王艷鳳，趙國星，劉 暢，劉艷華，劉 寅

（南開大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，天津 300071）

傳染病尤其是烈性傳染病仍然是當(dāng)今全球衛(wèi)生和安全的重大威脅之一。據(jù)統(tǒng)計，20 世紀(jì)80 年代以來，全世界發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)的新發(fā)與再發(fā)傳染病近40 種。近幾年，高致病性禽流感、非典型性肺炎（SARS）、埃博拉出血熱等嚴(yán)重傳染病更引發(fā)了社會對生物安全的重視。諸如此類的烈性傳染病具有危害大、疫情擴散快、難以控制等特點，針對這類傳染性病原體的研究需要安全防范措施完善、安全性高的生物安全實驗室。生物安全實驗室是開展生物安全相關(guān)研究的基礎(chǔ)設(shè)施和重要平臺。其中，生物安全防護(hù)等級為三級和四級的實驗室屬于高等級生物安全實驗室，一般用于開展烈性傳染病相關(guān)研究。該類實驗室在國內(nèi)發(fā)展起步較晚，并且建造周期長，維護(hù)和運行成本高，目前我國僅建成三個生物安全四級實驗室和少量的生物安全三級實驗室[1-5]。依照國家生物安全相關(guān)法律法規(guī)，只有少數(shù)實驗人員在經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn)考核和審批后才可進(jìn)入此類實驗室開展實驗活動。

臨床醫(yī)生和醫(yī)學(xué)相關(guān)研究者處于抗擊嚴(yán)重傳染病的第一線。在面對病患和各種高致病性傳染病病原時，如果不懂得正確的防護(hù)操作，會有罹患感染甚至犧牲的風(fēng)險[6]。目前醫(yī)學(xué)院校對學(xué)生生物安全意識的培養(yǎng)及在生物安全實驗室進(jìn)行病毒相關(guān)實驗技能的訓(xùn)練，受到客觀條件的制約，無法提供感性認(rèn)識及實踐鍛煉的機會。例如，“禽流感病毒分離培養(yǎng)”是醫(yī)學(xué)微生物學(xué)本科實驗教學(xué)中最經(jīng)典的病毒學(xué)實驗，但此類感染人類的病毒實驗在實際教學(xué)上屬于空白，學(xué)生沒有實踐機會。因此急需通過先進(jìn)的實驗手段，幫助學(xué)生了解病毒培養(yǎng)的相關(guān)技術(shù)，鞏固理論知識，提高教學(xué)效率。

虛擬仿真教學(xué)是專業(yè)學(xué)科與信息技術(shù)深度結(jié)合的產(chǎn)物，依托虛擬實驗、人機交互、多媒體等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境，使學(xué)生可以在安全無污染的虛擬環(huán)境中開展實驗，體驗逼真，節(jié)約成本，高效開放[7]。通過虛擬仿真使學(xué)生全面直觀地完成實驗課程，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)造性思維，極大地提高實驗教學(xué)質(zhì)量[8-9]。近年來，虛擬仿真技術(shù)在國內(nèi)外醫(yī)學(xué)院校的實驗教學(xué)中得到普遍應(yīng)用，并且教學(xué)效果突出[10-13]。鑒于此，我們在原有的醫(yī)學(xué)微生物病毒學(xué)實驗基礎(chǔ)上增加了生物安全三級實驗室中禽流感病毒分離培養(yǎng)虛擬仿真實驗。擬通過虛擬仿真教學(xué)手段，為學(xué)生及相關(guān)人員提供生物安全三級實驗室全流程操作培訓(xùn)，并在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)病毒雞胚分離培養(yǎng)方法，彌補學(xué)生生物安全操作技能和知識結(jié)構(gòu)上的短板。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

1.1 實驗教學(xué)目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生生物安全意識，了解生物安全三級實驗室的基本結(jié)構(gòu)、功能及管理和使用方法；掌握生物安全操作技能，如生物安全實驗室中的人員防護(hù)和環(huán)境防護(hù)要點、污染性物料的處置技術(shù)及生物安全相關(guān)儀器設(shè)備使用方法等；掌握在高等級生物安全實驗室中進(jìn)行病毒雞胚分離培養(yǎng)的原理、特點和方法；了解不同病毒分離、培養(yǎng)的方法及其優(yōu)缺點等。

1.2 實驗教學(xué)實施過程

生物安全三級實驗室中的禽流感病毒分離培養(yǎng)虛擬仿真實驗項目是我校醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)《新編醫(yī)學(xué)微生物實驗指導(dǎo)》及口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)《病原生物學(xué)及實驗》中的新增實驗教學(xué)內(nèi)容。課程中，仿照生物安全三級實驗室的結(jié)構(gòu)和功能，通過PC、VR、3D 環(huán)幕等多個虛擬平臺，讓學(xué)生在虛擬仿真的高級別生物安全實驗室中完成病毒雞胚分離培養(yǎng)操作。實驗分為虛擬實驗和仿真實驗兩部分，其中虛擬部分包括實驗室生物安全步驟和病毒雞胚分離培養(yǎng)實驗等環(huán)節(jié)，仿真部分包括實驗室生物安全操作等環(huán)節(jié)。

首先，教師在課前通過在線訓(xùn)練平臺上傳實驗相關(guān)學(xué)習(xí)資料，發(fā)布思考題，并提出實驗要求，例如通過網(wǎng)站發(fā)布PPT、教案、微課視頻、理論測試題目及導(dǎo)引問題。其中導(dǎo)引問題包括：造成禽流感病毒分離培養(yǎng)實驗中最終樣品的 Ct 值高于 35（判定為陰性）的主要原因有哪些？你認(rèn)為最有可能發(fā)生的是哪一個？如果你正在進(jìn)行禽流感分離培養(yǎng)實驗，突然實驗室報警，此時你已經(jīng)將雞胚鉆孔，且剛剛打開待分離樣品，你應(yīng)該如何處理？如果讓你組織一次實驗室生物安全培訓(xùn)，要求接受此培訓(xùn)的人員能夠進(jìn)入生物安全三級實驗室進(jìn)行物料傳遞和衛(wèi)生清潔等輔助工作,請草擬培訓(xùn)提綱等。學(xué)生通過 PC 網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或移動端學(xué)習(xí)實驗指導(dǎo)教材，并觀看微課視頻預(yù)習(xí)了解實驗流程，自主學(xué)習(xí)實驗原理、操作步驟及注意事項。教師利用實驗課開課前的10 分鐘時間，進(jìn)行課前測試，了解學(xué)生對實驗內(nèi)容的熟悉程度并給予課前打分評價。

其次，教師在課上依據(jù)學(xué)生課前瀏覽相關(guān)資料的情況，交代實驗要求及目的，有針對性地講解虛擬實驗中所涉及的實驗技術(shù)原理和操作步驟，并通過 3D環(huán)幕版軟件，示范虛擬實驗流程。學(xué)生通過 PC 版軟件在電腦端登錄系統(tǒng)進(jìn)行實踐訓(xùn)練，依次完成虛擬實驗室生物安全及禽流感病毒雞胚分離培養(yǎng)實驗步驟，包括實驗準(zhǔn)備、驗卵、雞胚開孔、雞胚接種、孵育雞胚、雞胚尿囊液的收獲，并分批運用VR 版軟件進(jìn)行VR 實踐演練，通過在線訓(xùn)練系統(tǒng)形成個人和班級的訓(xùn)練報告。教師巡堂答疑，并在查看課堂訓(xùn)練報告后進(jìn)行課堂總結(jié)，布置作業(yè)及課后訓(xùn)練內(nèi)容，然后結(jié)合虛擬實驗完成情況，對仿真實驗提出具體要求并布置討論案例。在仿真實驗階段，首先由教師演示防護(hù)具的穿戴、生物安全柜的使用、污染廢棄物的處理、二氧化碳培養(yǎng)箱及倒置顯微鏡的使用等相關(guān)內(nèi)容，再由學(xué)生自行分組練習(xí)各種儀器設(shè)備的使用方法及人員防護(hù)方法，利用仿真實驗強化關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實驗操作。

最后，學(xué)生根據(jù)軟件提供的數(shù)據(jù)，判斷是否分離出禽流感病毒，并分析原因。例如，系統(tǒng)將提供禽流感病毒已知濃度梯度real-time PCR 的標(biāo)準(zhǔn)曲線，即系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生操作過程中對培養(yǎng)時間、接種量的選擇模擬給出 Ct 值，供學(xué)生計算分析結(jié)果（見圖 1）。學(xué)生在完成實驗及課堂討論后，要完成實驗報告，并回答課前引導(dǎo)問題。實驗報告還應(yīng)包括對虛擬仿真實驗軟件的評估及使用心得體會，并與團(tuán)隊其他成員的仿真實驗結(jié)果進(jìn)行互評。學(xué)生在課后還可預(yù)約VR 版軟件實踐時間，完成相應(yīng)訓(xùn)練，強化實驗操作過程。

圖1 Real-time PCR 實驗結(jié)果分析

1.3 實驗教學(xué)考核平臺

本項目在教學(xué)設(shè)計上包括課前、課中、課后環(huán)節(jié)，在線訓(xùn)練系統(tǒng)能記錄學(xué)生的操作信息，并通過圖表形成訓(xùn)練記錄及相應(yīng)的系統(tǒng)智能評分。在線訓(xùn)練系統(tǒng)還能生成團(tuán)隊學(xué)習(xí)訓(xùn)練報告，包括團(tuán)隊成員互評結(jié)果，展示團(tuán)隊學(xué)習(xí)情況，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊意識和領(lǐng)導(dǎo)能力。系統(tǒng)在學(xué)生操作過程中能進(jìn)行智能糾錯提示，訓(xùn)練完成后可自動生成成績，實現(xiàn)實時交互反饋。學(xué)生的綜合成績評價考核采用百分制，由課前測驗、仿真實驗、在線虛擬實驗、線下實驗報告和綜合分析報告等各項成績組成（見表1）。

表1 實驗考核項目及各項成績比例

2 虛擬仿真實驗教學(xué)特色

2.1 有利于樹立生物安全意識，強化生物安全防護(hù)技能

現(xiàn)實中的生物安全涵蓋病原微生物研究、生物防護(hù)、傳染病預(yù)防控制、動物防疫、出入境檢驗檢疫、醫(yī)院感染控制等諸多方面。強化學(xué)生的生物安全意識及實驗技能，不僅是保護(hù)未來相關(guān)從業(yè)者生命和健康的需要，也是保障國家社會經(jīng)濟(jì)有序發(fā)展的需要。而生物安全相關(guān)實驗培訓(xùn)因受到客觀條件的限制，難以在現(xiàn)實世界中開展。本項目利用VR 技術(shù)，完全仿照生物安全三級實驗室的結(jié)構(gòu)和功能建立虛擬實驗室（見圖 2），讓學(xué)生仿佛置身于真實的高等級生物安全實驗室中進(jìn)行高致病性病毒的分離培養(yǎng)。在保證實驗者安全的情況下，強烈的直觀體驗使學(xué)生擺脫了枯燥的理論知識灌輸所帶來抵觸情緒，有助于其牢固樹立生物安全意識，強化生物安全防護(hù)技能，為將來實際進(jìn)入高等級生物安全實驗室做好心理準(zhǔn)備和技能儲備。

圖2 本實驗采用的生物安全三級實驗室3D 透視圖

2.2 虛實互補，教學(xué)手段先進(jìn)

鑒于生物安全實驗的特殊性，利用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)能夠有效解決實驗室環(huán)境匱缺問題。通過生物安全三級實驗室以及必備設(shè)備、個人防護(hù)、實驗操作流程等環(huán)節(jié)的展示，結(jié)合VR 頭盔版帶來的沉浸式體驗，使每位學(xué)生都能夠“走進(jìn)”生物安全三級實驗室，以實驗人員的角色“使用”相關(guān)設(shè)備，使學(xué)生在浸入虛擬場景與角色的同時，跟隨實驗設(shè)計自主探索完成實驗內(nèi)容。為了提高學(xué)生的實踐能力，我們將實驗步驟進(jìn)行拆解，將其中可在實際實驗教學(xué)中開展的部分設(shè)計成仿真實驗，豐富實驗內(nèi)容；將不能“實”的訓(xùn)練“虛擬化”，并通過虛擬實驗補充“實”的不足，虛實互補，實現(xiàn)學(xué)生在高等級生物安全實驗室對高致病性病毒進(jìn)行操作的全流程培訓(xùn)。

教學(xué)中以問題導(dǎo)入形式（PBL）引導(dǎo)學(xué)生運用基礎(chǔ)知識解決在虛擬仿真實景中遇到的具體問題，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，實現(xiàn)以能力為導(dǎo)向的創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)。本課程還制作了豐富的微課視頻，學(xué)生可以通過微課視頻充分預(yù)習(xí)實驗原理和實驗操作方法，了解實驗注意事項和易錯步驟，并完成課前測驗。這樣，學(xué)生上課時就是有備而來，能將主要精力放到實驗操作和師生互動上來，既節(jié)約了實驗教學(xué)時間，又能獲得更多的實踐和交流機會，拓展了醫(yī)學(xué)微生物實驗教學(xué)的空間和時間。

通過“自主學(xué)習(xí)+沉浸體驗+師生互動”等方式，學(xué)生能夠進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，從而實現(xiàn)以學(xué)生為中心的目標(biāo)，并為本科實驗教學(xué)跟上時代與學(xué)科的發(fā)展步伐創(chuàng)造條件。

2.3 科學(xué)的考核評價機制

科學(xué)合理的實驗考核評價對醫(yī)學(xué)微生物實驗教學(xué)具有導(dǎo)向作用，傳統(tǒng)微生物實驗教學(xué)的評價方法單一，僅局限于對實驗報告的評價，難免使學(xué)生只重視文字材料而忽視實際操作技能的訓(xùn)練與掌握[14]。多維度、多環(huán)節(jié)的考核評價方法通過課前、課中、課后的綜合性評價，能有效提高學(xué)生課前預(yù)習(xí)的自覺性和主動性，把學(xué)生的主要精力引回到課中實驗內(nèi)容和實驗操作上來，課后學(xué)生還能主動與教師交流討論完成線下報告，并預(yù)約VR 版實踐訓(xùn)練，進(jìn)一步強化實驗操作過程。這種考核評價方式改變了傳統(tǒng)實驗教學(xué)“憑實驗報告定優(yōu)劣”的現(xiàn)象，側(cè)重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力，促進(jìn)了實驗課的教與學(xué)，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)效果評價

對教學(xué)效果的評價可以從學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果兩方面進(jìn)行，前者主要評價該教學(xué)模式是否有助于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)學(xué)生對知識的理解和深化等方面；后者主要評價該教學(xué)模式是否有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績[15]。

3.1 學(xué)習(xí)過程評價

我們通過問卷星對2016 級和2017 級臨床及口腔班實驗組學(xué)生發(fā)放了調(diào)查問卷，調(diào)查學(xué)生對本虛擬仿真實驗平臺的認(rèn)同度。問卷共發(fā)放90 份，回收86 份，問卷回收率為96%。由調(diào)查結(jié)果來看（見表2），此虛擬仿真實驗教學(xué)優(yōu)于傳統(tǒng)實驗教學(xué)，一方面在學(xué)生提高生物安全意識、掌握實驗原理和實驗技能、提高分析問題和解決問題能力等方面均有顯著促進(jìn)作用；另一方面，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，提高了實驗教學(xué)效率。94%的學(xué)生對本實驗項目表示滿意，90.5%的學(xué)生希望將該虛擬仿真實驗方式應(yīng)用于其他實驗教學(xué)項目。學(xué)生還提出希望進(jìn)一步“豐富實驗內(nèi)容”“提高軟件的流暢度及兼容性”“適當(dāng)增加虛擬仿真實驗的學(xué)時量”等建議，為其他基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)提供了有益借鑒。

表2 學(xué)生對本實驗項目教學(xué)效果認(rèn)同度調(diào)查結(jié)果

3.2 學(xué)習(xí)效果評價

我們以2016 和2017 級臨床及口腔班為實驗組，以2015 級臨床及口腔班為對照組。圖3 為三個班期末理論考試中對 3 道涉及該實驗內(nèi)容的試題的答題情況。由圖3 可見，實驗組學(xué)生的得分率明顯高于對照組。

圖3 使用虛擬仿真實驗后的教學(xué)效果圖

4 結(jié)語

生物安全三級實驗室禽流感病毒分離培養(yǎng)虛擬仿真實驗以計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集實物仿真、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)、虛擬實驗結(jié)果自動批改和教學(xué)管理于一體，提供逼真的實驗場景，打破了時間和空間的束縛，實現(xiàn)了學(xué)生靈活自學(xué)、在線考試與教師課堂演示及指導(dǎo)考評相結(jié)合的教學(xué)模式。本項目依托我校國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，由我校醫(yī)學(xué)院自主開發(fā)研制，將傳統(tǒng)實驗教學(xué)難以展示的實驗內(nèi)容可視化，直觀易懂，具有開放性、可靠性和安全性等特點，是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的延伸和拓展。截至2019 年12 月，該在線教學(xué)平臺的使用達(dá)到5761 人次。該項目擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，并編寫增加虛擬仿真實驗內(nèi)容的配套教材1 部。

今后我們將不斷拓展虛擬仿真實驗教學(xué)資源并進(jìn)一步改進(jìn)評價模式，不斷增加新的教學(xué)內(nèi)容，大力推進(jìn)實驗教學(xué)改革，持續(xù)收集使用者的反饋，不斷探索實驗教學(xué)的新模式。該項目將對全國醫(yī)學(xué)教育單位長期免費開放，提供教學(xué)服務(wù)，實現(xiàn)實驗教學(xué)資源共享，滿足多地區(qū)、多院校、多學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)需求。還將根據(jù)國家虛擬仿真實驗項目要求，不斷加強自主研發(fā)的優(yōu)質(zhì)資源的社會推廣應(yīng)用。我們將依托虛擬仿真實驗項目推動優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)，并在此基礎(chǔ)上將虛擬仿真實驗項目向疾病預(yù)防控制中心、檢驗檢疫相關(guān)機構(gòu)以及存在生物安全風(fēng)險的企業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用，使其成為社會民眾及志愿者服務(wù)的醫(yī)學(xué)科普宣傳基地。