(xué)中[7-12]。虛擬仿真實驗具有激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、內(nèi)容豐富、體驗逼真、安全無污染、節(jié)約成本、高效開放等特點,所取得的學(xué)習(xí)效果等價于甚至優(yōu)于真實實驗所取得的效果?；诓≡飳W(xué)實驗的生物安全性問題,特別需要在實驗教學(xué)中更新教育理念、豐富實驗教學(xué)的內(nèi)容和形式,探索新的教學(xué)手段和教學(xué)方法,促進(jìn)實驗課程的融合與改造。我們將把虛擬仿真實驗應(yīng)用于病原生物學(xué)的其他實驗教學(xué)中,為現(xiàn)有的實驗教學(xué)開辟新的途徑。在開發(fā)破傷風(fēng)梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗的基礎(chǔ)上,繼續(xù)開發(fā)病原生物學(xué)的其他虛擬仿真實驗項目,大力推進(jìn)實驗教學(xué)改革的步伐,使之更加有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作、創(chuàng)新和動手的能力,為提高學(xué)生綜合素質(zhì)發(fā)揮應(yīng)有的作用。

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Construction of virtual simulation experiment in pathogeny biology experimental teaching by taking experiment of muscle cramps in mice by clostridium tetanus toxin

Wang Xiaonan, Li Jingpei, Tang Yuanyuan, Liu Liyin, Li Qun

(School of Basic Medicine, Anhui Medical University, Hefei 230032, China)

In view of the problems existing in the experimental teaching of pathogeny biology, the virtual experiment teaching plan applied in the experiment of muscle cramps in mice by clostridium tetanus toxin is designed. After the training on the platform, the students could gradually grasp all the aspects of the experiment from theory to practice. With the virtual simulation experimental teaching platform, the laboratory biosafety in pathogeny biology experiment can be solved. At the same time, it can stimulate students’ interest in learning and improve students’ practical ability.

virtual simulation experiment; pathogeny biology; clostridium tetanus toxin; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.029

2016-11-29

安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目(2015xnzx030)；安徽醫(yī)科大學(xué)國際教育類教學(xué)研究項目(gjjyxm201516)

王曉楠(1982—),女,安徽合肥,碩士,實驗師,主要從事病原生物學(xué)與免疫學(xué)實驗教學(xué)與科研工作.

R378.8+1；G642.423

A

1002-4956(2017)5-0119-03