“高效价兔抗绵羊红细胞抗体的制备与检测”虚拟仿真实验项目的设计与探索①

许 飞 聂志妍 金 磊 陈林军 张晴雯

(上海健康医学院微生物与免疫教研室，上海 201318)

“免疫学及免疫学检验”是一门实验性强、多学科交叉融合的专业。由于其微观结构可视性差、概念抽象、实验操作要求高、学生对尖端大型设备接触机会少等原因，给教学带来不小的难度[1]。近年，随着学生数量的增加，实验教学中的矛盾日益突出，如实验精密设备不足、高危实验很难呈现和操作、实验周期长、课堂效率低下、学生参与度不高、缺乏主动性等[2-3]。“高效价兔抗绵羊红细胞抗体的制备与检测”是以医学检验专业非常重要的实验知识点(抗体制备技术)为核心，包含抗原制备、动物免疫、试血、抗体分离纯化、抗体效价检测、总补体溶血活性(total hemolytic complement，CH50)测定等多个实训内容。实际的实验教学周期宽度可达3个多月，实验仪器昂贵、数量有限，试剂材料种类繁多，步骤复杂。由于受实验场地和实验材料的限制，很难保证每个学生都能独立完成整个实验过程，难以调动学生主动参与的积极性，影响整体的实验教学效果。

虚拟仿真实验能将抽象化为具体，用生动形象的仿真情景呈现枯燥无味的医学免疫学知识，实验过程显得生动形象，能通过良好的交互性，有利于知识的内化和迁移[2-4]。教研室借助虚拟仿真实验将多克隆抗体制备的流程更加清晰明确地展示给学生，让学生既能深入理解相关原理，又能通过仿真实验操作掌握基本的实验技术和方法。降低教学难度和成本的同时，增强了课题趣味性，丰富了课题教学形式。本实验采用了3D软件实现三维建模、贴图、渲染、优化等，搭建三维虚拟实验室环境：内外环境、实验台、实验仪器、工具、药品、试剂及相关设备；利用虚拟现实仿真技术，将人物置于虚拟的3D场景中，仿真实验场景环境；利用动画技术模拟理论知识点中的相关原理，使得难理解的抽象知识以动态直观的形式展示出来；系统采用游戏积分升级方式，给学生以激励且增强其兴趣[5-6]。本实验教学过程从验证式教学模式向探究式教学模式过渡，由灌输式教学法向诱导式再到自主式教学法转变，改变了传统的单一灌输教学方式，有利于降低教学成本、提高教学效率、丰富教学内容，达到由此及彼、举一反三的教学效果。

本项目的实验教学模块将虚拟实验、实验原理、实验报告、实验参考资料库、实验自测和教师管理与学生上机操作等内容结合在一起，力求给学生提供一个直观、全面和内容丰富一体化的实验培训学习管理平台。学生通过该平台可与教师互动交流、分享学习经验，做到学生随时能学、随地可学，打破传统的以课堂为中心的教学模式。教师方便地开展资源共享和仿真操作并进行统一的人员统计与成绩管理，使教学工作网络化、信息化(图1)。本文以本学院微生物与免疫学教研室“高效价兔抗绵羊红细胞抗体的制备与检测”虚拟仿真项目为例，从虚拟实验原理、虚拟实验教学方法、资源建设与实验考核等方面全面阐述了免疫学检验虚拟仿真实验的建设思路与设计方案。

1 虚拟实验的教学目标

1.1掌握多克隆抗体制备的相关原理 ①抗原是一类能刺激机体免疫系统产生特异性免疫应答，并能与相应免疫应答产物(抗体或效应T细胞)在体内外发生特异性结合的物质，具有免疫原性和反应原性。②以抗原免疫动物，机体会产生免疫应答，经多次增强免疫后，动物体内出现明显的应答反应和产物。家兔经绵羊红细胞(SRBC)免疫后血清中可出现抗SRBC的多克隆抗体，采集免疫动物血液分离血清，即可获得兔抗SRBC抗体(溶血素)。③利用绵羊细胞与溶血素结合成的复合物，可激活血清中的补体，导致红细胞溶解。当红细胞和溶血素的量一定时，在规定反应的时间内，溶血程度与补体量及活性呈正相关。以引起50%溶血所需的最小补体量为1个CH50单位，可计算出待测血清中总的补体溶血活性[5-6]。

图1 免疫学虚拟仿真实验项目模块设计示意图Fig.1 Schematic diagram of immunology virtual simulation project module design

1.2掌握抗体制备及效价检测的操作技能 掌握多克隆抗体制备的技术要点；让学生通过虚拟仿真实验能更直观地学习多克隆抗体的制备过程，使学生在理解的基础上掌握抗体制备技术的原理，逐步提高学生独立获取知识、分析问题和解决问题的能力。

1.3课程思政元素与教学的有机融合 关注免疫与自身生活的密切联系，树立正确的生命道德观；认同免疫调节是人体与各种病原体共同进化的结果，懂得个体生命至上的内涵，了解生命之间的休戚与共；培养学生诚实守信的学习态度和严谨、求实、勤俭、敬业和高效的优良作风，为今后养成医学职业操守打好基础；兼顾安全实验理念和生物安全的理论知识，以具体事例让学生熟练掌握安全事故应急处理流程，演练物料泄漏、火灾险情、人员受伤等安全事故的正确处理方式。

2 虚拟仿真实验设计理念

2.1实验管理模块 本虚拟仿真实验项目的所有教学模块和相关资源可通过互联网向国内各大院校免费开放。本项目以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构，开发具有自主知识产权，集实物仿真、场景虚拟、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，具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验项目，同时为其他学科的相关实验课程提供互联的标准接口和底层的构件库，并为上层的调用提供标准化的调用接口，为用户提供统一的访问接入服务和通用的用户服务工具包。

上海健康医学院拥有基础医学虚拟实验教学示范中心和医学检验技术实验教学中心。本项目将依托这2个共享中心平台，二者通过数据接口无缝对接，保证用户能够随时随地通过浏览器访问该项目，并通过平台提供的面向用户的智能指导与自动服务功能，尽可能帮助用户实现自主的实验教学与学习。根据项目在推广应用过程中学生的反馈意见和教师的需求不断完善本项目，本校已与山东泽众电子科技有限公司建立了良好的合作关系，将保证项目平台的共享能力和稳定性，持续面向高校和社会服务。

2.2实验教学模块 本项目内容丰富，涉及多学科交叉，需要学生具备扎实的化学、生物和免疫基础知识，规范、娴熟的免疫学实验操作技能及良好的逻辑思维能力，学习过生物化学、分子生物学、医学免疫学、医学微生物学等课程，具备计算机操作及基本网络知识。该虚拟仿真实验主要包括6个实验模块：抗原制备、动物免疫、试血(初步检测抗血清效价)、免疫血清的分离纯化、抗体效价检测、补体溶血(CH50)实验。本实验项目为引导式实训，实训过程中，学生需要根据操作提示进行操作。如果操作错误，系统会进行错误提示，并引导学生进行正确的操作步骤(图2)。系统根据学生的成绩，可按自主设定的时间范围自动统计成绩。实验结束后，学生需提交一份实验报告，要求如下：研究背景、实验原理、试剂与仪器设备、实验方法(包括操作步骤和反应条件)及现象(截图或者文字描述)、实验结果、分析讨论、结论、反思、收获与建议。

以“抗原制备”实验模块为例:(1)预设的实验指标：绵羊红细胞抗原属于颗粒性抗原。本实验模块是指导学生完成绵羊红细胞抗原的制备。结合教学设计，教研室在该实验系统中预设3个指标，每个指标计为5分：①抗凝绵羊血的离心；②绵羊血细胞的洗涤；③一定浓度的免疫红细胞抗原的配制。同时，在系统中提示信息，在抗原制备中要注意2个关键问题：一是抗原的纯化，另一个是无菌操作。(2)系统提示及结果判读：每个实验系统均预设指标，给出既定的结果。学生需要根据操作提示进行操作，系统将给出相应的结果，学生对结果做出判读。比如，绵羊血离心时离心机转速的选择，系统给出3个选项，分别是低速、高速和超高速。如果学生选择高速或超高速离心，系统则提示错误，并给出提示：离心转速太高红细胞易破裂。只有学生选择低速离心时，系统才提示正确，并给出理由：低速离心红细胞不易破裂。同理，学生必须正确完成前一步操作，才能进行下一步骤的实验操作。无论选择的方案对、不全对都可以得出一个结果提示，根据方案，虚拟实验每一项操作时间、准确性、结果判断等系统自动生成一个分数并保存，根据各项目操作得分及所占总分的百分率给出最终得分。

图2 免疫学虚拟仿真实验设计框架Fig.2 Design framework of immunology virtual simulation experiment

2.3学习交互模块 学生通过该平台可与教师互动交流、在线答疑，做到学生随时能学、随地可学，打破传统的以课堂为中心的教学模式。教师方便地开展资源共享、仿真操作并进行统一的人员统计与成绩管理，使教学工作网络化、信息化。

3 虚拟实验教学方法

3.1采用线上线下混合式教学方法，摆脱时空约束，提高教学成效 本项目包括线上与线下两个部分，为学生提供线上和线下相结合的智能化学习方法。线上通过虚拟仿真实验让学生体验完整的多克隆抗体制备与检测的全过程，掌握其检测原理、操作、结果分析和注意事项，使学生在虚拟空间内不受时间、空间、安全等方面的影响，反复练习直至熟练掌握实验操作。

同时，系统会根据学生实验过程中的预习情况、操作水平、数据处理、课程论文等环节综合评分，引导学生认真学习、积极思考，使学生在亲历的过程中理解并构建知识体系，促使主观能动性的发挥。利用系统自带的评价内容细则对实验模块进行分项计分，各个模块的总计分则为本次实验的总成绩。这种分项计分的方法可以让学生知道本实验各模块的学习掌握情况。教师可以了解每个同学在本实验中掌握的具体情况，真正做到知识的差异化辅导。作为线上线下活动开展的评判依据，线上成绩合格的学生方可申请线下实验。

3.2问题引导式和兴趣激发式的翻转课堂教学法使学习过程富有吸引力 本项目设计为“课前学习+课题学习”的翻转课堂教学模式。通过课前预习、虚拟实验操作、问题讨论等环节，开展基于问题的互动式教学，促进学生自主学习和探究式学习；促进学生知识、能力、素质的有机融合，培养学生分析问题和解决问题的综合能力，锻炼学生的创新思维和科研能力。

3.3建立学前评价、过程性评价与总结性评价相结合的多元化考核评价模式 本课程建立学前评价、过程性评价与总结性评价相结合的多元化考核评价模式，既反映学生的知识掌握情况，也关注学生的科学探究能力与价值观等素质。以实验大数据、仿真试题、实验报告以及开放性实验设计为基础，虚实结合进行综合考量。从多个层次考核学生的学习效果：实验大数据和仿真试题体现了学生的预习和实验知识点、操作要点的掌握完成度，这是基本要求；课程论文重点关注学生数据处理与分析、总结和思考能力的提升；过程考核受到高度重视，要求学生从交互操作步骤中选取3个及以上步骤，解释说明操作背后的化学原理和操作要点。经过虚拟仿真实验的学习和思考，在“抗体分离纯化”“抗体效价测定条件优化”“抗体标记技术”等子课题中选择一个进行开放性实验设计。虚拟实验过程的实时监控和实时反馈功能，既能激发学生养成主动掌握知识和不断反思的习惯，又能推动学生将理论知识应用于实践。梯度合理的考核方案旨在全方位考查学生的学习吸收能力、分析能力、思辨能力和创新能力，通过多种方式监督和检查学生的实验效果和应用能力，从而达到全面提升学生综合素养的目的。

4 总结

虚拟仿真实验平台能够提供无限实验空间、稳定的温度、气流以及理想的物性状态、理想的实验场所等，最大限度降低外界干扰带来的实验误差和对实验结果的影响，有利于培养学生严谨求实的科学态度[1,6-7]。本着“能实不虚、虚实互补、线上线下结合”的原则，把科学研究方法和流程，与虚拟仿真技术结合在一起。教师和学生可以线下面对面进行实验操作前的课堂讲解及实验操作后的结果分析讨论，从而弥补线上教学师生互动不足的缺陷，提高师生沟通的效果。实验操作部分，则可以利用虚拟仿真实验软件代替传统的实验操作。既可以弥补传统实验的操作周期长、仪器数量有限、实验危险性高等缺点，又可以让学生随时随地登录系统进行虚拟仿真操作和在线学习。通过虚拟仿真实验软件锻炼了学生的实验操作熟练度，减少了传统教学中的失误率[8-9]。学有余力的学生还可反复操作，就方案设计和材料的生长机理做进一步的探究，以潜移默化的方式引导学生探索前沿、接受挑战、大胆创新。

“高效价兔抗绵羊红细胞抗体的制备与检测”是以医学检验专业非常重要的知识点(抗体制备)为基础，包含了从抗原制备、免疫动物、试血、免疫血清的分离纯化、检测兔抗血清的效价、免疫血清的临床应用等多个实训内容。教研室借助虚拟仿真实验将多克隆抗体制备的流程更加清晰明确地展示给学生，让学生既能深入理解相关原理，又能通过仿真实验操作掌握基本的实验技术和方法，大大降低了教学难度和成本的同时，增强了课题趣味性、丰富了课题教学形式。

建设虚拟仿真实验教学中心并推行虚拟仿真实验教学是医学教育的趋势，也是现实需求[2,7]。但仍存在许多困难和问题，需要从态度、理念、技术等层面扎实工作。如虚拟仿真的动画模拟不能完全代替实物操作的感官体验。学生如果仅仅通过虚拟仿真来学习实验技术，那么很难提高学生的动手能力和团队协作能力。所以，实验教学必须以实验室实物操作为主，虚拟仿真为辅，能实则不虚。总之，虽然是虚拟仿真，但需要用务实的态度、真实的努力实现真实的追求。