唐媛媛，王曉楠，李京培

（安徽醫(yī)科大學(xué)病原與免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥，230032）

1 醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和困難

醫(yī)學(xué)微生物學(xué)是醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程中主干學(xué)科之一，其所含實(shí)驗(yàn)技能操作是醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)技術(shù)手段，這些實(shí)驗(yàn)技能的熟練掌握對(duì)于醫(yī)學(xué)生今后的醫(yī)學(xué)研究具有非常重要的影響，因此學(xué)好醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)具有非常重要的作用。

然而醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)存在以下困難：項(xiàng)目多且涉及到許多活的病原體的培養(yǎng)與鑒定等內(nèi)容，具有潛在的危險(xiǎn)性；有些實(shí)驗(yàn)需培養(yǎng)較長的時(shí)間才可以觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來不便；受實(shí)驗(yàn)課堂的時(shí)間、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)設(shè)施等條件的影響，一旦實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)失誤，實(shí)驗(yàn)就會(huì)終止，很難進(jìn)行補(bǔ)救。種種的限制導(dǎo)致學(xué)生可以自己動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少，一些基本的實(shí)驗(yàn)操作技能很難到達(dá)熟練掌握的要求。因此，如何開發(fā)能夠有效節(jié)約資源、突破時(shí)間和空間限制，設(shè)計(jì)出直觀生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。

2 虛擬仿真技術(shù)的認(rèn)識(shí)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)這一概念誕生于1989 年，最早由美國弗吉尼亞大學(xué)WilliamWolf 教授提出[2]。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生在虛擬的環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)，不涉及真正的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)耗材以及活體病原菌等。目前該項(xiàng)技術(shù)已越來越多地運(yùn)用到高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

2013 年教育部發(fā)布《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高司函(2013)94號(hào))，明確提出高校建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的重要性。隨著教育部關(guān)于國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的認(rèn)定和建設(shè)工作的開展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-5]。安徽醫(yī)科大學(xué)積極響應(yīng)國家號(hào)召，切實(shí)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作，于2014年獲批國家級(jí)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；2015 年安徽醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病原與免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)室獲省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“病原與免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)中心微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室（項(xiàng)目編號(hào)：2015xnzx030）”，現(xiàn)已結(jié)題。在完成該項(xiàng)目的過程中，課題組制作完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成熟作品3 個(gè)：《破傷風(fēng)梭菌致小鼠痙攣實(shí)驗(yàn)》《腸道致病菌分離與鑒定虛擬實(shí)驗(yàn)》《腦脊液中常見病原微生物的分離鑒定虛擬實(shí)驗(yàn)》（圖1），獲得專利3 項(xiàng)。虛擬實(shí)驗(yàn)作品在國內(nèi)多項(xiàng)比賽中均獲得良好成績，其中《破傷風(fēng)梭菌致小鼠痙攣實(shí)驗(yàn)》《腸道致病菌分離與鑒定虛擬實(shí)驗(yàn)》作品分別于2017年和2018年被評(píng)為國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。作品在實(shí)驗(yàn)空間供廣大師生學(xué)習(xí)使用，網(wǎng)址鏈接：http://www.ilab-x.com/list。所有作品均擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，有國家頒發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)入界面圖

3 醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)

3.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)理念

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的選題上主要考慮在現(xiàn)實(shí)中不具備或難以完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，或者涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練[6]。另作品選題上還考慮到應(yīng)用價(jià)值，目前所完成作品均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大綱和執(zhí)業(yè)醫(yī)師資格大綱要求，可供本科類醫(yī)學(xué)院校及職業(yè)醫(yī)師考試學(xué)習(xí)使用。以下以“腦脊液中常見病原微生物的分離鑒定虛擬實(shí)驗(yàn)”為例進(jìn)行介紹。

腦脊液檢查是臨床腦組織病變或者脊髓病變和外傷時(shí)的常規(guī)檢查，從腦脊液當(dāng)中分離出的病原體可為臨床提供診斷依據(jù)和抗感染治療指導(dǎo)。然而腦脊液當(dāng)中常見病原微生物如腦膜炎奈瑟菌、結(jié)核分枝桿菌、新型隱球菌和HSV 都是國家CDC 管控菌種。在日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于菌種的缺失導(dǎo)致相關(guān)實(shí)驗(yàn)無法開展，整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法保證系統(tǒng)性和全面性，成為傳統(tǒng)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一大難題。另從患者腦脊液中分離出常見的病原體并加以鑒定，也是國家執(zhí)業(yè)醫(yī)師資格考試大綱和醫(yī)學(xué)微生物學(xué)教學(xué)大綱的重要內(nèi)容。而很多高校實(shí)驗(yàn)室的防護(hù)措施尚不完善，極易造成感染事故。因此，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為依托，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器資源有限、綜合性實(shí)驗(yàn)不足、實(shí)驗(yàn)安排不成體系等短板[7]，使學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)中充分理解和掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能[8]，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)性和規(guī)范性，有利于學(xué)生對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)的理解與滲透。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施

3.2.1 整體構(gòu)架

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有時(shí)間短、內(nèi)容精，容量大的特點(diǎn)，適合主流媒體形式，是學(xué)生必須掌握的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。因此作品涵蓋了理論知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生從理論到實(shí)驗(yàn)循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)。所有實(shí)驗(yàn)均配有完整的實(shí)驗(yàn)操作視頻，使學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)有一個(gè)客觀的認(rèn)知，再動(dòng)手操作虛擬實(shí)驗(yàn)，身臨其境地完成實(shí)驗(yàn)操作的整個(gè)過程。作品還加入臨床病例實(shí)訓(xùn)，將課堂知識(shí)與臨床實(shí)際相結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的臨床思維。作品最后還設(shè)置了實(shí)驗(yàn)結(jié)束清場的內(nèi)容，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)更加完整和規(guī)范，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣（圖2）。

圖2 腦脊液中常見病原微生物的分離鑒定虛擬實(shí)驗(yàn)整體構(gòu)架圖

3.2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)操作

虛擬實(shí)驗(yàn)操作是整個(gè)作品最為重要的部分，也是唯一可以由學(xué)生自主操作的實(shí)驗(yàn)部分。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心要素主要包括實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就要做到核心要素仿真度的最大化。具體體現(xiàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的逼真、虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的逼真以及虛擬實(shí)驗(yàn)操作效果的逼真。只有與真實(shí)實(shí)驗(yàn)極致的逼真才能讓學(xué)生有身臨其境的感覺，也為學(xué)生在今后的真實(shí)科學(xué)研究中產(chǎn)生打下切實(shí)的基礎(chǔ)。

本作品當(dāng)中共涵蓋7個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，為了給學(xué)生最大化真實(shí)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，我們先錄制完成了每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的完整操作視頻。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作前可先觀看實(shí)驗(yàn)視頻，有了直觀的認(rèn)識(shí)之后再獨(dú)立完成虛擬實(shí)驗(yàn)操作。通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊、系統(tǒng)提示、系統(tǒng)提問學(xué)生答題等方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，再現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。學(xué)生只有正確完成當(dāng)前的操作，系統(tǒng)才允許其進(jìn)入下一步，直至完成全部實(shí)驗(yàn)操作。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程不涉及真實(shí)病原體、無實(shí)驗(yàn)耗材、無實(shí)驗(yàn)垃圾。每個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的操作模塊，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求選擇性的完成其中的部分操作模塊（圖3）。

圖3 腦脊液中常見病原微生物的分離鑒定虛擬實(shí)驗(yàn)部分截屏

3.2.3 虛擬臨床病例實(shí)訓(xùn)

臨床病例實(shí)訓(xùn)是對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的提升，為醫(yī)學(xué)生走向臨床實(shí)踐做準(zhǔn)備。整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程以臨床案例為切入點(diǎn)，模擬患者從入院檢查到實(shí)驗(yàn)室診斷到最終確診的整個(gè)過程，以真實(shí)的場景、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料等為背景，實(shí)驗(yàn)結(jié)果全部來自于真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可信度強(qiáng)，形象逼真。學(xué)生先動(dòng)手操作經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，再綜合各學(xué)科知識(shí)完成虛擬臨床病例實(shí)訓(xùn)，有利于學(xué)生從基礎(chǔ)知識(shí)到臨床綜合能力各方面技能的培養(yǎng)。

依據(jù)虛擬患者的疾病檢查流程設(shè)置相關(guān)提示，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，在完成正確的操作之后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入下一步的演示，直至整個(gè)實(shí)訓(xùn)的結(jié)束。在實(shí)訓(xùn)的最后部分系統(tǒng)設(shè)置有思考題，學(xué)生答題后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出得分，并得出虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論（圖4）。

圖4 腦脊液中常見病原微生物的分離鑒定虛擬實(shí)驗(yàn)臨床病例實(shí)訓(xùn)部分截屏

4 教學(xué)實(shí)踐

以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為依托，我校醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用“虛實(shí)結(jié)合”的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代化智慧教室的應(yīng)用，教師在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的配合下積極開展翻轉(zhuǎn)課堂，深得學(xué)生喜愛。系統(tǒng)還有形成性評(píng)價(jià)報(bào)告等功能，根據(jù)學(xué)生的完成情況直接生成評(píng)價(jià)性報(bào)告，可為教師評(píng)價(jià)提供輔助決策[9]（圖5）。同時(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件基于網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)與其他高校師生進(jìn)行資源共享，擴(kuò)大受益面，起到了很好的示范輻射作用[10]。

圖5 腦脊液中常見病原微生物的分離鑒定虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)

5 教學(xué)體會(huì)與思考

突如其來的新冠疫情也無意間促進(jìn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用。本著“停課不停教、停課不停學(xué)”的原則，我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在疫情期間起到了重要的應(yīng)急和支撐作用[11]，得到了師生一致的肯定。

5.1 要充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)輔助作用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有三維實(shí)驗(yàn)環(huán)境和可視化的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，可以反復(fù)學(xué)習(xí)，不受時(shí)間和空間的限制，學(xué)生還可以自主化、個(gè)性化學(xué)習(xí)，隨時(shí)獲得反饋性測評(píng)，突破傳統(tǒng)示教演示方式。其實(shí)驗(yàn)操作標(biāo)準(zhǔn)化，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充和拓展；虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)客觀條件的依賴性，滿足了課堂教學(xué)需要，大大改善了原有實(shí)驗(yàn)不足的教學(xué)狀況，使學(xué)生能夠更加系統(tǒng)全面地了解專業(yè)知識(shí)，成為老師得力的輔助工具，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

5.2 加大項(xiàng)目開發(fā)力度，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

受教學(xué)經(jīng)費(fèi)、信息技術(shù)等各方面的影響，目前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目制作水平和數(shù)目都遠(yuǎn)不足以滿足高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性項(xiàng)目更是少之又少。繼續(xù)開發(fā)高質(zhì)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是高校未來面臨的一大課題。

5.3 “能實(shí)不虛”，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不能代替實(shí)體實(shí)驗(yàn)

通過醫(yī)學(xué)微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)，有效補(bǔ)充了原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的不足，增加了教學(xué)的系統(tǒng)性和連貫性，并結(jié)合臨床實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的醫(yī)學(xué)思維，力求學(xué)以致用。但是虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)還是存在差距，無法全方位的展現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)，無法體現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和實(shí)際操作中的不可控性。虛擬實(shí)驗(yàn)只能作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，在實(shí)際的教學(xué)中還是要做到能實(shí)不虛，盡可能提供學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。利用新科技手段，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量是當(dāng)代高校教育的最終目的。

5.4 設(shè)計(jì)考核細(xì)則，完善過程評(píng)價(jià)

新的教學(xué)方法一方面吸引了學(xué)生積極參與，另一方面也給習(xí)慣于傳統(tǒng)教學(xué)方式的部分學(xué)生帶來了困難，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成績偏低。如何全面評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)踐能力是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的一個(gè)新的挑戰(zhàn)[12]。

5.5 利用仿真教學(xué)資源不斷優(yōu)化和更新教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，讓更多的不可能變?yōu)榭赡埽纱龠M(jìn)原有教材內(nèi)容的更新；讓學(xué)生更容易接收到新儀器、新技術(shù)、新方法等學(xué)科前沿知識(shí)，對(duì)學(xué)生的知識(shí)傳授有著很好的促進(jìn)和保障作用[13]。

6 結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一種新興的教學(xué)工具，生動(dòng)直觀，簡化了微觀的知識(shí)難點(diǎn)，較傳統(tǒng)教學(xué)，具有更高效、節(jié)能、安全、可操作性等優(yōu)勢。但是在實(shí)際應(yīng)用中，學(xué)生也反饋了一些意見，例如應(yīng)開發(fā)手機(jī)端使用界面、提供小組協(xié)作模式、增加實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的時(shí)間限制等，對(duì)于這些意見，將在下一步的建設(shè)中逐步完善[14]。此外，如何巧妙融入思政內(nèi)容，在培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生專業(yè)知識(shí)之余對(duì)其精神層面進(jìn)行塑造，力求培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的職業(yè)使命感、職業(yè)榮譽(yù)感是我們在接下來的工作中也要去思考并完成的一項(xiàng)內(nèi)容。