疫情期间虚拟仿真实验系统在医学微生物实验教学的建设与应用*

董文杰，李晓琳，闫 艳，贾彦彬，白慧敏，顾 丽，赵利美，王 强，周 蕾

(1.包头医学院基础医学与法医学院病原生物学教研室，内蒙古 包头 014040；2.包头医学院基础医学与法医学院病原生物学与免疫学实验室)

疫情防控期间，教育部印发《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，要求各高校在做好疫情防控工作的基础上，实现“停课不停教、停课不停学”。全国高校开展线上教学工作，是应对疫情、保障“停课不停教、停课不停学”的应急之举，也是“互联网+教育”成果的有益应用和实践探索[1]。医学微生物学是基础医学中的一门重要的学科，作为微生物学的一个分支，它主要研究与医学有关的致病性微生物的生物学特性、致病和免疫机制、特异性诊断和防治措施等。通过课程学习要求学生掌握与医学相关的病原微生物的基本特性和生命活动规律，可为学习临床各科的感染性疾病、传染病、超敏反应性疾病和肿瘤等奠定重要的理论基础。同时关注本学科新现病原微生物的最新研究成果、新的检测方法和抗感染药物的研制与开发，控制和消灭感染性疾病，达到保障和提高人类健康水平的目的。医学微生物学是一门操作性、实践性很强的学科，实验教学在知识点的理解和巩固上有重要的作用，也是整个教学中重要的环节。传统实验教学中教师配合教学内容，通过亲自操作演示或者播放实验视频的方法，将实验整个操作过程包括实验成功失败的关键点，都讲解非常清楚。学生按部就班的操作实验，预期结果都已经知晓，缺乏思考的过程，从没尝试过失败的实验结果，不利于临床创新思维的培养。虚拟仿真实验平台是综合应用多种互联网信息技术如增强现实技术 (Augmented reality)、大数据云储存分析、数字化智能人机交互、等来进行实验教学内容的整合，以便增强实验课堂教学的参与度、互动性和吸引力，进而提高实验教学的质量和水平[2]。本研究立足疫情期间我校无法开展医学微生物学传统实验教学，依托我校基础医学虚拟仿真实验平台，建设医学微生物学虚拟实验模块，对于存在很大生物安全隐患的病原微生物、实验标本缺乏、技术操作难以开展的项目，利用本平台线上为学生呈现逼真的实验环境，同时也为解决疫情期间的微生物实验教学提供了新的思路。

1 医学微生物学传统实验教学模式存在问题

医学微生物学实验教学在教学过程中占有举足轻重的地位，它不仅是对理论知识的验证和感知，也是对理论教学的拓展和升华[3]。但是传统微生物实验教学模式仍然存在一些问题，主要表现为：(1)目前，全国高校医学微生物学实验教学主要采用教师讲解为主、学生操作为辅的传统模式。教师提前进行教学设计，设定好实验内容、实验时间、实验结果。学生被动地去接受整个教学过程，本次实验不按照教师指导的方法还有其他方法吗？其中一步操作失误会出现什么结果？学生很少提出这样的问题，也缺乏思考过程也，知识的学习处于单向传递状态[4]。(2)医学微生物实验内容陈旧、单一。大部分以验证性为主，学生自主创新设计的综合性、研究性实验很少开设。(3)医学微生物学是涉及实验室生物安全的一门学科,医学生要求掌握的多数都是高致病性病原微生物。如乙型脑炎病毒、结核分枝杆菌、SARS冠状病毒、鼠疫耶尔森菌、禽流感病毒、艾滋病病毒、埃博拉病毒、新冠肺炎病毒等，根据我国《病原微生物实验室生物安全管理条例》，实验室生物安全等级分为一级、二级、三级、四级[5]，许多高校微生物实验室仅为一级、二级，不得从事高致病性病原微生物实验活动。高致病性病微生物的生物学性状、致病性、免疫性、微生物学检查法等就学生无法在实验活动中观察并学习。(4)学生的生物安全意识比较淡薄，尽管老师会强调生物安全的重要性及操作要点，但学生没有任何实操的经验，难免会出现操作不规范的现象。为了保证学生安全，防止公共安全事故出现，许多高校对致病性、感染性强的微生物实验课不得进行了删减[6]。(5)医学微生物学实验受实验标本、实验菌种、实验动物、生物安全等制约，许多实验学生不能反复操作，甚至没有机会去实践。(6)课堂教育具有即时性，是一对多教学，学生必须紧跟教师授课的思路和节奏，一时难以消化的知识点，就可能成为教学的盲区。以上问题都严重制约了医学微生物学的实验教学水平和质量的提高，制约了学生临床实践技能的提高，无法拓展学生的专业视野，更不利于将素质教育理念落到实处。

2 医学微生物学虚拟仿真实验教学的建设

我校自2016 年开始建设基础医学虚拟仿真实验教学( http://jcsy.btmc.edu.cn/index.html)，该平台是基于 VMC-100 虚拟平台搭建的[7]，功能包括教师用户管理、学生用户管理、虚拟仿真实验模块、课件管理、班级管理、考试管理、师生交流互动模块等。 医学微生物学是该平台下的一个模块。疫情期间，本课题组成员加大对此平台的建设，具体建设内容如下。

2.1医学微生物学数字切片库的分类整理 教师可通过平台上传图片功能，分类上传医学微生物学标本资源，按照细菌学、真菌学、病毒学的框架，建立微生物的全视野数字化标本库。对教学大纲所要求掌握的每一种细菌、真菌、病毒的形态特点、染色特征、培养特性、常见寄居部位病理标本和病人组织照片等利用全自动显微镜扫描系统，采集高清图像，构建高质量的医学微生物标本片。疫情期间，医学微生物学数字切片库摆脱了光学显微镜的制约，学生可随时在家线上通过PC端或移动端登陆虚拟仿真实验系统观察切片，通过手机触屏或电脑鼠标操作即可选择任意切片、选择任意倍率和位置进行学习。例如：结核杆菌的肺部空洞、炭疽病人照片、新冠肺炎的形态等图片，满足学生个性化学习的需求。教师也可以通过数字切片的缩略导航图引导学生观察切片，引导大家共同讨论，同时加以标注说明，满足学生个性化学习的需求，激发学生学习兴趣[5]。

2.2经典实验微视频引入平台 在大多数微生物实验中，由于实验材料和授课时间限制，许多经典实验学生只能进行一次完整的操作，学生学习能力有差别，部分学生仅通过一次操作，难以掌握实验技能。但国内高校在微生物学实验教学中创造了许多宝贵的实验技术手法，如油浸镜的使用及观察、牛肉膏蛋白胨培养的制备、细菌革兰氏染色、病毒血凝实验、平板菌落计数法、细菌对药物敏感性实验、细菌的接种与培养技术等。这些微视频具有内容精、时间短、体积小的特点，例如，本教研室在“抗酸染色”中录制了结核分枝杆菌的染色的微课视频，在操作实验过程缩短加热染色的时间，可使实验结果出现假阴性。收集整理和自主创新的微视频教师可通过本平台管理目录下的上传视频功能，可以使学生可利用手机、电脑等多媒体终端设备随时打开微视频进行播放，重复实验示教过程，遇到操作上不清楚的地方，可以利用此平台在线与授课教师交流。

2.3虚拟实验操作项目 我校引进的梦之路、泰盟、易创等公司的优质虚拟仿真实验教学资源，医学微生物学虚拟实验平台内含引进虚拟实验项目24 项，包括：细菌芽孢染色、细菌的革兰氏染色、细菌的抗酸染色、抗生素抑菌实验、流感病毒鸡胚培养、细菌形态学实验、细菌的接种、流感病毒鸡胚培养、鸡胚尿囊腔接种培养病毒等。实验包括实验原理、目的、材料、方法、结果、注意事项、模拟操作、思考题等内容。学生可以通过模拟操作(如图1 细菌的芽孢染色 )。也可按照提示在线进行操作练习，感受真实的实验步骤熟练实验操作流程，规范操作、并可反复进行动物实验(如图2 卵黄囊接种)，趣味性强，牢牢抓住学生的注意力，大大提高实验课程的学习效率。

3 虚拟仿真实验系统的应用

3.1虚拟仿真实验系统丰富教学内容 传统实验课堂以实物观察与实际操作为主，教学内容有限，不利于学生视野的拓宽。自虚拟仿真实验平台系统建成开通后，学生不仅可以观察微生物的全视野数字化标本库来学习标本的形态，还可以对细菌的染色制作方法、病原菌的检测、病毒的培养技术进行虚拟演练，以弥补实验材料缺乏、实验时间短、实验室安全等级不达标等许多实验不能开展的遗憾。除此外，利用此平台教师还可以指导学生对知识点进行对比学习，加深对教学内容的认知和巩固。如细菌基本形态观察，学生可以登陆虚拟平台上学习观察球菌、杆菌、螺形菌等细菌的标本，实验课上可把显微镜下找到的细菌的形态与平台上众多的细菌形态进行比较，如金黄色葡萄球菌、四联球菌、八叠球菌的区别。

3.2虚拟仿真实验平台用于学生学习的各个环节 依托虚拟仿真实验平台网络教学中，教师提前置任务，学生登录平台预习，可查看本节课的实验题目，了解实验目的、方法、步骤(如图3、图4)，对整个实验内容有一个初步认识，并通过平台与授课教师在线沟通，教师可以网上辅导并答疑解惑。疫情结束返校后课堂上学生可以专心学习难点与疑点，提高学习效率 ，此外，微生物虚拟仿真实验教学平台的“实验在线考试模块”，本课题组建设微生物试题库(如图5)，教师可随时更新试题和发布考试试题，学生可随机抽题进行自测练习和实验技能考核，并获取试题解析和考试分数。此平台不仅方便教师组织各种各样的实验教学活动，学生的自主学习能力的提高，激发学生的学习兴趣，对拓展课外知识也有很大的帮助。

4 虚拟仿真实验系统在医学微生物学实验教学的成效

4.1降低实验成本，节约实验时间，提高学生动手能力 学生通过虚拟仿真实验系统可以反复地进行练习，克服了传统课堂因实验动物数量限制，涉及实验材料及费用等问题，极大的降低了实验成本。系统是根据具体实验的时间进行屏幕提示的，如大多数病原菌的培养物观察、药物敏感试验一般实验结果需要18～24小时，学生利用一节课的时间就能完成实际几天才能做完的实验，大大缩短了实验时间，降低了实验成本。还能满足一人一机的目标，即使操作失误也不会损坏设备、造成生物危害、危及人员安全，并且同样能起到真实的教学效果。

4.2有助于加深理论知识的掌握，提高了学生的学习兴趣 虚拟仿真实验系统通过互联网即可实现，疫情期间学生可以利用PC端或者手机学习，人人亲自动手操作，点击按钮就可以进入实验的操作，感觉跟游戏闯关一样，期待看到自己实验结果是否正确，是不是达到了预想的要求和结果。整个实验过程，学生通过自己的对实验关键点及实验提示进行操作，完成实验。这种学习模式极大的激发了学生学习的主动性和积极性，提高了学习兴趣。

综上所述，疫情期间利用虚拟仿真实验系统开展医学微生物实验教学，不仅可以提高教师的业务水平，对学生的学习也有一定的促进作用，也可以实现“停课不停教、停课不停学”。教师在建设微生物学虚拟仿真实验教学平台的过程中，需要课前查阅大量文献、上传教学资料，并按时观察学生学习和操作情况，及时调整更新教学内容，回答学生的疑惑，这些不仅能加强专业教师的业务水平还能提高教师的专业素质能力[8]。学生利用本平台既可学习丰富立体化教学资源，还可进行实验的虚拟操作，即可提高学生的学习兴趣，又能激发学生的创新意识。学生在体验形式多样的实验情境时，不仅为复学后实验课程奠定了坚实的基础，也是对理论知识的有益补充。在线上实验教学实施过程中，我校现有虚拟实验资源还不够丰富，不能涵盖本学科所有的知识点，标本数量较少，教学内容仍需完善，有临床应用前景的微生物学检测技术也亟待补充[5]。 进一步完善虚拟仿真平台的核心内容的建设，为学生提供更广阔的个性化学习资源，真正达到教育“授之以渔”的目的，是我们专业教师今后努力的方向。