VR技术在临床微生物检验教材建设中的展望

朱晓彬，翁晶晶，李一荣，肖 潇△

(1武汉大学中南医院脊柱与骨肿瘤科， 武汉 430071； 2中国医学科学院武汉感染性疾病及肿瘤研究中心； 3感染性疾病精准防控与诊治湖北省工程研究中心； 4湖北中医药大学医学检验与技术系； 5武汉大学中南医院医学检验科； △通讯作者)

教材建设是高等院校的重点建设工作，是提高教学质量、培养优秀人才、深化教学改革的保证[1]。高等医学院校的教材是教师传授医学理论和方法的载体，也是学生进行医学技术学习和临床思维训练的基础。因此，不断加强医学教材建设，对于积极保障教学质量、切实稳定教学秩序、真实反映学校科教水平乃至贯彻落实优秀人才培养都具有重要意义。临床微生物检验是医学微生物学、检验医学和临床感染学紧密结合和交叉的学科，近年来发展极为迅速，但也面临诸多的问题和挑战：诸如新型病原体不断出现、医院感染不断加速、耐药菌株日趋增加、耐药机制日益复杂等[2]。针对上述问题和挑战，高校现如今必须进一步加强临床微生物学检验的理论水平建设、学科平台发展及人才培养规划等，为临床输送更多优质的检验人员。而临床微生物检验的教材建设和改革是解决上述问题的关键所在。

近年来，随着VR技术的不断成熟，该技术已经被应用在现实生活中的许多领域[3]。其中VR技术的应用对于教育领域有着至关重要的价值[4]。将VR技术引入微生物教材建设中，一方面可以真实地再现微生物形态变化特点和检验技术的实时过程，以提高学生对理论知识的感官体验、激发学生的学习兴趣；另一方面，VR技术能够全方位调动学生的视觉、听觉和触觉等，从而加深学生对于知识的理解记忆，提高学习效率[5]。因此，将VR技术应用于微生物检验教材建设，有利于实现理论和实践的充分结合，切实提高教学质量，提升教师的教学体验，培养优秀的临床微生物人才，以便未来更好地服务于临床。

1 现有教材存在的问题

临床微生物学检验是医学检验专业的重要课程，其主要特点是实验技能要求较高，操作能力要求较强，需要将理论知识与临床经验紧密结合。临床微生物检验学科在近十年来已有巨大发展，该学科融合了临床微生物理论和医学检验技术实践，但现有的教材难以适应发展的进程和速度。因此，将VR技术引入微生物教育的教材建设中是非常有前瞻性和重要意义的。

1.1 现有的教材仍以理论文字为主

学生普遍缺乏对病原形态学和检验程序的感官认识，导致知识记忆困难以及理论与实践脱节。在临床微生物检验的学习过程中，所涉及的微生物种类繁多、每种微生物特点各异、不同微生物的检验方法也不尽相同[6]，导致学生仅凭理论文字和图片难以对真实的微生物特性和检验过程进行记忆和理解。在课堂上，教师讲解理论知识，学生倾向于被动接受信息。这不仅压抑了课堂气氛，还抑制了学生的思维，致使学生难以积极主动地思考。因此，学生获取了大量的刻板记忆，在临床工作中需要应用的时候，又无法正确匹配，严重影响了教学质量。

1.2 传统实践课教学内容较为片面且安全风险高

在高校，微生物检验实验课的开展存在诸多不便。例如，建立传统实验室需设特定区域，保持无菌环境。学生在进行实验操作时有被感染的风险。对于感染性极强的菌种，教学型的传统实验室就无法开展。在实验操作中，由于课时限制以及实验操作的风险性，学生也不能全面接触到临床中常见的微生物。在实验课堂教学上，由于空间的限制，教师在进行实验操作演示时，众多学生则只能聚集围观，导致站在后排的学生无法清楚观察到教师的示范性操作[7]。且验证性实验教学没有探索性，使得学生缺乏思考的积极性，课堂教学质量难以提高。

2 VR概念以及在临床微生物检验教材中的作用

虚拟现实(virtual reality，VR)是数字科技的结合，包含3D显示器、动态追踪、开发平台、输出及输入设备等，可以通过向学生提供感官模拟使其有身临其境之感。学生可以即时且没有限制地观察三维空间虚拟世界内的事物。VR虚拟融合了视觉、听觉和触觉，可以将微生物形态可视化，并模拟出完整的检验步骤[8]。

2.1 在临床微生物检验理论课中的作用

我们以金黄色葡萄球菌为例：在VR虚拟世界中，学生通过使用VR眼镜和特制的手柄，可以亲身体验细菌培养的全过程。例如，学生对目的菌进行分离培养，将目的菌接种在平板上，把接种后的平板放入培养箱；培养相应时间后，学生可以直观地观察到培养基中金黄色葡萄球菌呈有光泽、圆形凸起的三维形态，以及观察在血平板中菌落周围形成的β溶血环的透明程度和宽度等，其在视觉上给人感觉与现实生活中几乎没有差异。而传统教材中对于“某细菌干燥”“某细菌湿润”的书面描述，需要学生通过想象对其理解，但学生对“干燥”和“湿润”的理解各异，因而可能不能较好地形成正确和客观的记忆体系。学生通过VR技术，利用理论知识与实践技术的充分结合，使枯燥的学习变得更加生动有趣，从而更好地激发学习热情，提升个人成就感。同时，学生的表现和成绩也与教师的教学体验和成就感相关。因此，利用VR技术提高学生对学习的兴趣，更好地掌握实验操作要领，对教师教学质量的推进作用十分重要。

2.2 在临床微生物检验实践课中的作用

虚拟实验室不受时间和空间等因素的限制，学生可以完全沉浸式地体验临床中完整的微生物检验流程，例如细菌的培养、鉴定、镜检、药敏以及结果报告等。学生在校学习阶段就可以模拟式地参与临床实践。对于感染性较强的菌种，学生则完全避免了被感染的风险。VR技术还具有一定的互动性，例如在虚拟实验室中学生能够按照教师的指导进行一对一的实验操作学习，以此解决由于实验室空间限制所产生的问题。同时，实验课教学不应局限于书本上的实验内容，教师还应利用VR技术与网络技术相结合，通过网络平台为学生提供更加广泛的学习相关资料、PPT以及虚拟仿真实验任务等，利用VR技术建立的虚拟实验室，给学生创设出良好的学习环境，促使学生在生动的学习情境中获得良好的知识储备。

3 将VR技术引入微生物教材建设中的主要措施

临床微生物检验的基本功包括掌握微生物形态学、镜检、鉴定、药敏、结果报告和解释、新技术手段，熟悉各类感染各种标本的常见的病原谱和各类抗菌药物的药理学特点等。将VR技术引入微生物建设中的主要措施如下(以金黄色葡萄球菌为例)。

3.1 形态学

教师利用VR技术可以模拟整个教学实验室以及实验所需的仪器等。学生可以通过虚拟现实设备以及配套工具在虚拟空间中动手培养各种各样的微生物，包括标本接收、接种、分离纯化等步骤。通过培养相应时长，学生可以更加深入直观地观察到每种细菌的生长形态，运用技术模拟真实条件下金黄色葡萄球菌的形态和溶血情况。例如，金黄色葡萄球菌在普通培养基上形成直径2-3 mm不透明的圆形凸起菌落，菌落表面光滑，较湿润，颜色为无色或者金黄色，金黄色葡萄球菌血琼脂平板上菌落周围产生β溶血环[9]，偶见金黄色葡萄球菌的不典型形态。VR技术所呈现出来的图像比传统教材上的图片更为立体形象，为学生提供听觉、视觉等感官的真实体验，让学生更有临场感，学生学习的积极性也会更高。

3.2 鉴定

3.2.1 生化鉴定 传统生化鉴定模块主要采取设立虚拟超净工作台的方式。学生可以在超净工作台上对金黄色葡萄球菌进行生化鉴定，通过VR技术观察生化实验的操作和结果判读：血浆凝固酶实验：使用EDTA抗凝兔血浆与待测液混合，若6 h内出现凝固则为阳性；耐热核酸酶实验：将待检菌过夜肉汤培养物置沸水浴中15 min,取数滴,滴加于含甲苯胺蓝核酸琼脂、直径为2-5 mm 的小孔内,35 ℃培养,1 h后观察结果。小孔周围蓝色琼脂变粉红色为阳性,不变色为阴性；触酶实验:将待检菌落置于干净玻片上后，滴加3%过氧化氢溶液数滴，观察反应变化，若半分钟内有气泡产生则为阳性，不产生气泡则为阴性[9]。实验所需材料均为程序编辑的虚拟元件。VR可以形象化呈现出各个生化鉴定所产生的颜色、形状等的变化，从而使得学生更容易理解教材中“凝固酶阳性、触酶阳性”的描述，也能进一步加深学生对知识的理解记忆，提高学习效率。

3.2.2 质谱鉴定 随着质谱及其技术的不断发展，质谱仪鉴定凭借其高灵敏度、高准确度、快速、高效等特点已然成为临床微生物检验鉴定菌种的主流技术。质谱鉴定的工作原理是将激光激发靶板上的细菌与基质让细菌的蛋白在真空的飞行管中。检测器通过检测蛋白飞行时间的不同来建立一个曲线图谱进而与数据库中的信息比对，得出可能的菌种[10]。然而现有教材却尚未涵盖该部分的知识，使得学生所学知识与临床实际有所脱节。我们可以通过VR技术构建虚拟的质谱仪，利用VR技术模拟质谱鉴定细菌的操作步骤，选取培养基中生长的单个菌落将其涂在质谱仪的样品鉴定板中，然后滴入1μL的基质液，静置3 min左右，待基质液完全干燥后，将样品板放入质谱仪中进行鉴定。学生可以体验如何使用质谱仪快速鉴定细菌种类，提前学习更加先进的技术，让所学习的知识能够紧跟时代和科学的发展，以改善现有教材更新及创新的速度跟不上整体学科发展的现状，对培养学生探索科学的兴趣也有积极的作用。

3.3 药敏实验

金黄色葡萄球菌的药敏实验对于指导临床合理使用抗菌药物具有重要意义，但仅仅依靠教材中对于药敏实验的介绍，学生难以通过想象进行记忆，对这部分的知识需要通过更多的实践来理解。但由于微生物实践课课时较少，内容量大，所以教学效果并不理想。通过使用VR技术，学生可以在虚拟世界中观摩或动手操作药敏实验的全过程，利用感官记忆加深理解，还可以直观地观察到抗菌药物抑制细菌生长出现的抑菌圈，通过手动测量抑菌圈的大小，同时依据CLSI 的判断标准来判断金黄色葡萄球菌对此药物的敏感度，从而锻炼动手操作能力。利用VR技术不仅可以帮助学生更好地将理论与实践相结合，还可以为现场教学奠定坚实基础。

3.4 报告审核

学生可以体验临床工作中结果审核以及危机值报告的虚拟训练，提前熟悉临床工作的完整流程，为将来进入实地工作做好充分准备。

将VR技术应用于教材设计，能让学生体验到一个真实且直观的学习环境，并获得实时回馈，更能吸引学生高度参与，促进其学习的外部动机向内部动机转变，提高学习的自主性，对培养学生探索科学的兴趣与热忱有积极作用；同时提高教师的授课质量。VR教材有利于解决微生物检验教学中的理论和实践脱离的问题，符合时代和学科发展。该研究成果有利于将VR教材应用和推广到其他注重形态、解剖和操作的医学学科的教材建设中。