唐媛媛，李 群，李京培，王曉楠，劉莉茵，楊 晨

（安徽醫(yī)科大學，安徽 合肥 230032）

病原生物學是一門實驗性和探索性很強的學科，主要研究微生物學和寄生蟲學與人類疾病的關系問題，是醫(yī)學學科重要的基礎課程。病原生物學實驗是該課程的重要組成部分，它還是很多交叉學科的基礎實驗課程，很多專業(yè)領域都涉及病原生物學實驗。當前病原生物學實驗教學還存在一些問題，致使實驗課教學效果大打折扣。因此，如何改進病原生物學實驗課程，提高該課程實驗教學效果，是值得深入探討的問題。虛擬仿真實驗這一概念誕生于1989年，最早由美國弗吉尼亞大學WilliamWolf教授提出[1]，用軟件代替硬件，通過編程模擬實驗的過程，整個實驗在虛擬環(huán)境中以虛擬的形式完成，不涉及真正的實驗儀器設備，即用虛擬實驗代替實驗室的實驗。目前該項技術已越來越多地運用到高校實驗教學中。對于現(xiàn)實中不具備條件或難以完成的實驗教學內(nèi)容，高成本、高消耗、大型或綜合訓練[2]，虛擬仿真實驗室可提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗環(huán)境，達到教學互動、資源共享、不受時空限制、全天候的信息化實驗教學的目的[3]。虛擬仿真實驗大大降低了教師準備實驗的難度、學生實驗的風險，有效保證了實驗教學質(zhì)量。因此在高校教學改革的背景下，虛擬實驗教學顯得尤為重要。此外，大型開放式網(wǎng)絡課程（MOOC）已經(jīng)成為我國國家精品開放課程建設項目的重要組成部分，亦是國家建設虛擬仿真重點實驗室的重要促進力量[4]。2013年教育部發(fā)布《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函[2013]94號），明確提出高校建設虛擬仿真實驗室的重要性[5]。

1 傳統(tǒng)實驗教學模式存在的主要問題

1.1 課時數(shù)相對較少，不能滿足實驗周期的需要

傳統(tǒng)病原生物學實驗內(nèi)容簡單陳舊，驗證性實驗過多，缺乏設計性和創(chuàng)新性實驗。教學方式單一，缺乏趣味性，課堂互動少，學生在實驗過程中缺乏主動性。實驗時間安排不盡合理，為了教學的方便實驗課一般安排的較為緊密，每周一次，每次2或4學時，但是有些實驗（比如微生物實驗）一般需要較長時間（少則一兩天，多則一兩周）的觀察分析才能獲得結果。例如：微生物的間歇培養(yǎng)，需要一直培養(yǎng)到微生物大批量死亡，并且要繪制生長曲線，在一兩天的時間內(nèi)很難完成。又如大多數(shù)檢驗專業(yè)和生物技術專業(yè)實驗步驟多，周期長，在設置的有限實驗課時內(nèi)，即使優(yōu)化實驗內(nèi)容，也難以使學生對實驗基本操作技能如細菌分離與接種達到熟練掌握的程度。同時，技能的生疏，可能造成學生在實驗過程中的失誤，無法完成實驗，也沒有足夠的時間補做（如兔子正確抓法、大鼠和小鼠體內(nèi)免疫抗原注射）。一些操作部分沒有充足時間鍛煉，使學生缺乏對實驗動物規(guī)范操作的認識，易導致學生意外被動物抓咬傷，從而影響教學質(zhì)量。

1.2 實驗成本較高而實驗經(jīng)費相對短缺

臨床醫(yī)學、預防檢驗、生物技術專業(yè)實驗課實驗所消耗的材料和試劑價格較為昂貴，而實驗經(jīng)費相對緊張，加之對教學設備、場地、師資等要求較高，實驗開展受到諸多限制。生物技術專業(yè)現(xiàn)代發(fā)酵實驗課學生用到的儀器（如電泳儀、離心機等）往往屬于教學科研共用，為避免學生違反操作規(guī)程或操作疏忽而造成的儀器損壞，教學過程中，采用在教師指導下小組分配使用模式，甚至由教師固定人員代為操作，這使大部分學生對該儀器的認識處于模糊狀態(tài)。這些因素間接影響了實驗教學效果，不利于培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)和解決問題能力。

1.3 實驗過程復雜不利于開展設計性實驗

設計性實驗要求學生在理解實驗原理的前提下，能夠靈活運用實驗技能，并且能舉一反三。而醫(yī)學檢驗和生物技術專業(yè)實驗處理過程比較復雜，專業(yè)化程度較高，且相關技術和方法更新快，即使研究生也需一定時間的專業(yè)培訓和準備，才能獨立完成相關實驗。僅僅進行過少量驗證性實驗的本科生，一般難以在實驗設計層面做出合理有效的改進，也無法保證實驗的可靠性。如利用細菌或病毒做抗原免疫動物制備相應的多克隆抗體。第一步制備純抗原并鑒定，第二步制備佐劑，第三步如何選擇被免疫動物，第四步如何確定已產(chǎn)生多克隆抗體，第五步如何收集免疫動物多克隆抗體，第六步免疫動物多克隆抗體效價測定和檢定；此外，在整個實驗過程中還要注意生物安全問題。

2 虛擬仿真實驗室建設的必要性

2.1 突破時間和空間的限制，有效降低實驗成本

虛擬仿真實驗室是在網(wǎng)絡的基礎上實現(xiàn)的，不受時間、空間的限制，也避免了對實驗材料和實驗室儀器設備等的依賴性，可不受實驗條件、實驗次數(shù)和生物安全等的限制，給學生提供一個便捷安全的學習環(huán)境。例如，因醫(yī)學微生物學培養(yǎng)等技術的特殊性，完整地完成某些實驗一般需要數(shù)天，許多耗時步驟需教師提前準備，學生只是完成其中的關鍵操作，但在虛擬仿真實驗室，學生可以獨立完成整個實驗，達到了自己模擬準備實驗、正式實驗和實驗清場全過程體驗的目標。在技術更新而設備暫時無法跟進的情況下，可以通過軟件設計使虛擬儀器不斷補充，以較小的成本保持實驗課程的先進性、全面性、完整性[6]。

2.2 避免傳統(tǒng)實驗可能的風險

病原生物學實驗操作中，不可避免地涉及許多具有致病性的病原菌（如金黃色葡萄球菌、傷寒桿菌、福氏痢疾桿菌等）和有毒試劑，如PCR擴增DNA電泳實驗的必需試劑EB染液具有致癌性；蛋白質(zhì)電泳實驗的聚丙烯酰胺，直接接觸皮膚或由呼吸道吸入后具有神經(jīng)毒性。這些因素都直接影響實驗教學的順利開展。如果僅僅通過教師的口頭講述或者播放視頻的方式來指導學生，學生缺乏切身體會，無法真正掌握實驗技能。在虛擬仿真實驗室中，學生模擬真實實驗操作，在有生物安全風險或者操作比較復雜的地方設置提示和后果場景，使學生能夠清楚地認識實驗的關鍵部分，并加深印象。與此同時，避開了真實實驗中所需要的致病菌、各種毒性試劑等的消耗排放，對周圍的環(huán)境也是一種很好的保護。

2.3 給實驗課的預習和復習提供了平臺

病原生物學實驗、醫(yī)學與預防檢驗實驗和生物技術發(fā)酵實驗步驟復雜，涉及的知識點較多，需要學生通過預習來理解實驗原理，熟悉實驗方法。傳統(tǒng)通過精讀講義和說明書的預習方式，因有些專業(yè)表述晦澀難懂，效果欠佳，往往需要教師在實驗前再次強調(diào)。虛擬仿真實驗室可讓學生實驗前有針對性地體驗整個操作過程，為進入實驗室進行實際操作奠定基礎。實驗完成后，由于受主客觀條件限制，一般難以重復實驗，實驗過程中的疑點往往得不到驗證。虛擬仿真實驗室可以讓學生進行無限制性、多次的模擬實驗，甚至可以根據(jù)學生的意愿選擇性調(diào)節(jié)實驗進程，從而使學生看到傳統(tǒng)實驗條件下容易忽略的細節(jié)，加深對知識點的理解，是較好的鞏固與復習的手段。課后還可隨時在網(wǎng)絡上復習、鞏固實驗內(nèi)容，打破了時間與空間的限制，能提高學生的學習效率，增強學習效果[7]。

在全國高校教學改革浪潮的引領下，安徽醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院病原生物學實驗室本著提升實驗教學質(zhì)量、重組和優(yōu)化現(xiàn)有教學資源宗旨，積極進行微生物學、免疫學和人體寄生蟲學實驗教學的整合，改進實驗設計，并取得了階段性成果。但是目前的教學形式、教學條件等在一定程度上不能滿足實驗課的要求，尤其是一些有著高危險性、高難度的實驗，而虛擬仿真實驗室的構建正在為我們解決上述難題。

3 虛擬仿真實驗室建設

3.1 背景介紹

安徽醫(yī)科大學病原生物與免疫學實驗室于2011年已開展醫(yī)學病原形態(tài)學虛擬仿真實驗平臺的建設與應用。建立了病原微生物的虛擬仿真圖片庫，將微生物學、寄生蟲學實驗教學示教片載入虛擬顯微鏡系統(tǒng)，在不同放大倍數(shù)下掃描整張切片形成數(shù)字化虛擬切片，從而建立了病原生物虛擬仿真圖片庫。該庫目前掛在基礎醫(yī)學院虛擬仿真實驗教學中心網(wǎng)站（http：//jcxnfz.ahmu.edu.cn/openlearning/）及病原與免疫學實驗室網(wǎng)站（http：//jcyxy.ahmu.edu.cn/bmzx/）供師生學習使用，并廣泛應用于實驗教學。此外，安徽醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院于2013年建立了基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學中心，其中病原與免疫學虛擬仿真實驗教學平臺購置了病原微生物學、寄生蟲學、免疫學模塊的資源，近兩年學生使用后反饋效果良好。我?；A醫(yī)學院于2014年被評為國家級虛擬仿真實驗教學中心，在2014年校振興計劃項目資助下，實驗室購買了數(shù)字切片掃描與應用系統(tǒng)，為我們建立數(shù)字化圖片庫奠定了基礎。此外，本實驗室許多教師也對采用新型的教學模式有濃厚興趣，多次到上海交通大學醫(yī)學院、復旦大學上海醫(yī)學院、南京醫(yī)科大學等高校進行實驗教學交流考察，并與上海夢之路公司商談合作開發(fā)本實驗室虛擬仿真實驗教學平臺（具有自主知識產(chǎn)權）。2015年本實驗室成功申請省級質(zhì)量工程項目“病原與免疫學實驗中心微生物學虛擬仿真實驗室”（2015xnzx030），筆者是該項目組主要成員之一。與項目組成員共同設計研發(fā)虛擬仿真實驗，2016年7月25—28號在貴陽舉辦的全國首屆“夢之路杯”醫(yī)學虛擬仿真實驗教學作品大賽中，創(chuàng)意作品“腸道致病菌的分離與鑒定”榮獲一等獎，成熟作品“破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗”榮獲二等獎。目前，本實驗室正致力于數(shù)字化資源庫和數(shù)字化實驗教學平臺的建設[8]，力爭最大化完善、開發(fā)和利用本實驗室資源。

3.2 師資隊伍

高校教師作為國家科教興國戰(zhàn)略的中堅力量本身就是一種稀缺資源[9]。本虛擬仿真實驗教學隊伍由實驗教師、實驗技術人員組成。實驗室主任及大部分實驗教師均具有博士學歷，實驗技術人員10人，其中5人具有碩士學歷；實驗技術人員中具有高級職稱的2人，中級職稱4人，平均年齡為42歲。隊伍中以中青年為主體，以教授領銜，博士碩士為基礎。隊伍結構合理，有助于構建教學、科研、理論與實驗互通的教學模式。

3.3 規(guī)章制度

本室制定了實驗室的開放管理辦法、實驗室主任職責、實驗教師職責、實驗員職責、實驗室管理制度等，同時本室專門制定了虛擬仿真實驗設備運行、維護、更新和管理的相關規(guī)范及制度。此外，校園網(wǎng)絡及教學信息化平臺也為虛擬仿真實驗室建設提供了良好的平臺。安徽醫(yī)科大學網(wǎng)絡中心承擔了學校校園計算機網(wǎng)絡、多媒體教室、校園主網(wǎng)站、電子郵件等系統(tǒng)的運行和維護以及宣傳教育等工作，是學校公共服務體系中的重要組成部分。網(wǎng)絡中心有大型存儲設備，能夠保障學校的網(wǎng)絡應用；校園網(wǎng)覆蓋學校教學、科研、管理與建筑的比例達100%；中國移動公司在校園3G無線網(wǎng)絡覆蓋達100%，學生可以通過無線網(wǎng)訪問虛擬仿真實驗教學平臺。目前，校園門戶網(wǎng)站對校內(nèi)外公布虛擬仿真實驗教學信息，提供虛擬仿真實驗教學平臺鏈接等相關服務。大部分實驗教學資源可實現(xiàn)校內(nèi)共享，部分實驗教學資源可進行校內(nèi)外共享。在網(wǎng)絡管理與安全方面，我校網(wǎng)絡中心嚴格按照《安徽省高等院校校園計算機信息網(wǎng)絡安全保護管理規(guī)定》《安徽省計算機信息系統(tǒng)安全保護辦法》和中華人民共和國公安部《計算機信息網(wǎng)絡國際聯(lián)網(wǎng)安全保護管理辦法》等法規(guī)實施網(wǎng)絡管理。所有用戶都有用戶身份管理、認證和計費管理系統(tǒng)，提供用戶認證和權限等級識別；能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡的安全運行、管理和維護；具有網(wǎng)絡防病毒、信息過濾和入侵檢測功能。學校每年下?lián)軆x器設備的專項管理、維修經(jīng)費以及實驗室開放和網(wǎng)絡平臺開放運行、維護費，設備更新費用，完全可以保障實驗教學的正常運行。

3.4 虛擬仿真實驗室建設特色與創(chuàng)新點

滿足學校自身教學要求，提高教學質(zhì)量，為教學提供有力的幫助；作為實驗教學改革的一部分，達到教學改革的目的；實現(xiàn)與其他高校教學資源的共建共享，相互取長補短，改變目前閉門造車現(xiàn)狀。擴大學校在本項目涉及的學科方面的知名度和影響力；借用虛擬實驗技術解決我校病原微生物教學中存在的高危險性、高難度的實驗教學，保留傳承我室的實驗技術，實現(xiàn)教學方式方法的變革；虛擬仿真教學實訓系統(tǒng)通過網(wǎng)絡可以提供一種新的遠程教學模式[10]。

3.5 建設目標

逐步完善虛擬仿真實驗教學中心網(wǎng)站，教師和學生可以通過中心網(wǎng)站方便快捷地登錄虛擬仿真實驗教學平臺，共享教學資源。目前，我們正在進行的工作是對實驗教學中的圖片、視頻資料進行歸納整理和上傳，以方便廣大師生自主學習。將來我們還會在傳統(tǒng)仿真技術的基礎上，利用3D、人工智能等實現(xiàn)對現(xiàn)實的高度模擬[11]，逐漸增加互動式的虛擬仿真實驗，增加學生動手操作的機會。通過對虛擬仿真實驗系統(tǒng)進行微觀管理為學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)及個性發(fā)展創(chuàng)造更好的條件[12]。這對于醫(yī)學院校學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)非常重要，能使其不僅有理論更有實踐經(jīng)驗。

4 結語

虛擬仿真實驗室建設的思路逐漸變得清晰，但是虛擬仿真實驗并不能完全代替真實實驗，學生必須在熟悉實驗原理的基礎上明確虛擬實驗與真實實驗的差異，掌握實驗的精髓。如何科學地使用虛擬仿真系統(tǒng)進行教學，吸引和提高學生的積極性，促進教學質(zhì)量的提高是值得大家進一步探討的課題[13]。