我校病原生物学虚拟仿真实验室建设及思考

2018-03-03唐媛媛李京培王晓楠刘莉茵

卫生职业教育 2018年13期

唐媛媛，李群，李京培，王晓楠，刘莉茵，杨晨

（安徽医科大学，安徽合肥 230032）

病原生物学是一门实验性和探索性很强的学科，主要研究微生物学和寄生虫学与人类疾病的关系问题，是医学学科重要的基础课程。病原生物学实验是该课程的重要组成部分，它还是很多交叉学科的基础实验课程，很多专业领域都涉及病原生物学实验。当前病原生物学实验教学还存在一些问题，致使实验课教学效果大打折扣。因此，如何改进病原生物学实验课程，提高该课程实验教学效果，是值得深入探讨的问题。虚拟仿真实验这一概念诞生于1989年，最早由美国弗吉尼亚大学WilliamWolf教授提出[1]，用软件代替硬件，通过编程模拟实验的过程，整个实验在虚拟环境中以虚拟的形式完成，不涉及真正的实验仪器设备，即用虚拟实验代替实验室的实验。目前该项技术已越来越多地运用到高校实验教学中。对于现实中不具备条件或难以完成的实验教学内容，高成本、高消耗、大型或综合训练[2]，虚拟仿真实验室可提供可靠、安全和经济的实验环境，达到教学互动、资源共享、不受时空限制、全天候的信息化实验教学的目的[3]。虚拟仿真实验大大降低了教师准备实验的难度、学生实验的风险，有效保证了实验教学质量。因此在高校教学改革的背景下，虚拟实验教学显得尤为重要。此外，大型开放式网络课程（MOOC）已经成为我国国家精品开放课程建设项目的重要组成部分，亦是国家建设虚拟仿真重点实验室的重要促进力量[4]。2013年教育部发布《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函[2013]94号），明确提出高校建设虚拟仿真实验室的重要性[5]。

1 传统实验教学模式存在的主要问题

1.1 课时数相对较少，不能满足实验周期的需要

传统病原生物学实验内容简单陈旧，验证性实验过多，缺乏设计性和创新性实验。教学方式单一，缺乏趣味性，课堂互动少，学生在实验过程中缺乏主动性。实验时间安排不尽合理，为了教学的方便实验课一般安排的较为紧密，每周一次，每次2或4学时，但是有些实验（比如微生物实验）一般需要较长时间（少则一两天，多则一两周）的观察分析才能获得结果。例如：微生物的间歇培养，需要一直培养到微生物大批量死亡，并且要绘制生长曲线，在一两天的时间内很难完成。又如大多数检验专业和生物技术专业实验步骤多，周期长，在设置的有限实验课时内，即使优化实验内容，也难以使学生对实验基本操作技能如细菌分离与接种达到熟练掌握的程度。同时，技能的生疏，可能造成学生在实验过程中的失误，无法完成实验，也没有足够的时间补做（如兔子正确抓法、大鼠和小鼠体内免疫抗原注射）。一些操作部分没有充足时间锻炼，使学生缺乏对实验动物规范操作的认识，易导致学生意外被动物抓咬伤，从而影响教学质量。

1.2 实验成本较高而实验经费相对短缺

临床医学、预防检验、生物技术专业实验课实验所消耗的材料和试剂价格较为昂贵，而实验经费相对紧张，加之对教学设备、场地、师资等要求较高，实验开展受到诸多限制。生物技术专业现代发酵实验课学生用到的仪器（如电泳仪、离心机等）往往属于教学科研共用，为避免学生违反操作规程或操作疏忽而造成的仪器损坏，教学过程中，采用在教师指导下小组分配使用模式，甚至由教师固定人员代为操作，这使大部分学生对该仪器的认识处于模糊状态。这些因素间接影响了实验教学效果，不利于培养学生发现和解决问题能力。

1.3 实验过程复杂不利于开展设计性实验

设计性实验要求学生在理解实验原理的前提下，能够灵活运用实验技能，并且能举一反三。而医学检验和生物技术专业实验处理过程比较复杂，专业化程度较高，且相关技术和方法更新快，即使研究生也需一定时间的专业培训和准备，才能独立完成相关实验。仅仅进行过少量验证性实验的本科生，一般难以在实验设计层面做出合理有效的改进，也无法保证实验的可靠性。如利用细菌或病毒做抗原免疫动物制备相应的多克隆抗体。第一步制备纯抗原并鉴定，第二步制备佐剂，第三步如何选择被免疫动物，第四步如何确定已产生多克隆抗体，第五步如何收集免疫动物多克隆抗体，第六步免疫动物多克隆抗体效价测定和检定；此外，在整个实验过程中还要注意生物安全问题。

2 虚拟仿真实验室建设的必要性

2.1 突破时间和空间的限制，有效降低实验成本

虚拟仿真实验室是在网络的基础上实现的，不受时间、空间的限制，也避免了对实验材料和实验室仪器设备等的依赖性，可不受实验条件、实验次数和生物安全等的限制，给学生提供一个便捷安全的学习环境。例如，因医学微生物学培养等技术的特殊性，完整地完成某些实验一般需要数天，许多耗时步骤需教师提前准备，学生只是完成其中的关键操作，但在虚拟仿真实验室，学生可以独立完成整个实验，达到了自己模拟准备实验、正式实验和实验清场全过程体验的目标。在技术更新而设备暂时无法跟进的情况下，可以通过软件设计使虚拟仪器不断补充，以较小的成本保持实验课程的先进性、全面性、完整性[6]。

2.2 避免传统实验可能的风险

病原生物学实验操作中，不可避免地涉及许多具有致病性的病原菌（如金黄色葡萄球菌、伤寒杆菌、福氏痢疾杆菌等）和有毒试剂，如PCR扩增DNA电泳实验的必需试剂EB染液具有致癌性；蛋白质电泳实验的聚丙烯酰胺，直接接触皮肤或由呼吸道吸入后具有神经毒性。这些因素都直接影响实验教学的顺利开展。如果仅仅通过教师的口头讲述或者播放视频的方式来指导学生，学生缺乏切身体会，无法真正掌握实验技能。在虚拟仿真实验室中，学生模拟真实实验操作，在有生物安全风险或者操作比较复杂的地方设置提示和后果场景，使学生能够清楚地认识实验的关键部分，并加深印象。与此同时，避开了真实实验中所需要的致病菌、各种毒性试剂等的消耗排放，对周围的环境也是一种很好的保护。

2.3 给实验课的预习和复习提供了平台

病原生物学实验、医学与预防检验实验和生物技术发酵实验步骤复杂，涉及的知识点较多，需要学生通过预习来理解实验原理，熟悉实验方法。传统通过精读讲义和说明书的预习方式，因有些专业表述晦涩难懂，效果欠佳，往往需要教师在实验前再次强调。虚拟仿真实验室可让学生实验前有针对性地体验整个操作过程，为进入实验室进行实际操作奠定基础。实验完成后，由于受主客观条件限制，一般难以重复实验，实验过程中的疑点往往得不到验证。虚拟仿真实验室可以让学生进行无限制性、多次的模拟实验，甚至可以根据学生的意愿选择性调节实验进程，从而使学生看到传统实验条件下容易忽略的细节，加深对知识点的理解，是较好的巩固与复习的手段。课后还可随时在网络上复习、巩固实验内容，打破了时间与空间的限制，能提高学生的学习效率，增强学习效果[7]。

在全国高校教学改革浪潮的引领下，安徽医科大学基础医学院病原生物学实验室本着提升实验教学质量、重组和优化现有教学资源宗旨，积极进行微生物学、免疫学和人体寄生虫学实验教学的整合，改进实验设计，并取得了阶段性成果。但是目前的教学形式、教学条件等在一定程度上不能满足实验课的要求，尤其是一些有着高危险性、高难度的实验，而虚拟仿真实验室的构建正在为我们解决上述难题。

3 虚拟仿真实验室建设

3.1 背景介绍

安徽医科大学病原生物与免疫学实验室于2011年已开展医学病原形态学虚拟仿真实验平台的建设与应用。建立了病原微生物的虚拟仿真图片库，将微生物学、寄生虫学实验教学示教片载入虚拟显微镜系统，在不同放大倍数下扫描整张切片形成数字化虚拟切片，从而建立了病原生物虚拟仿真图片库。该库目前挂在基础医学院虚拟仿真实验教学中心网站（http：//jcxnfz.ahmu.edu.cn/openlearning/）及病原与免疫学实验室网站（http：//jcyxy.ahmu.edu.cn/bmzx/）供师生学习使用，并广泛应用于实验教学。此外，安徽医科大学基础医学院于2013年建立了基础医学虚拟仿真实验教学中心，其中病原与免疫学虚拟仿真实验教学平台购置了病原微生物学、寄生虫学、免疫学模块的资源，近两年学生使用后反馈效果良好。我校基础医学院于2014年被评为国家级虚拟仿真实验教学中心，在2014年校振兴计划项目资助下，实验室购买了数字切片扫描与应用系统，为我们建立数字化图片库奠定了基础。此外，本实验室许多教师也对采用新型的教学模式有浓厚兴趣，多次到上海交通大学医学院、复旦大学上海医学院、南京医科大学等高校进行实验教学交流考察，并与上海梦之路公司商谈合作开发本实验室虚拟仿真实验教学平台（具有自主知识产权）。2015年本实验室成功申请省级质量工程项目“病原与免疫学实验中心微生物学虚拟仿真实验室”（2015xnzx030），笔者是该项目组主要成员之一。与项目组成员共同设计研发虚拟仿真实验，2016年7月25—28号在贵阳举办的全国首届“梦之路杯”医学虚拟仿真实验教学作品大赛中，创意作品“肠道致病菌的分离与鉴定”荣获一等奖，成熟作品“破伤风梭菌毒素致小鼠肌肉痉挛实验”荣获二等奖。目前，本实验室正致力于数字化资源库和数字化实验教学平台的建设[8]，力争最大化完善、开发和利用本实验室资源。

3.2 师资队伍

高校教师作为国家科教兴国战略的中坚力量本身就是一种稀缺资源[9]。本虚拟仿真实验教学队伍由实验教师、实验技术人员组成。实验室主任及大部分实验教师均具有博士学历，实验技术人员10人，其中5人具有硕士学历；实验技术人员中具有高级职称的2人，中级职称4人，平均年龄为42岁。队伍中以中青年为主体，以教授领衔，博士硕士为基础。队伍结构合理，有助于构建教学、科研、理论与实验互通的教学模式。

3.3 规章制度

本室制定了实验室的开放管理办法、实验室主任职责、实验教师职责、实验员职责、实验室管理制度等，同时本室专门制定了虚拟仿真实验设备运行、维护、更新和管理的相关规范及制度。此外，校园网络及教学信息化平台也为虚拟仿真实验室建设提供了良好的平台。安徽医科大学网络中心承担了学校校园计算机网络、多媒体教室、校园主网站、电子邮件等系统的运行和维护以及宣传教育等工作，是学校公共服务体系中的重要组成部分。网络中心有大型存储设备，能够保障学校的网络应用；校园网覆盖学校教学、科研、管理与建筑的比例达100%；中国移动公司在校园3G无线网络覆盖达100%，学生可以通过无线网访问虚拟仿真实验教学平台。目前，校园门户网站对校内外公布虚拟仿真实验教学信息，提供虚拟仿真实验教学平台链接等相关服务。大部分实验教学资源可实现校内共享，部分实验教学资源可进行校内外共享。在网络管理与安全方面，我校网络中心严格按照《安徽省高等院校校园计算机信息网络安全保护管理规定》《安徽省计算机信息系统安全保护办法》和中华人民共和国公安部《计算机信息网络国际联网安全保护管理办法》等法规实施网络管理。所有用户都有用户身份管理、认证和计费管理系统，提供用户认证和权限等级识别；能够实现网络的安全运行、管理和维护；具有网络防病毒、信息过滤和入侵检测功能。学校每年下拨仪器设备的专项管理、维修经费以及实验室开放和网络平台开放运行、维护费，设备更新费用，完全可以保障实验教学的正常运行。

3.4 虚拟仿真实验室建设特色与创新点

满足学校自身教学要求，提高教学质量，为教学提供有力的帮助；作为实验教学改革的一部分，达到教学改革的目的；实现与其他高校教学资源的共建共享，相互取长补短，改变目前闭门造车现状。扩大学校在本项目涉及的学科方面的知名度和影响力；借用虚拟实验技术解决我校病原微生物教学中存在的高危险性、高难度的实验教学，保留传承我室的实验技术，实现教学方式方法的变革；虚拟仿真教学实训系统通过网络可以提供一种新的远程教学模式[10]。

3.5 建设目标

逐步完善虚拟仿真实验教学中心网站，教师和学生可以通过中心网站方便快捷地登录虚拟仿真实验教学平台，共享教学资源。目前，我们正在进行的工作是对实验教学中的图片、视频资料进行归纳整理和上传，以方便广大师生自主学习。将来我们还会在传统仿真技术的基础上，利用3D、人工智能等实现对现实的高度模拟[11]，逐渐增加互动式的虚拟仿真实验，增加学生动手操作的机会。通过对虚拟仿真实验系统进行微观管理为学生创新能力的培养及个性发展创造更好的条件[12]。这对于医学院校学生综合素质的培养非常重要，能使其不仅有理论更有实践经验。