虚拟仿真在医学微生物学实验课教学中的应用

刘鹏 陈列松 曾焱华

[摘 要] 医学微生物学是一门重要的基础医学课程，通过这门课程的学习能让学生系统地掌握人类病原微生物的基本知识以及相关实验操作技能。而目前由于医学微生物学实验教学课时较少，教学条件和生物安全限制等原因，实验课的教学内容仅仅局限于较为简单的基础实验，而一些重要的、高致病性或者高危的微生物实验则无法开展。随着现代信息技术的快速发展，虚拟仿真教学成了解决这些问题的可行方案，通过创建一个虚拟仿真的实验过程，学生可以在线体验因各种原因而不能开设的实验项目，这不仅能开阔学生视野，更能激发学生学习的主动性和积极性。

[关键词] 医学微生物学;实验教学;虚拟仿真

[基金项目] 南华大学2019年校级教学改革研究一般项目（192JXJ148）;南华大学2017年高等教育研究与改革课题（2017XJG27）

[作者简介] 刘 鹏（1986—），男，湖南邵阳人，博士研究生，讲师，研究方向：医学微生物学;曾焱华（1974—），男，湖南新化人，博士，教授，研究方向：支原体的致病机制与诊断。

[中图分类号] G642.41     [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）31-0269-02   [收稿日期] 2020-07-22

医学微生物学是基础医学的一门重要课程，具有知识点分散但专业性强，与临床紧密结合等特点。实验教学是医学微生物教学必不可少的组成部分，通过实验课的学习有利于进一步理解和巩固理论知识，使学生掌握实验操作方法和技能，提高解决临床实际问题能力。社会科技发展日新月异，国内外高水平的医学教育机构都非常重视医学教育的信息化的建设，教育部于2013年做出了进一步建设国家级虚拟仿真实验教学中心的部署，多所医学院校已经开展虚拟仿真实验室的建设，并取得较好的教学效果，为医学微生物学实验课网络教学提供了良好的平台[1]。也为基础医学实验课教学带来了新的机遇和挑战，将医学教育与信息化技术有效结合是现代医学教育的发展趋势。

一、医学微生物学实验教学现状

医学微生物学是基础医学教学中的重要课程，主要研究与人致病相关的病原微生物的生物学特性、致病机制、机体的抗感染与免疫、特异性检测方法，以及相关感染性疾病的防治措施等，以控制和治疗传染性疾病，达到提高和保障人类健康的目的。通过该课程的学习，能使学生系统地掌握人类病原微生物学基础理论知识，并通过实验教学使学生掌握良好的实验技能以及解决实际问题的能力。目前，医学微生物学实验教学课时少，受教学条件有限和生物安全等因素的限制，教学内容仅局限于若干个较为简单的基础实验。一些高致病性传染病如人类微生物缺陷病、乙型肝炎等，由于其具有危险性高、检测成本高，以及受实验室级别的限制，一直无法开展相关实验教学。单纯通过理论教学进行讲授，学生不能很好地了解这些病原微生物的检测和诊断方法，难以达到教学目的。如何改变这一现状，将高致病性传染病相关检测和诊断技术纳入微生物实验课程，使学生在学习相关理论知识的同时，进行相关实验技能的学习，成为现代医学微生物学教学改革的重要内容[2]。虚拟仿真教学顺应信息化教学潮流，通过将传统的实验教学与信息化改革相结合，数据库和网络通信等技术构建逼真的实验操作环境，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展实验，成为解决上述问题和空间限制的关键。

二、医学微生物虚拟仿真实验的特点

在完成虚拟仿真实验时，实验者通常在利用数字技术搭建的虚拟实验环境中完成各种实验项目。在实验所依赖的各种模拟场景、实验单元、实验仪器和参考资料组成的创造和引导模拟实验的交互环境下，实验者通过改变实验要素来设计不同的实验。与传统实验教学模式相比，虚拟仿真实验技术拥有一些独特的特点。

（一）实验操作虚实结合

医学微生物实验是基础理论与操作技能相结合的医学教学环节，旨在培养学生综合实验技能、科研思维和创新能力。传统的实验操作过程培养了学生的动手操作能力，但受到诸多因素的限制，如实验场地、教学成本、实验动物伦理限制以及学生的实验操作能力不足等，造成学生在现实学习过程中的实验训练效果不理想。利用虚拟仿真实验平台进行仿真实验，可以使学生在虚拟的环境中反复练习，熟练操作，最后再结合实际操作，将实验教学内容融会贯通。平时一些无法开展的大型综合实验，可以用虚拟实验的模式让学生自行设计并操作，分析实验结果而得出结论。虚拟仿真实验平台可以打破时间的限制，学生可以随时登录网络平台并根据自己的兴趣自主开展实验项目，有效发挥学习的主观能动性。虚拟仿真实验可以辅助实验教学，但是传统实验操作也是不可替代的，教师在授课的过程中要坚持以虚补实、虚实结合的原则，有效提高医学微生物学实验的教学质量。

（二）操作安全，节约成本

传统的医学微生物实验存在被实验动物咬伤、致病性微生物感染、剧毒性药品中毒、放射性污染等不确定风险;同时实验动物及试剂等相关购置费用不断上涨，大型实验仪器设备购置、运行及维护费用等开支造成目前高校的教學运行经费捉襟见肘。这些问题在其他基础医学的学科也存在，始终困扰着一些高校基础医学的实验教学工作。虚拟仿真实验技术的应用可以一定程度上解决这些问题，为学生搭建起一个低成本、无风险、可调控的实验技能训练平台，实现基础医学实验教学新模式的转变[3]。

三、医学微生物学虚拟仿真实验室的优势

医学微生物学的虚拟仿真实验具有很多优势：

①能够增设医学微生物学实验项目，虚拟仿真实验室可开设很多传统难以大规模推广的实验，比如甲型流感病毒在鸡胚和胃黏膜中幽门螺杆菌的分离培养。由于这些实验材料具有高致病性，难以在实验教学中开展，但完全可借助虚拟仿真实验系统来完成这些教学内容。②借助虚拟实验室，可以开展一些由于实验室条件和伦理问题而无法开设的实验课程，拓宽学生的知识面。例如，有些实验对实验室要求高，比如灭活EV71抗原制备与微生物接种和脑脊液中常见病原微生物的分离鉴定。③虚拟仿真实验室能够激发学生的学习兴趣，培养学生的创新能力。医学微生物学虚拟仿真实验可全天候开放，学习不受实验室开放时间的限制。同时，学生能自主选择实验项目，激发学生的积极性和创造性。虚拟仿真实验能够将抽象化为具体，实验过程显得生动形象，能通过良好的交互性，同时刺激学生多种感官，加强学生的观察和动手能力，有利于知识的内化和迁移。

四、构建医学微生物学虚拟实验室需考虑的问题

与实验室教学相比，虚拟实验室缺少实物感，不能真正地培养学生的动手能力。比如实验过程中所用到的仪器和设备，只能看得见但摸不着，这意味着学生在电脑中可很好地完成实验操作，但是一到真实的实验环境中可能遇到各种问题;同时，在虚拟仿真实验室只能遇到预先设定的情景，而面对真实的突发情况可能不知所措。因此关于构建医学微生物学虚拟仿真实验室，应重点考虑以下几个方面：①增设的实验要以学生为主体，把提高学生能力为主要目的。因此在教学目标、内容、教学过程，以及考核都始终要以学生为主的设计思路，使学生能够快速地掌握所学的内容，最大限度地使学生进行自主学习。②虚拟实验室教学本质上是使用多媒体技术模拟现实的实验场景，学生使用人机交互来完成实验课程。将各种视频、音频、图片及案例素材等丰富的教学资源进行有机整合，构建一个与实际情况极为接近的仿真实验环境，教学效果和现场教学还是有差距。

五、总结

总而言之，目前虚拟仿真实验教学是一种方便、快速、能够模拟现实实验过程的一种教学方式。关于医学微生物学实验课的线上教学，通过结合虚拟仿真实验，能够让学生学习一些由于价格、生物安全等条件限制不能在现实实验室开展的实验课程，能大大提高教学效果和学生的学习兴趣。但是，虚拟实验教学也具有一定的局限性，并不能完全取代现实教学。因此，将虚拟实验和实验室实验教学有机结合，做到优势互补，才能达到提高教学质量的目的。

参考文献

[1]王艳芬.关于医学微生物学实验教学的几点思考[J].生物技术世界，2014（8）：179-179，182.

[2]高丽丽，等.虚拟仿真技术在医学微生物学实验教学中的应用[J].广东化工，2017（18）.

[3]杨闽楠，等.医学微生物学虚拟仿真实验平台建设初探[J].基础医学教育，2018，20（2）：137-140.