生物安全三级实验室禽流感病毒分离培养虚拟仿真实验教学初探

王艳凤，赵国星，刘 畅，刘艳华，刘 寅

（南开大学 医学院，天津 300071）

传染病尤其是烈性传染病仍然是当今全球卫生和安全的重大威胁之一。据统计，20 世纪80 年代以来，全世界发现和确认的新发与再发传染病近40 种。近几年，高致病性禽流感、非典型性肺炎（SARS）、埃博拉出血热等严重传染病更引发了社会对生物安全的重视。诸如此类的烈性传染病具有危害大、疫情扩散快、难以控制等特点，针对这类传染性病原体的研究需要安全防范措施完善、安全性高的生物安全实验室。生物安全实验室是开展生物安全相关研究的基础设施和重要平台。其中，生物安全防护等级为三级和四级的实验室属于高等级生物安全实验室，一般用于开展烈性传染病相关研究。该类实验室在国内发展起步较晚，并且建造周期长，维护和运行成本高，目前我国仅建成三个生物安全四级实验室和少量的生物安全三级实验室[1-5]。依照国家生物安全相关法律法规，只有少数实验人员在经过严格的培训考核和审批后才可进入此类实验室开展实验活动。

临床医生和医学相关研究者处于抗击严重传染病的第一线。在面对病患和各种高致病性传染病病原时，如果不懂得正确的防护操作，会有罹患感染甚至牺牲的风险[6]。目前医学院校对学生生物安全意识的培养及在生物安全实验室进行病毒相关实验技能的训练，受到客观条件的制约，无法提供感性认识及实践锻炼的机会。例如，“禽流感病毒分离培养”是医学微生物学本科实验教学中最经典的病毒学实验，但此类感染人类的病毒实验在实际教学上属于空白，学生没有实践机会。因此急需通过先进的实验手段，帮助学生了解病毒培养的相关技术，巩固理论知识，提高教学效率。

虚拟仿真教学是专业学科与信息技术深度结合的产物，依托虚拟实验、人机交互、多媒体等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境，使学生可以在安全无污染的虚拟环境中开展实验，体验逼真，节约成本，高效开放[7]。通过虚拟仿真使学生全面直观地完成实验课程，能够激发学生的学习兴趣和求知欲，培养学生的科学精神和创造性思维，极大地提高实验教学质量[8-9]。近年来，虚拟仿真技术在国内外医学院校的实验教学中得到普遍应用，并且教学效果突出[10-13]。鉴于此，我们在原有的医学微生物病毒学实验基础上增加了生物安全三级实验室中禽流感病毒分离培养虚拟仿真实验。拟通过虚拟仿真教学手段，为学生及相关人员提供生物安全三级实验室全流程操作培训，并在此基础上学习病毒鸡胚分离培养方法，弥补学生生物安全操作技能和知识结构上的短板。

1 虚拟仿真实验教学设计

1.1 实验教学目标

培养学生生物安全意识，了解生物安全三级实验室的基本结构、功能及管理和使用方法；掌握生物安全操作技能，如生物安全实验室中的人员防护和环境防护要点、污染性物料的处置技术及生物安全相关仪器设备使用方法等；掌握在高等级生物安全实验室中进行病毒鸡胚分离培养的原理、特点和方法；了解不同病毒分离、培养的方法及其优缺点等。

1.2 实验教学实施过程

生物安全三级实验室中的禽流感病毒分离培养虚拟仿真实验项目是我校医学院临床医学专业《新编医学微生物实验指导》及口腔医学专业《病原生物学及实验》中的新增实验教学内容。课程中，仿照生物安全三级实验室的结构和功能，通过PC、VR、3D 环幕等多个虚拟平台，让学生在虚拟仿真的高级别生物安全实验室中完成病毒鸡胚分离培养操作。实验分为虚拟实验和仿真实验两部分，其中虚拟部分包括实验室生物安全步骤和病毒鸡胚分离培养实验等环节，仿真部分包括实验室生物安全操作等环节。

首先，教师在课前通过在线训练平台上传实验相关学习资料，发布思考题，并提出实验要求，例如通过网站发布PPT、教案、微课视频、理论测试题目及导引问题。其中导引问题包括：造成禽流感病毒分离培养实验中最终样品的 Ct 值高于 35（判定为阴性）的主要原因有哪些？你认为最有可能发生的是哪一个？如果你正在进行禽流感分离培养实验，突然实验室报警，此时你已经将鸡胚钻孔，且刚刚打开待分离样品，你应该如何处理？如果让你组织一次实验室生物安全培训，要求接受此培训的人员能够进入生物安全三级实验室进行物料传递和卫生清洁等辅助工作,请草拟培训提纲等。学生通过 PC 网络浏览器或移动端学习实验指导教材，并观看微课视频预习了解实验流程，自主学习实验原理、操作步骤及注意事项。教师利用实验课开课前的10 分钟时间，进行课前测试，了解学生对实验内容的熟悉程度并给予课前打分评价。

其次，教师在课上依据学生课前浏览相关资料的情况，交代实验要求及目的，有针对性地讲解虚拟实验中所涉及的实验技术原理和操作步骤，并通过 3D环幕版软件，示范虚拟实验流程。学生通过 PC 版软件在电脑端登录系统进行实践训练，依次完成虚拟实验室生物安全及禽流感病毒鸡胚分离培养实验步骤，包括实验准备、验卵、鸡胚开孔、鸡胚接种、孵育鸡胚、鸡胚尿囊液的收获，并分批运用VR 版软件进行VR 实践演练，通过在线训练系统形成个人和班级的训练报告。教师巡堂答疑，并在查看课堂训练报告后进行课堂总结，布置作业及课后训练内容，然后结合虚拟实验完成情况，对仿真实验提出具体要求并布置讨论案例。在仿真实验阶段，首先由教师演示防护具的穿戴、生物安全柜的使用、污染废弃物的处理、二氧化碳培养箱及倒置显微镜的使用等相关内容，再由学生自行分组练习各种仪器设备的使用方法及人员防护方法，利用仿真实验强化关键环节的实验操作。

最后，学生根据软件提供的数据，判断是否分离出禽流感病毒，并分析原因。例如，系统将提供禽流感病毒已知浓度梯度real-time PCR 的标准曲线，即系统会根据学生操作过程中对培养时间、接种量的选择模拟给出 Ct 值，供学生计算分析结果（见图 1）。学生在完成实验及课堂讨论后，要完成实验报告，并回答课前引导问题。实验报告还应包括对虚拟仿真实验软件的评估及使用心得体会，并与团队其他成员的仿真实验结果进行互评。学生在课后还可预约VR 版软件实践时间，完成相应训练，强化实验操作过程。

图1 Real-time PCR 实验结果分析

1.3 实验教学考核平台

本项目在教学设计上包括课前、课中、课后环节，在线训练系统能记录学生的操作信息，并通过图表形成训练记录及相应的系统智能评分。在线训练系统还能生成团队学习训练报告，包括团队成员互评结果，展示团队学习情况，培养学生团队意识和领导能力。系统在学生操作过程中能进行智能纠错提示，训练完成后可自动生成成绩，实现实时交互反馈。学生的综合成绩评价考核采用百分制，由课前测验、仿真实验、在线虚拟实验、线下实验报告和综合分析报告等各项成绩组成（见表1）。

表1 实验考核项目及各项成绩比例

2 虚拟仿真实验教学特色

2.1 有利于树立生物安全意识，强化生物安全防护技能

现实中的生物安全涵盖病原微生物研究、生物防护、传染病预防控制、动物防疫、出入境检验检疫、医院感染控制等诸多方面。强化学生的生物安全意识及实验技能，不仅是保护未来相关从业者生命和健康的需要，也是保障国家社会经济有序发展的需要。而生物安全相关实验培训因受到客观条件的限制，难以在现实世界中开展。本项目利用VR 技术，完全仿照生物安全三级实验室的结构和功能建立虚拟实验室（见图 2），让学生仿佛置身于真实的高等级生物安全实验室中进行高致病性病毒的分离培养。在保证实验者安全的情况下，强烈的直观体验使学生摆脱了枯燥的理论知识灌输所带来抵触情绪，有助于其牢固树立生物安全意识，强化生物安全防护技能，为将来实际进入高等级生物安全实验室做好心理准备和技能储备。

图2 本实验采用的生物安全三级实验室3D 透视图

2.2 虚实互补，教学手段先进

鉴于生物安全实验的特殊性，利用先进的虚拟仿真技术能够有效解决实验室环境匮缺问题。通过生物安全三级实验室以及必备设备、个人防护、实验操作流程等环节的展示，结合VR 头盔版带来的沉浸式体验，使每位学生都能够“走进”生物安全三级实验室，以实验人员的角色“使用”相关设备，使学生在浸入虚拟场景与角色的同时，跟随实验设计自主探索完成实验内容。为了提高学生的实践能力，我们将实验步骤进行拆解，将其中可在实际实验教学中开展的部分设计成仿真实验，丰富实验内容；将不能“实”的训练“虚拟化”，并通过虚拟实验补充“实”的不足，虚实互补，实现学生在高等级生物安全实验室对高致病性病毒进行操作的全流程培训。

教学中以问题导入形式（PBL）引导学生运用基础知识解决在虚拟仿真实景中遇到的具体问题，锻炼和培养学生自主学习的能力，实现以能力为导向的创新人才培养目标。本课程还制作了丰富的微课视频，学生可以通过微课视频充分预习实验原理和实验操作方法，了解实验注意事项和易错步骤，并完成课前测验。这样，学生上课时就是有备而来，能将主要精力放到实验操作和师生互动上来，既节约了实验教学时间，又能获得更多的实践和交流机会，拓展了医学微生物实验教学的空间和时间。

通过“自主学习+沉浸体验+师生互动”等方式，学生能够进行反复训练，从而实现以学生为中心的目标，并为本科实验教学跟上时代与学科的发展步伐创造条件。

2.3 科学的考核评价机制

科学合理的实验考核评价对医学微生物实验教学具有导向作用，传统微生物实验教学的评价方法单一，仅局限于对实验报告的评价，难免使学生只重视文字材料而忽视实际操作技能的训练与掌握[14]。多维度、多环节的考核评价方法通过课前、课中、课后的综合性评价，能有效提高学生课前预习的自觉性和主动性，把学生的主要精力引回到课中实验内容和实验操作上来，课后学生还能主动与教师交流讨论完成线下报告，并预约VR 版实践训练，进一步强化实验操作过程。这种考核评价方式改变了传统实验教学“凭实验报告定优劣”的现象，侧重学生的自主学习能力及发现问题和解决问题能力，促进了实验课的教与学，提高了实验教学质量。

3 虚拟仿真实验教学效果评价

对教学效果的评价可以从学习过程和学习结果两方面进行，前者主要评价该教学模式是否有助于提高学生自主学习能力、激发学生学习兴趣、促进学生对知识的理解和深化等方面；后者主要评价该教学模式是否有助于提高学生的学习成绩[15]。

3.1 学习过程评价

我们通过问卷星对2016 级和2017 级临床及口腔班实验组学生发放了调查问卷，调查学生对本虚拟仿真实验平台的认同度。问卷共发放90 份，回收86 份，问卷回收率为96%。由调查结果来看（见表2），此虚拟仿真实验教学优于传统实验教学，一方面在学生提高生物安全意识、掌握实验原理和实验技能、提高分析问题和解决问题能力等方面均有显著促进作用；另一方面，大大提高了学生的学习兴趣和学习主动性，提高了实验教学效率。94%的学生对本实验项目表示满意，90.5%的学生希望将该虚拟仿真实验方式应用于其他实验教学项目。学生还提出希望进一步“丰富实验内容”“提高软件的流畅度及兼容性”“适当增加虚拟仿真实验的学时量”等建议，为其他基础医学虚拟仿真实验教学建设提供了有益借鉴。

表2 学生对本实验项目教学效果认同度调查结果

3.2 学习效果评价

我们以2016 和2017 级临床及口腔班为实验组，以2015 级临床及口腔班为对照组。图3 为三个班期末理论考试中对 3 道涉及该实验内容的试题的答题情况。由图3 可见，实验组学生的得分率明显高于对照组。

图3 使用虚拟仿真实验后的教学效果图

4 结语

生物安全三级实验室禽流感病毒分离培养虚拟仿真实验以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，提供逼真的实验场景，打破了时间和空间的束缚，实现了学生灵活自学、在线考试与教师课堂演示及指导考评相结合的教学模式。本项目依托我校国家级虚拟仿真实验教学中心，由我校医学院自主开发研制，将传统实验教学难以展示的实验内容可视化，直观易懂，具有开放性、可靠性和安全性等特点，是对传统实验教学的延伸和拓展。截至2019 年12 月，该在线教学平台的使用达到5761 人次。该项目拥有自主知识产权，并编写增加虚拟仿真实验内容的配套教材1 部。

今后我们将不断拓展虚拟仿真实验教学资源并进一步改进评价模式，不断增加新的教学内容，大力推进实验教学改革，持续收集使用者的反馈，不断探索实验教学的新模式。该项目将对全国医学教育单位长期免费开放，提供教学服务，实现实验教学资源共享，满足多地区、多院校、多学科专业的虚拟仿真实验教学需求。还将根据国家虚拟仿真实验项目要求，不断加强自主研发的优质资源的社会推广应用。我们将依托虚拟仿真实验项目推动优质虚拟仿真实验教学中心的建设，并在此基础上将虚拟仿真实验项目向疾病预防控制中心、检验检疫相关机构以及存在生物安全风险的企业进行推广应用，使其成为社会民众及志愿者服务的医学科普宣传基地。