医学微生物学虚拟仿真实验项目建设与教学实践

唐媛媛，王晓楠，李京培

（安徽医科大学病原与免疫学实验室，安徽合肥，230032）

1 医学微生物学实验教学的现状和困难

医学微生物学是医学基础课程中主干学科之一，其所含实验技能操作是医学研究的基础技术手段，这些实验技能的熟练掌握对于医学生今后的医学研究具有非常重要的影响，因此学好医学微生物学实验具有非常重要的作用。

然而医学微生物学实验存在以下困难：项目多且涉及到许多活的病原体的培养与鉴定等内容，具有潜在的危险性；有些实验需培养较长的时间才可以观察到实验结果，给实验教学带来不便；受实验课堂的时间、实验材料、实验设施等条件的影响，一旦实验过程中出现失误，实验就会终止，很难进行补救。种种的限制导致学生可以自己动手的实验内容较少，一些基本的实验操作技能很难到达熟练掌握的要求。因此，如何开发能够有效节约资源、突破时间和空间限制，设计出直观生动的实验教学方式是提高教学质量的关键[1]。

2 虚拟仿真技术的认识

虚拟仿真实验这一概念诞生于1989 年，最早由美国弗吉尼亚大学WilliamWolf 教授提出[2]。通过计算机技术模拟实验过程，学生在虚拟的环境中完成实验，不涉及真正的实验设备、实验耗材以及活体病原菌等。目前该项技术已越来越多地运用到高校实验教学中。

2013 年教育部发布《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高司函(2013)94号)，明确提出高校建设虚拟仿真实验室的重要性。随着教育部关于国家级虚拟仿真实验教学中心的认定和建设工作的开展，虚拟仿真技术已经在医学教育领域得到广泛应用[3-5]。安徽医科大学积极响应国家号召，切实开展虚拟仿真实验室建设工作，于2014年获批国家级基础医学虚拟仿真实验教学中心；2015 年安徽医科大学基础医学院病原与免疫学实验室获省级质量工程项目“病原与免疫学实验中心微生物学虚拟仿真实验室（项目编号：2015xnzx030）”，现已结题。在完成该项目的过程中，课题组制作完成虚拟仿真实验成熟作品3 个：《破伤风梭菌致小鼠痉挛实验》《肠道致病菌分离与鉴定虚拟实验》《脑脊液中常见病原微生物的分离鉴定虚拟实验》（图1），获得专利3 项。虚拟实验作品在国内多项比赛中均获得良好成绩，其中《破伤风梭菌致小鼠痉挛实验》《肠道致病菌分离与鉴定虚拟实验》作品分别于2017年和2018年被评为国家级虚拟仿真实验项目。作品在实验空间供广大师生学习使用，网址链接：http://www.ilab-x.com/list。所有作品均拥有自主知识产权，有国家颁发的计算机软件著作权登记证书。

图1 虚拟实验进入界面图

3 医学微生物学虚拟仿真实验教学项目的建设

3.1 项目设计理念

在虚拟仿真实验项目设计的选题上主要考虑在现实中不具备或难以完成的实验教学内容，或者涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练[6]。另作品选题上还考虑到应用价值，目前所完成作品均符合行业标准大纲和执业医师资格大纲要求，可供本科类医学院校及职业医师考试学习使用。以下以“脑脊液中常见病原微生物的分离鉴定虚拟实验”为例进行介绍。

脑脊液检查是临床脑组织病变或者脊髓病变和外伤时的常规检查，从脑脊液当中分离出的病原体可为临床提供诊断依据和抗感染治疗指导。然而脑脊液当中常见病原微生物如脑膜炎奈瑟菌、结核分枝杆菌、新型隐球菌和HSV 都是国家CDC 管控菌种。在日常实验教学中由于菌种的缺失导致相关实验无法开展，整个实验教学无法保证系统性和全面性，成为传统微生物学实验教学中的一大难题。另从患者脑脊液中分离出常见的病原体并加以鉴定，也是国家执业医师资格考试大纲和医学微生物学教学大纲的重要内容。而很多高校实验室的防护措施尚不完善，极易造成感染事故。因此，以虚拟仿真实验为依托，可弥补传统实验仪器资源有限、综合性实验不足、实验安排不成体系等短板[7]，使学生在有限的实验中充分理解和掌握相关实验技能[8]，实现实验教学的系统性和规范性，有利于学生对重点、难点知识的理解与渗透。

3.2 项目实施

3.2.1 整体构架

虚拟实验系统具有时间短、内容精，容量大的特点，适合主流媒体形式，是学生必须掌握的微生物学实验教学内容。因此作品涵盖了理论知识点，使学生从理论到实验循序渐进地学习。所有实验均配有完整的实验操作视频，使学生对整个实验有一个客观的认知，再动手操作虚拟实验，身临其境地完成实验操作的整个过程。作品还加入临床病例实训，将课堂知识与临床实际相结合，有利于培养学生的临床思维。作品最后还设置了实验结束清场的内容，使整个实验更加完整和规范，有利于培养学生良好的实验习惯（图2）。

图2 脑脊液中常见病原微生物的分离鉴定虚拟实验整体构架图

3.2.2 虚拟实验操作

虚拟实验操作是整个作品最为重要的部分，也是唯一可以由学生自主操作的实验部分。虚拟仿真实验的核心要素主要包括实验对象、实验条件和实验结果，虚拟仿真实验就要做到核心要素仿真度的最大化。具体体现在虚拟实验环境的逼真、虚拟实验仪器设备的逼真以及虚拟实验操作效果的逼真。只有与真实实验极致的逼真才能让学生有身临其境的感觉，也为学生在今后的真实科学研究中产生打下切实的基础。

本作品当中共涵盖7个经典实验，为了给学生最大化真实实验体验，我们先录制完成了每一个实验的完整操作视频。学生在实验操作前可先观看实验视频，有了直观的认识之后再独立完成虚拟实验操作。通过鼠标点击、系统提示、系统提问学生答题等方式实现人机交互，再现整个实验过程。学生只有正确完成当前的操作，系统才允许其进入下一步，直至完成全部实验操作。整个实验过程不涉及真实病原体、无实验耗材、无实验垃圾。每个经典实验是一个相对独立的操作模块，学生可以根据自己的需求选择性的完成其中的部分操作模块（图3）。

图3 脑脊液中常见病原微生物的分离鉴定虚拟实验部分截屏

3.2.3 虚拟临床病例实训

临床病例实训是对所学专业知识的提升，为医学生走向临床实践做准备。整个实训过程以临床案例为切入点，模拟患者从入院检查到实验室诊断到最终确诊的整个过程，以真实的场景、仪器设备、实验材料等为背景，实验结果全部来自于真实实验结果，可信度强，形象逼真。学生先动手操作经典实验，再综合各学科知识完成虚拟临床病例实训，有利于学生从基础知识到临床综合能力各方面技能的培养。

依据虚拟患者的疾病检查流程设置相关提示，引导学生主动思考，在完成正确的操作之后，系统会进入下一步的演示，直至整个实训的结束。在实训的最后部分系统设置有思考题，学生答题后，系统自动计算出得分，并得出虚拟实验的实验结果和结论（图4）。

图4 脑脊液中常见病原微生物的分离鉴定虚拟实验临床病例实训部分截屏

4 教学实践

以虚拟仿真实验为依托，我校医学微生物学实验教学采用“虚实结合”的混合式实验教学模式；同时结合现代化智慧教室的应用，教师在虚拟仿真实验教学软件的配合下积极开展翻转课堂，深得学生喜爱。系统还有形成性评价报告等功能，根据学生的完成情况直接生成评价性报告，可为教师评价提供辅助决策[9]（图5）。同时虚拟仿真实验软件基于网络可实现与其他高校师生进行资源共享，扩大受益面，起到了很好的示范辐射作用[10]。

图5 脑脊液中常见病原微生物的分离鉴定虚拟实验学习统计

5 教学体会与思考

突如其来的新冠疫情也无意间促进了虚拟仿真实验教学的发展与应用。本着“停课不停教、停课不停学”的原则，我校虚拟仿真实验教学网络平台在疫情期间起到了重要的应急和支撑作用[11]，得到了师生一致的肯定。

5.1 要充分发挥虚拟仿真实验的教学辅助作用

虚拟仿真实验具有三维实验环境和可视化的实验对象，可以反复学习，不受时间和空间的限制，学生还可以自主化、个性化学习，随时获得反馈性测评，突破传统示教演示方式。其实验操作标准化，是传统实验教学的补充和拓展；虚实结合的教学模式，突破了实验教学对客观条件的依赖性，满足了课堂教学需要，大大改善了原有实验不足的教学状况，使学生能够更加系统全面地了解专业知识，成为老师得力的辅助工具，提高了实验教学效果。

5.2 加大项目开发力度，丰富实验教学资源

受教学经费、信息技术等各方面的影响，目前的虚拟仿真实验项目制作水平和数目都远不足以满足高校实验教学的需要。综合性、设计性、创新性项目更是少之又少。继续开发高质量的虚拟仿真实验项目是高校未来面临的一大课题。

5.3 “能实不虚”，虚拟仿真实验不能代替实体实验

通过医学微生物学虚拟仿真实验的建设，有效补充了原有实验教学内容的不足，增加了教学的系统性和连贯性，并结合临床实际，培养学生的医学思维，力求学以致用。但是虚拟实验与真实实验还是存在差距，无法全方位的展现真实实验，无法体现真实实验的复杂性和实际操作中的不可控性。虚拟实验只能作为真实实验的有效补充，在实际的教学中还是要做到能实不虚，尽可能提供学生实际动手操作实验的机会。利用新科技手段，充分发挥虚拟仿真实验的优势，有效提高实验教学质量是当代高校教育的最终目的。

5.4 设计考核细则，完善过程评价

新的教学方法一方面吸引了学生积极参与，另一方面也给习惯于传统教学方式的部分学生带来了困难，导致实验成绩偏低。如何全面评价学生的学习实践能力是虚拟仿真实验软件的一个新的挑战[12]。

5.5 利用仿真教学资源不断优化和更新教学内容

虚拟仿真实验打破了传统教学的局限性，让更多的不可能变为可能，可促进原有教材内容的更新；让学生更容易接收到新仪器、新技术、新方法等学科前沿知识，对学生的知识传授有着很好的促进和保障作用[13]。

6 结语

虚拟仿真实验作为一种新兴的教学工具，生动直观，简化了微观的知识难点，较传统教学，具有更高效、节能、安全、可操作性等优势。但是在实际应用中，学生也反馈了一些意见，例如应开发手机端使用界面、提供小组协作模式、增加实验操作环节的时间限制等，对于这些意见，将在下一步的建设中逐步完善[14]。此外，如何巧妙融入思政内容，在培养医学生专业知识之余对其精神层面进行塑造，力求培养医学生的职业使命感、职业荣誉感是我们在接下来的工作中也要去思考并完成的一项内容。