許 飛 聶志妍 金 磊 陳林軍 張晴雯

(上海健康醫(yī)學(xué)院微生物與免疫教研室，上海 201318)

“免疫學(xué)及免疫學(xué)檢驗”是一門實驗性強、多學(xué)科交叉融合的專業(yè)。由于其微觀結(jié)構(gòu)可視性差、概念抽象、實驗操作要求高、學(xué)生對尖端大型設(shè)備接觸機會少等原因，給教學(xué)帶來不小的難度[1]。近年，隨著學(xué)生數(shù)量的增加，實驗教學(xué)中的矛盾日益突出，如實驗精密設(shè)備不足、高危實驗很難呈現(xiàn)和操作、實驗周期長、課堂效率低下、學(xué)生參與度不高、缺乏主動性等[2-3]?！案咝r兔抗綿羊紅細(xì)胞抗體的制備與檢測”是以醫(yī)學(xué)檢驗專業(yè)非常重要的實驗知識點(抗體制備技術(shù))為核心，包含抗原制備、動物免疫、試血、抗體分離純化、抗體效價檢測、總補體溶血活性(total hemolytic complement，CH50)測定等多個實訓(xùn)內(nèi)容。實際的實驗教學(xué)周期寬度可達(dá)3個多月，實驗儀器昂貴、數(shù)量有限，試劑材料種類繁多，步驟復(fù)雜。由于受實驗場地和實驗材料的限制，很難保證每個學(xué)生都能獨立完成整個實驗過程，難以調(diào)動學(xué)生主動參與的積極性，影響整體的實驗教學(xué)效果。

虛擬仿真實驗?zāi)軐⒊橄蠡癁榫唧w，用生動形象的仿真情景呈現(xiàn)枯燥無味的醫(yī)學(xué)免疫學(xué)知識，實驗過程顯得生動形象，能通過良好的交互性，有利于知識的內(nèi)化和遷移[2-4]。教研室借助虛擬仿真實驗將多克隆抗體制備的流程更加清晰明確地展示給學(xué)生，讓學(xué)生既能深入理解相關(guān)原理，又能通過仿真實驗操作掌握基本的實驗技術(shù)和方法。降低教學(xué)難度和成本的同時，增強了課題趣味性，豐富了課題教學(xué)形式。本實驗采用了3D軟件實現(xiàn)三維建模、貼圖、渲染、優(yōu)化等，搭建三維虛擬實驗室環(huán)境：內(nèi)外環(huán)境、實驗臺、實驗儀器、工具、藥品、試劑及相關(guān)設(shè)備；利用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，將人物置于虛擬的3D場景中，仿真實驗場景環(huán)境；利用動畫技術(shù)模擬理論知識點中的相關(guān)原理，使得難理解的抽象知識以動態(tài)直觀的形式展示出來；系統(tǒng)采用游戲積分升級方式，給學(xué)生以激勵且增強其興趣[5-6]。本實驗教學(xué)過程從驗證式教學(xué)模式向探究式教學(xué)模式過渡，由灌輸式教學(xué)法向誘導(dǎo)式再到自主式教學(xué)法轉(zhuǎn)變，改變了傳統(tǒng)的單一灌輸教學(xué)方式，有利于降低教學(xué)成本、提高教學(xué)效率、豐富教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到由此及彼、舉一反三的教學(xué)效果。

本項目的實驗教學(xué)模塊將虛擬實驗、實驗原理、實驗報告、實驗參考資料庫、實驗自測和教師管理與學(xué)生上機操作等內(nèi)容結(jié)合在一起，力求給學(xué)生提供一個直觀、全面和內(nèi)容豐富一體化的實驗培訓(xùn)學(xué)習(xí)管理平臺。學(xué)生通過該平臺可與教師互動交流、分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗，做到學(xué)生隨時能學(xué)、隨地可學(xué)，打破傳統(tǒng)的以課堂為中心的教學(xué)模式。教師方便地開展資源共享和仿真操作并進(jìn)行統(tǒng)一的人員統(tǒng)計與成績管理，使教學(xué)工作網(wǎng)絡(luò)化、信息化(圖1)。本文以本學(xué)院微生物與免疫學(xué)教研室“高效價兔抗綿羊紅細(xì)胞抗體的制備與檢測”虛擬仿真項目為例，從虛擬實驗原理、虛擬實驗教學(xué)方法、資源建設(shè)與實驗考核等方面全面闡述了免疫學(xué)檢驗虛擬仿真實驗的建設(shè)思路與設(shè)計方案。

1 虛擬實驗的教學(xué)目標(biāo)

1.1掌握多克隆抗體制備的相關(guān)原理 ①抗原是一類能刺激機體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生特異性免疫應(yīng)答，并能與相應(yīng)免疫應(yīng)答產(chǎn)物(抗體或效應(yīng)T細(xì)胞)在體內(nèi)外發(fā)生特異性結(jié)合的物質(zhì)，具有免疫原性和反應(yīng)原性。②以抗原免疫動物，機體會產(chǎn)生免疫應(yīng)答，經(jīng)多次增強免疫后，動物體內(nèi)出現(xiàn)明顯的應(yīng)答反應(yīng)和產(chǎn)物。家兔經(jīng)綿羊紅細(xì)胞(SRBC)免疫后血清中可出現(xiàn)抗SRBC的多克隆抗體，采集免疫動物血液分離血清，即可獲得兔抗SRBC抗體(溶血素)。③利用綿羊細(xì)胞與溶血素結(jié)合成的復(fù)合物，可激活血清中的補體，導(dǎo)致紅細(xì)胞溶解。當(dāng)紅細(xì)胞和溶血素的量一定時，在規(guī)定反應(yīng)的時間內(nèi)，溶血程度與補體量及活性呈正相關(guān)。以引起50%溶血所需的最小補體量為1個CH50單位，可計算出待測血清中總的補體溶血活性[5-6]。

圖1 免疫學(xué)虛擬仿真實驗項目模塊設(shè)計示意圖Fig.1 Schematic diagram of immunology virtual simulation project module design

1.2掌握抗體制備及效價檢測的操作技能 掌握多克隆抗體制備的技術(shù)要點；讓學(xué)生通過虛擬仿真實驗?zāi)芨庇^地學(xué)習(xí)多克隆抗體的制備過程，使學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上掌握抗體制備技術(shù)的原理，逐步提高學(xué)生獨立獲取知識、分析問題和解決問題的能力。

1.3課程思政元素與教學(xué)的有機融合 關(guān)注免疫與自身生活的密切聯(lián)系，樹立正確的生命道德觀；認(rèn)同免疫調(diào)節(jié)是人體與各種病原體共同進(jìn)化的結(jié)果，懂得個體生命至上的內(nèi)涵，了解生命之間的休戚與共；培養(yǎng)學(xué)生誠實守信的學(xué)習(xí)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)、求實、勤儉、敬業(yè)和高效的優(yōu)良作風(fēng)，為今后養(yǎng)成醫(yī)學(xué)職業(yè)操守打好基礎(chǔ)；兼顧安全實驗理念和生物安全的理論知識，以具體事例讓學(xué)生熟練掌握安全事故應(yīng)急處理流程，演練物料泄漏、火災(zāi)險情、人員受傷等安全事故的正確處理方式。

2 虛擬仿真實驗設(shè)計理念

2.1實驗管理模塊 本虛擬仿真實驗項目的所有教學(xué)模塊和相關(guān)資源可通過互聯(lián)網(wǎng)向國內(nèi)各大院校免費開放。本項目以計算機仿真技術(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)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，集實物仿真、場景虛擬、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，具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性的虛擬實驗項目，同時為其他學(xué)科的相關(guān)實驗課程提供互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)接口和底層的構(gòu)件庫，并為上層的調(diào)用提供標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用接口，為用戶提供統(tǒng)一的訪問接入服務(wù)和通用的用戶服務(wù)工具包。

上海健康醫(yī)學(xué)院擁有基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬實驗教學(xué)示范中心和醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)實驗教學(xué)中心。本項目將依托這2個共享中心平臺，二者通過數(shù)據(jù)接口無縫對接，保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該項目，并通過平臺提供的面向用戶的智能指導(dǎo)與自動服務(wù)功能，盡可能幫助用戶實現(xiàn)自主的實驗教學(xué)與學(xué)習(xí)。根據(jù)項目在推廣應(yīng)用過程中學(xué)生的反饋意見和教師的需求不斷完善本項目，本校已與山東澤眾電子科技有限公司建立了良好的合作關(guān)系，將保證項目平臺的共享能力和穩(wěn)定性，持續(xù)面向高校和社會服務(wù)。

2.2實驗教學(xué)模塊 本項目內(nèi)容豐富，涉及多學(xué)科交叉，需要學(xué)生具備扎實的化學(xué)、生物和免疫基礎(chǔ)知識，規(guī)范、嫻熟的免疫學(xué)實驗操作技能及良好的邏輯思維能力，學(xué)習(xí)過生物化學(xué)、分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)免疫學(xué)、醫(yī)學(xué)微生物學(xué)等課程，具備計算機操作及基本網(wǎng)絡(luò)知識。該虛擬仿真實驗主要包括6個實驗?zāi)K：抗原制備、動物免疫、試血(初步檢測抗血清效價)、免疫血清的分離純化、抗體效價檢測、補體溶血(CH50)實驗。本實驗項目為引導(dǎo)式實訓(xùn)，實訓(xùn)過程中，學(xué)生需要根據(jù)操作提示進(jìn)行操作。如果操作錯誤，系統(tǒng)會進(jìn)行錯誤提示，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行正確的操作步驟(圖2)。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的成績，可按自主設(shè)定的時間范圍自動統(tǒng)計成績。實驗結(jié)束后，學(xué)生需提交一份實驗報告，要求如下：研究背景、實驗原理、試劑與儀器設(shè)備、實驗方法(包括操作步驟和反應(yīng)條件)及現(xiàn)象(截圖或者文字描述)、實驗結(jié)果、分析討論、結(jié)論、反思、收獲與建議。

以“抗原制備”實驗?zāi)K為例:(1)預(yù)設(shè)的實驗指標(biāo)：綿羊紅細(xì)胞抗原屬于顆粒性抗原。本實驗?zāi)K是指導(dǎo)學(xué)生完成綿羊紅細(xì)胞抗原的制備。結(jié)合教學(xué)設(shè)計，教研室在該實驗系統(tǒng)中預(yù)設(shè)3個指標(biāo)，每個指標(biāo)計為5分：①抗凝綿羊血的離心；②綿羊血細(xì)胞的洗滌；③一定濃度的免疫紅細(xì)胞抗原的配制。同時，在系統(tǒng)中提示信息，在抗原制備中要注意2個關(guān)鍵問題：一是抗原的純化，另一個是無菌操作。(2)系統(tǒng)提示及結(jié)果判讀：每個實驗系統(tǒng)均預(yù)設(shè)指標(biāo)，給出既定的結(jié)果。學(xué)生需要根據(jù)操作提示進(jìn)行操作，系統(tǒng)將給出相應(yīng)的結(jié)果，學(xué)生對結(jié)果做出判讀。比如，綿羊血離心時離心機轉(zhuǎn)速的選擇，系統(tǒng)給出3個選項，分別是低速、高速和超高速。如果學(xué)生選擇高速或超高速離心，系統(tǒng)則提示錯誤，并給出提示：離心轉(zhuǎn)速太高紅細(xì)胞易破裂。只有學(xué)生選擇低速離心時，系統(tǒng)才提示正確，并給出理由：低速離心紅細(xì)胞不易破裂。同理，學(xué)生必須正確完成前一步操作，才能進(jìn)行下一步驟的實驗操作。無論選擇的方案對、不全對都可以得出一個結(jié)果提示，根據(jù)方案，虛擬實驗每一項操作時間、準(zhǔn)確性、結(jié)果判斷等系統(tǒng)自動生成一個分?jǐn)?shù)并保存，根據(jù)各項目操作得分及所占總分的百分率給出最終得分。

圖2 免疫學(xué)虛擬仿真實驗設(shè)計框架Fig.2 Design framework of immunology virtual simulation experiment

2.3學(xué)習(xí)交互模塊 學(xué)生通過該平臺可與教師互動交流、在線答疑，做到學(xué)生隨時能學(xué)、隨地可學(xué)，打破傳統(tǒng)的以課堂為中心的教學(xué)模式。教師方便地開展資源共享、仿真操作并進(jìn)行統(tǒng)一的人員統(tǒng)計與成績管理，使教學(xué)工作網(wǎng)絡(luò)化、信息化。

3 虛擬實驗教學(xué)方法

3.1采用線上線下混合式教學(xué)方法，擺脫時空約束，提高教學(xué)成效 本項目包括線上與線下兩個部分，為學(xué)生提供線上和線下相結(jié)合的智能化學(xué)習(xí)方法。線上通過虛擬仿真實驗讓學(xué)生體驗完整的多克隆抗體制備與檢測的全過程，掌握其檢測原理、操作、結(jié)果分析和注意事項，使學(xué)生在虛擬空間內(nèi)不受時間、空間、安全等方面的影響，反復(fù)練習(xí)直至熟練掌握實驗操作。

同時，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生實驗過程中的預(yù)習(xí)情況、操作水平、數(shù)據(jù)處理、課程論文等環(huán)節(jié)綜合評分，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)、積極思考，使學(xué)生在親歷的過程中理解并構(gòu)建知識體系，促使主觀能動性的發(fā)揮。利用系統(tǒng)自帶的評價內(nèi)容細(xì)則對實驗?zāi)K進(jìn)行分項計分，各個模塊的總計分則為本次實驗的總成績。這種分項計分的方法可以讓學(xué)生知道本實驗各模塊的學(xué)習(xí)掌握情況。教師可以了解每個同學(xué)在本實驗中掌握的具體情況，真正做到知識的差異化輔導(dǎo)。作為線上線下活動開展的評判依據(jù)，線上成績合格的學(xué)生方可申請線下實驗。

3.2問題引導(dǎo)式和興趣激發(fā)式的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法使學(xué)習(xí)過程富有吸引力 本項目設(shè)計為“課前學(xué)習(xí)+課題學(xué)習(xí)”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。通過課前預(yù)習(xí)、虛擬實驗操作、問題討論等環(huán)節(jié)，開展基于問題的互動式教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)；促進(jìn)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研能力。

3.3建立學(xué)前評價、過程性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的多元化考核評價模式 本課程建立學(xué)前評價、過程性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的多元化考核評價模式，既反映學(xué)生的知識掌握情況，也關(guān)注學(xué)生的科學(xué)探究能力與價值觀等素質(zhì)。以實驗大數(shù)據(jù)、仿真試題、實驗報告以及開放性實驗設(shè)計為基礎(chǔ)，虛實結(jié)合進(jìn)行綜合考量。從多個層次考核學(xué)生的學(xué)習(xí)效果：實驗大數(shù)據(jù)和仿真試題體現(xiàn)了學(xué)生的預(yù)習(xí)和實驗知識點、操作要點的掌握完成度，這是基本要求；課程論文重點關(guān)注學(xué)生數(shù)據(jù)處理與分析、總結(jié)和思考能力的提升；過程考核受到高度重視，要求學(xué)生從交互操作步驟中選取3個及以上步驟，解釋說明操作背后的化學(xué)原理和操作要點。經(jīng)過虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)和思考，在“抗體分離純化”“抗體效價測定條件優(yōu)化”“抗體標(biāo)記技術(shù)”等子課題中選擇一個進(jìn)行開放性實驗設(shè)計。虛擬實驗過程的實時監(jiān)控和實時反饋功能，既能激發(fā)學(xué)生養(yǎng)成主動掌握知識和不斷反思的習(xí)慣，又能推動學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實踐。梯度合理的考核方案旨在全方位考查學(xué)生的學(xué)習(xí)吸收能力、分析能力、思辨能力和創(chuàng)新能力，通過多種方式監(jiān)督和檢查學(xué)生的實驗效果和應(yīng)用能力，從而達(dá)到全面提升學(xué)生綜合素養(yǎng)的目的。

4 總結(jié)

虛擬仿真實驗平臺能夠提供無限實驗空間、穩(wěn)定的溫度、氣流以及理想的物性狀態(tài)、理想的實驗場所等，最大限度降低外界干擾帶來的實驗誤差和對實驗結(jié)果的影響，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度[1,6-7]。本著“能實不虛、虛實互補、線上線下結(jié)合”的原則，把科學(xué)研究方法和流程，與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合在一起。教師和學(xué)生可以線下面對面進(jìn)行實驗操作前的課堂講解及實驗操作后的結(jié)果分析討論，從而彌補線上教學(xué)師生互動不足的缺陷，提高師生溝通的效果。實驗操作部分，則可以利用虛擬仿真實驗軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗操作。既可以彌補傳統(tǒng)實驗的操作周期長、儀器數(shù)量有限、實驗危險性高等缺點，又可以讓學(xué)生隨時隨地登錄系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真操作和在線學(xué)習(xí)。通過虛擬仿真實驗軟件鍛煉了學(xué)生的實驗操作熟練度，減少了傳統(tǒng)教學(xué)中的失誤率[8-9]。學(xué)有余力的學(xué)生還可反復(fù)操作，就方案設(shè)計和材料的生長機理做進(jìn)一步的探究，以潛移默化的方式引導(dǎo)學(xué)生探索前沿、接受挑戰(zhàn)、大膽創(chuàng)新。

“高效價兔抗綿羊紅細(xì)胞抗體的制備與檢測”是以醫(yī)學(xué)檢驗專業(yè)非常重要的知識點(抗體制備)為基礎(chǔ)，包含了從抗原制備、免疫動物、試血、免疫血清的分離純化、檢測兔抗血清的效價、免疫血清的臨床應(yīng)用等多個實訓(xùn)內(nèi)容。教研室借助虛擬仿真實驗將多克隆抗體制備的流程更加清晰明確地展示給學(xué)生，讓學(xué)生既能深入理解相關(guān)原理，又能通過仿真實驗操作掌握基本的實驗技術(shù)和方法，大大降低了教學(xué)難度和成本的同時，增強了課題趣味性、豐富了課題教學(xué)形式。

建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心并推行虛擬仿真實驗教學(xué)是醫(yī)學(xué)教育的趨勢，也是現(xiàn)實需求[2,7]。但仍存在許多困難和問題，需要從態(tài)度、理念、技術(shù)等層面扎實工作。如虛擬仿真的動畫模擬不能完全代替實物操作的感官體驗。學(xué)生如果僅僅通過虛擬仿真來學(xué)習(xí)實驗技術(shù)，那么很難提高學(xué)生的動手能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。所以，實驗教學(xué)必須以實驗室實物操作為主，虛擬仿真為輔，能實則不虛?？傊?，雖然是虛擬仿真，但需要用務(wù)實的態(tài)度、真實的努力實現(xiàn)真實的追求。