昆明醫(yī)科大學公共衛(wèi)生學院 尚麗蓉 馬伊婷 張敏 鄒偉

近年來虛擬仿真實驗發(fā)展迅速，因其逼真的模擬操作、縮減的成本和安全可靠的特點，在實驗平臺建設中發(fā)揮不可替代的作用。虛擬仿真實驗打破傳統(tǒng)實驗的時空限制，可進行教學實驗室難以開展的危險性實驗。本文以霍亂弧菌虛擬仿真實驗為例進行論證，簡述虛擬實驗在實驗平臺建設中的作用，以期完善實驗平臺的建設，提升學生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。

虛擬現(xiàn)實是一種利用信息化手段進行實驗操作的技術，通過多媒體與仿真技術的有效融合，打造一個集視覺、聽覺于一體的虛擬環(huán)境，使學生能在該虛擬環(huán)境中最大限度地模擬實驗操作或者與實驗主體進行交互體驗，從而產(chǎn)生身臨其境的感受[1，2]。以本學校的公共衛(wèi)生學院里的衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)為例，在專業(yè)課的學習中，例如細菌學檢驗、病毒學檢驗、毒理學基礎、化妝品檢驗、水質理化檢驗等一系列專業(yè)課程中，都是需要以實驗作為支撐，但很多實驗都需要依托安全等級高的實驗室才能進行，學?，F(xiàn)有的條件并不能滿足，對于學生的培養(yǎng)不能全面的開展，若依托于虛擬仿真實驗技術，學生可以在此平臺上進行操作練習，特別是在現(xiàn)有的實驗條件不能滿足的情況下，此外還可以練習一些平時難度系數(shù)大的實驗，使學生能接觸到更多的實驗，對于學生提升自己的動手實驗能力有很大的幫助。

1 傳統(tǒng)實驗平臺現(xiàn)狀與局限

實驗平臺的建設對高校的發(fā)展有著極其重要的作用，平臺給予學生充分的空間進行實驗操作。以某醫(yī)科大學預防醫(yī)學實驗中心為例，該實驗中心具有BSL1和BSL2實驗室，但依據(jù)實驗室生物安全管理條例，中心不具備BSL-3實驗室，不能從事高致病性病原微生物實驗研究和教學工作[3]，這與培養(yǎng)從事疾病預防控制的高水平公共衛(wèi)生人才產(chǎn)生矛盾。實驗室擁有多媒體教學設備，配有常規(guī)的試劑耗材，但部分實驗室可容納人數(shù)有限，上課班級人數(shù)較多，進行實驗教學時學生座位擁擠，使得學生操作范圍受限，后排同學的視線也會由于實驗室臺面布局而受到阻礙，一定程度打消了同學對實驗課的積極性。在傳統(tǒng)實驗教學中，實驗平臺建設資金分配比例不同，造成驗證性實驗教學占比較大，缺乏自主設計實驗和綜合類實驗。在驗證性實驗中學生只會按圖索驥，重復已設計好的實驗步驟，缺乏自主性，同時在遇到無法解決的問題時，教師也不能對全部學生進行逐一指導。實驗室雖配備昂貴精密儀器，但由于使用復雜，無法保證每位同學均能使用，同時部分學生操作不規(guī)范，也會導致儀器的精密度下降、靈敏度降低等問題出現(xiàn)，且精密儀器還需有專門的技術人員來進行維護和管理，耗費一定的人力、物力。

2 虛擬仿真實驗在實驗平臺建設中的實施

2.1 虛擬仿真實驗項目應用內(nèi)容——以霍亂弧菌為例

霍亂弧菌是引起霍亂發(fā)生的病原菌，通常由攝入被霍亂弧菌污染的水源或食用被其污染的食物引起，屬于我國傳染病防治規(guī)定的2種甲類傳染病之一?；魜y主要引發(fā)嚴重的消化系統(tǒng)疾病，主要癥狀包括急性腹瀉和惡心嘔吐，會造成患者嚴重脫水，若治療不及時，患者會在數(shù)小時內(nèi)發(fā)生腹瀉脫水，甚至死亡[4]。檢驗霍亂弧菌需要經(jīng)過如下步驟：

（1）采集樣本，需在24h內(nèi)進行檢驗；（2）為確保能檢出目標菌，需進行兩次連續(xù)的選擇性增菌培養(yǎng)；（3）將兩次增菌培養(yǎng)得到的培養(yǎng)物接種于TCBS瓊脂和CHROM ID VIBRIO弧菌顯色培養(yǎng)基平板以獲得分離純化的菌落；（4）鑒定時首先選擇可疑菌落并純化菌落，其次進行初步鑒定，可采用顯微鏡下檢驗、氧化酶試驗、氯化鈉三糖鐵試驗、生化測試菌株選擇4種方法，然后通過鳥氨酸脫羧酶試驗、賴氨酸脫羧酶試驗、精氨酸雙水解酶試驗、β-半乳糖苷酶試驗、靛基質試驗、氯化鈉耐受試驗、O/129敏感試驗等試驗進行生化確認；（5）采用血清分群試驗、血清分型試驗或試管凝集試驗來進行血清學凝集試驗；（6）采用多粘菌素B敏感試驗、溶血試驗或V-P試驗來進行O1群霍亂弧菌生物分型試驗；（7）報告結果：檢出O1、O139及非O1群霍亂弧菌的，要在24h內(nèi)呈報到上一級實驗室做進一步鑒定或復查，并報告相關部門。因為霍亂弧菌屬于生物因子危險度Ⅲ級，涉及到霍亂弧菌的實驗需要在Ⅲ級防護實驗室，但實驗中心不具備Ⅲ級防護實驗室，無法開展此類實驗，所以虛擬仿真實驗在實驗平臺建設中顯得尤為重要，學生可通過虛擬仿真實驗進行霍亂弧菌的有關實驗。

2.2 虛擬仿真實驗的開展

國內(nèi)眾多高校和研究所一直在積極利用VR/AR技術，并拓展到人機交互和三維展現(xiàn)技術等方面。通過建立和完善適合不同專業(yè)學生的虛擬實驗項目，實現(xiàn)在現(xiàn)實環(huán)境中不具備條件或者難度較大的實驗項目虛擬化，確保模擬環(huán)境的實驗效果具有高逼真度，與現(xiàn)實環(huán)境實驗保持一致[5]。目前預防醫(yī)學實驗中心已有虛擬仿真實驗設備，可供學生進行如檢測霍亂弧菌類似的復雜且危險性高、成本高的實驗。虛擬仿真實驗應用范圍廣，可用于多類實驗的操作練習。在傳統(tǒng)實驗教學條件下，學生的課時數(shù)有限，實驗室條件有限，為使實驗能順利開展，多數(shù)實驗都以分小組的形式進行，這就會造成部分學生不能親手操作缺乏參與感，且多人操作會出現(xiàn)較大的實驗誤差，影響實驗結果的準確性。在虛擬仿真實驗平臺中，每位學生都有獨立完成整個實驗的條件，平臺可容納班級內(nèi)所有人同時在線進行實驗操作，提高學生對實驗操作的積極性。虛擬仿真實驗不受時間、地域的影響，只要有計算機平臺就可開展。虛擬仿真實驗給學生的學習提供自由和靈活的實驗課程，越來越得到認可[6]。同時，實驗室平臺對全校進行開放，為學生打造一個多學科交叉的實驗平臺，凝練實驗平臺建設特色，吸引更多學生參與到實驗研究中，為學校培養(yǎng)更多優(yōu)質學生。

2.3 虛擬仿真實驗的操作及評價

虛擬仿真技術將傳感器、計算機等與物理模型和環(huán)境相結合，極大地增加了操作的真實性與體驗感，依托于計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，選擇需要進行操作練習的實驗，查看全部的流程圖，點擊跳轉本實驗開始進行實驗操作，待實驗加載完畢后閱讀實驗目的與實驗原理后開始進行實驗操作；進入操作頁面后，系統(tǒng)首先會進行實驗器材介紹，閱讀完畢后點擊確認即可開始實驗操作，在進行實驗操作練習時，我們需要在頁面的右邊選擇正確的實驗器材才可順利的進行下一步驟，在實驗操作界面會有系統(tǒng)提示做下一步驟，可根據(jù)提示進行逐一操作，在實驗的重要環(huán)節(jié)系統(tǒng)也會給出提示頁面，使用者可進行閱讀加深印象，在點擊確認后接著進行后續(xù)實驗操作，系統(tǒng)會根據(jù)使用者在選擇一些重要的器材時的正確性來進行評分，形成最終的實驗報告，對使用者進行的實驗操作給出一個客觀的評價。

2.4 虛擬仿真實驗在實驗平臺建設中的效果

虛擬仿真實驗在實驗平臺建設中取得顯著成效，做到虛擬與現(xiàn)實、理論與實踐相結合。通過虛擬實驗中知識點的呈現(xiàn)和多次操作練習，學生熟練掌握專業(yè)基礎知識和操作技巧，了解BSL-3和BSL-4實驗室實際環(huán)境，激發(fā)學生學習主動性，培養(yǎng)實驗興趣，提高動手能力，為今后進行實際實驗奠定良好的基礎。此外，以圖文、聲音相結合的方式生動的展現(xiàn)操作過程以加深對實驗的印象，增強學習的趣味性。研究生可利用此平臺對所學領域的實驗部分進行提前的操作演練，減少實驗階段前期探索消耗的精力與資源。通過虛擬仿真實驗提供的結果分析，學生能知曉實驗過程中的錯誤，從而注意實驗操作的規(guī)范性。教師從統(tǒng)計結果中分析出學生在操作過程中出現(xiàn)的主要錯誤和不規(guī)范操作，以便在后續(xù)的教學中糾正學生的錯誤，也可利用虛擬仿真平臺的場景優(yōu)勢，考察學生的操作技能和安全意識。在實驗平臺建設中，虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗有機結合，保證了公共衛(wèi)生領域學生培養(yǎng)的質量。

3 虛擬仿真實驗在實驗平臺建設中的優(yōu)越性

3.1 實現(xiàn)復雜且危險實驗操作的可行性

在實驗平臺建設的基礎上引入虛擬仿真實驗，增強了復雜且危險實驗的可行性。本科生所開展的實驗教學中，有很大一部分難以進行實際操作如霍亂弧菌的有關實驗，一是沒有成熟的實驗條件，二是會有感染的風險。然而缺乏相應實驗操作的經(jīng)驗，會導致在后續(xù)的工作中遇到類似的危險病原菌無從下手。虛擬仿真實驗沒有關乎安全因素和實驗條件的顧慮，可使學生沉浸式體驗這類危險實驗的操作，并了解更多病原微生物知識，為工作積累寶貴的經(jīng)驗。當然，一些實驗項目可在傳統(tǒng)實驗室中開展，對學生有一定的教育性，但由于實驗復雜且難以控制很難完成整個實驗，并且很難得出預期的實驗結果，這類實驗也可利用虛擬仿真實驗來準確完成整個操作。此外，實際操作過程中難以觀察到很多精密儀器的內(nèi)部構造和理解儀器工作原理，造成儀器操作不熟練甚至是儀器損壞情況的出現(xiàn)。在虛擬仿真實驗中，可形象的觀察精密儀器的內(nèi)部構造和主要性能，無限次使用儀器對某種物質進行測定最終達到熟練操作的目的。

3.2 完善實驗平臺建設，提高實驗教學效率

虛擬仿真實驗的完善在實驗平臺建設中邁出重要的一步，它打破了傳統(tǒng)實驗教學的限制。在傳統(tǒng)實驗教學中，教師有自己的授課節(jié)奏，以講解演示為主，不能顧及到所有學生的接受理解能力，導致部分學生在講解過程中不能理解實驗原理，但學生仍按部就班完成實驗，缺乏獨立思考。實驗結束后，學生撰寫實驗報告，教師批閱打分，在此教學模式下，教師過多的注重實驗結果，忽視了學生的操作過程。此外，受實驗室布局的影響，老師在介紹實驗儀器的使用時，不是所有學生都能觀看到并掌握儀器的正確使用方法。部分實驗周期過長且學生不熟悉，會浪費過多的時間。學生可利用虛擬仿真實驗平臺進行課前預習，以解決實驗過程中所產(chǎn)生的一系列問題，預判易錯點，標明注意事項，加快實驗操作進度，提高實驗操作能力。教師通過虛擬仿真實驗平臺查看學生操作過程，發(fā)現(xiàn)并分析錯誤，進而有依據(jù)的改進與完善。通過虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗的有效互補，完善了實驗平臺的建設，給學生提供優(yōu)質的實驗課學習平臺，提高實驗教學效率，拓寬了實驗教學的深度與廣度。

3.3 增強實驗平臺建設的創(chuàng)新能力，提高學生科研素養(yǎng)

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的教育和培養(yǎng)離不開實驗室平臺的建設[7]。虛擬仿真實驗在實驗平臺建設中有很多創(chuàng)新，首先，它彌補了傳統(tǒng)實驗室的不足，開闊了學生的視野，提高實踐操作能力，節(jié)省實驗室資源，實現(xiàn)平臺資源共享。其次，緊跟國家科技發(fā)展步伐，利用平臺進行自主實驗設計，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維和科研興趣，提高學生的科研素養(yǎng)[8]。最后，在本實驗平臺可積累寶貴的經(jīng)驗，提高以后的工作能力，有效解決各種棘手的問題。師生利用計算機網(wǎng)絡進入虛擬仿真實驗平臺進行實驗教學和實驗操作練習，避免了出現(xiàn)線下教學處于密閉空間中的多人聚集現(xiàn)象，確保高校開展實驗課教學中師生的安全性。通過虛擬實驗操作競賽，學生可體會到到實驗過程的艱辛及團隊合作的重要，并享受創(chuàng)造的快樂和成功的喜悅，從中受益匪淺。

4 結語

總之，通過此類平臺與傳統(tǒng)實驗教學的結合，提高了學生的科研素養(yǎng)。同時，在建設過程中應加強調(diào)查研究，及時反饋建設成果，進一步通過舉辦大型精品活動、加強儀器設備開放使用等促進平臺建設，推動實驗室建設向更高層次發(fā)展。此外，虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗形成互補，推進教學手段創(chuàng)新，完善實驗平臺建設，促進高校人才培養(yǎng)。

引用

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[2]湯文莉,畢伏龍.醫(yī)學虛擬仿真實驗教學的研究與實踐[J].內(nèi)蒙古民族大學學報(自然科學版),2016,31(01):86-88.

[3]許雨喬,宋為娟.虛實結合的新型教學模式在微生物檢驗實驗教學中的應用[J].現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生,2022,38(18):3202-3204.

[4]溫娟,張建梅,陳澤輝,等.霍亂弧菌H2C全基因組測序及序列分析[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志,2022,32(15):1807-1810.

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[6]肖文波,張華明.虛擬仿真實驗課的現(xiàn)狀對策分析[J].電子技術,2020,49(07):44-47.

[7]劉雅靜,曹云霞.重點實驗室平臺建設對大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的探索與實踐[J].科教文匯,2022(10):9-12.

[8]宋鳳蘭.高校創(chuàng)新實驗平臺建設的幾點思考[J].廣東化工,2014,41(15):281-282.