以成果为导向临床样本病原微生物检测虚拟仿真实验的设计与实践

王艳凤，刘 寅，赵国星，彭 茜

(南开大学 医学院，天津 300071)

高等教育是培养优质医学人才的主要阵地，医学生不仅需要具备过硬的专业能力，同时也需要拥有坚定的信仰和优秀的品德[1]。医学微生物学是一门实践性和应用性极强的学科，实验教学在培养相关专业本科生的创新意识、实践能力和科学思维等方面发挥着不可替代的作用[2-4]。但传统的医学微生物实验教学存在诸多的问题，例如：①基于生物安全要求，较难培养学生对感染性疾病临床症状、检查方法及诊断的认识，使理论知识和临床实践脱节；②由于课时紧张，体现分析综合及创新设计的实验教学环节难以安排，造成学生的综合实验能力及科研创新能力得不到锻炼；③缺乏以现代信息技术为手段的自主学习、自我管理能力的培养，同时也忽略人际沟通能力和团队协作能力的培养；④实验教学过程中融入的思想政治教育还不够充分、信息时效性差、缺乏特色，学生的职业素养难以从自发向自觉转变 。因此，传统的医学微生物学实验教学模式很难契合国家对高校医学人才培养的要求。近年来，虚拟仿真技术在医学微生物学实验教学中已获得广泛应用，可有效突破传统实验教学课时紧张、硬件设备匮乏、生物安全问题等客观条件的限制，并且对培育医学生核心素养具有良好的促进作用[5-8]。以成果为导向(Outcome-based education,OBE)，是一种以学生为中心、以学习产出为导向的先进教育模式[9-10]。其应用于医学教育更有助于支撑学生各方面能力素质的培养，提升临床综合能力[11-13]。面向国家对医学人才培养目标的要求，鉴于目前开展医学微生物学实验教学存在的问题，我们尝试引入OBE理念，指导综合性实验项目“临床样本病原微生物检测虚拟仿真实验”建设，探索“以学生为中心，以需求为导向，知识传授与人文教育并重”的实验教学新途径。

1 基于OBE理念明确实验教学目标

基于OBE理念以全面提升学生综合实践能力和人文素养为最终目标，确立“知识-能力-素质”三个层次的教学目标：①了解临床检验实验室的生物安全要求，掌握在生物安全条件下检测临床样本中病原微生物的知识与技能，提高医学生预防医源性感染的安全意识；②提高医学生的自我管理、信息素养、医患沟通与团队合作能力，激发学生的学习兴趣和创造力；③促使医学生树立正确的人生观、价值观和社会责任感，在潜移默化中提高医学生的职业素养，实现综合素质的全面提升。

2 基于OBE理念优化实验教学设计

为实现上述教学目标，需要优化实验教学设计(图1)：①实验内容分为仿真实验及虚拟实验，学生通过仿真实验学习人员和环境的防护、污染性样品的处置，虚拟实验以真实病例为引导，模拟临床实践场景，学生随机抽取患者，从临床问诊、查体、选择样本和检测方法，到具体的标本获取、检测步骤、结果判读及最终临床诊断等方面实现了虚拟仿真的模拟演示和交互练习，同时实验保持开放性，可以根据需求随时补充实验内容；②采用虚实结合、线上线下混合式教学，并以问题为导向教学(Problem-Based Learning，PBL)，建立“互动式”教学模式，引导问题涵盖预习阶段、实践阶段、评析阶段，课后学生根据兴趣进行开放性实验研究；③采用形成性考核评价体系评定学习产出，并持续改进。

图1 实验教学设计Fig.1 The design of experiment

3 基于OBE理念实验教学实践

3.1 课前自学，培养学生的信息素养与自主学习能力

课前预习阶段，教师在课前通过在线训练平台上传实验相关学习资料，包括：①学生运用全英文慕课《Pathogenic Biology》学习实验项目涉及的相关理论知识；②通过虚拟仿真软件的PC端浏览实验流程；③观看微课视频自主学习实验原理、操作步骤及注意事项；④PBL引导问题启发学生从特异性、灵敏度、检验速度、检验成本几个方面评价各种检验方法；⑤同时随机抽取思政案例进行分析(表1)，例如：以“新冠”病毒肺炎疫情为背景，简短探讨医务工作者在传染病应急防控中的职责与使命；从传染病防控谈社会主义制度的优越性等。教师利用实验课开课前10 min，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，并对学生提交的思政案例分析做总结评价。

表1 思政育人环节Table 1 Ideological and political education

3.2 课上实践阶段

3.2.1 以仿真实验为先导，优先实施生物安全教育 课上实践阶段，教师根据预习情况有针对性地讲解虚拟实验中所涉及实验技术原理和操作步骤，使用3D环幕版示范实验流程。为给学生直观的认识，首先从仿真实验开始，主要涉及生物安全技术训练(图2)，包括：①正确穿戴防护服、护目镜、防护口罩、手套、鞋套，其他防护器材的正确使用方式；②学习生物安全柜的使用，在生物安全柜中合理摆放ELISA试剂盒、PCR试剂盒、核酸提取试剂盒等仿真实验材料；③实验结束后模拟处理生物安全柜、培养箱、显微镜、PCR仪、酶标仪中的实验废弃物。

图2 生物安全防护演示Fig.2 Demonstration of biosafety protection

此部分主要提高学生对预防医源性感染的安全意识。值得强调的是，在课上随机挑选三位学生模拟生物安全三级实验室中人员防护要求，让学生身着防护服、护目镜、鞋套、手套及N95口罩进行全程的实验操作，切实体会医务工作者抗疫的艰辛，课后学生反馈“这种感同身受也给他们带来了满满的职业责任感，树立为人民健康贡献自己力量的信念”。

3.2.2 以真实病例为引导，开展场景式虚拟仿真教学 本项目预设不同病原体对应不同的临床检测方法，学生根据情况选择需要采集的样本和对应检测方法(图3)，选择错误会得到阴性结果，但计入时间和费用。课上互动案例的PBL引导问题，学生会首先看到病例情况，例如，患者主诉咳嗽、痰中带血、持续低烧，应该采用何种检测方法？学生可以首先选择形态学检测方法，选择抗酸染色对临床样本进行检测，再依次制备痰涂片，石炭酸品红溶液初染，酸醇混合液脱色，碱性甲基蓝复染等虚拟实验过程，最后油镜观察染色结果生成实验报告。最终的实验结果具有开放性，不同实验者会随机得到合理的实验结果图片，并根据该图片判定是否检测出了相应病原体。检测实验结束后评析阶段，软件会从患者的角度提出PBL引导问题：对于患者你采用几次检测，得出什么结论？病人支付诊断费用是多少？病人经过多久得到确诊结果？引导学生学会从患者的角度思考，提高学生的服务意识，落实思政育人环节。最后，学生轮流运用虚拟现实(Virtual Reality,VR)版进行VR实践演练，让每位学生能够“走进”生物安全实验室，扮演实验人员角色“使用”相关设备，让学生沉浸于虚拟场景与角色，跟随实验设计自主探索完成实验内容学习。此教学环节主要训练学生根据临床症状初判病原体，根据不同病原体选择实验室检测方法以及医患沟通能力。

图3 病原体及检测方法的预设Fig.3 Presets of pathogens and detection methods

3.2.3 用“以实补虚”的方式支撑实体实验开展 开展虚拟仿真实验不能完全替代实际操作对学生动手能力的培养。为此，在丰富虚拟仿真实验项目内容的同时，为学生提供条件开展实体实验，做到“以实补虚”，例如，让学生用仿真样品替代感染性样品进行结核抗酸染色的实际操作，最后给予学生经过无害化处理的、染色完毕的抗酸片，并在显微镜下进行观察。此环节学生根据在虚拟实验过程中学到的内容，使用仿真样品模拟操作，强化生物安全意识的同时训练了动手能力，补充虚拟实验的不足。

3.3 课后总结评价及科研拓展

线上虚拟实验主要是人机互交，若要了解学生的掌握情况，需要组织一定的交流讨论[14]。因此，组织学生课后根据系统导出数据报告进行线下小组分析讨论，提交小组讨论报告，同时回答全部PBL引导问题，并将上述问题的答案汇总成综合分析报告，并进行汇报展示。教师根据学生的反馈及总结，指出其中的不足并补充讲解，对学生取得的成绩进行鼓励和表彰，此教学环节提高了学生的临床思维、团队协作意识及交流沟通能力，呈现出“以学生为中心”的师生互动模式，规避了在进行虚拟实验时，学生只能面对电脑，不利于师生之间以及学生之间的交流讨论。

同时鼓励学生课后申请大学生创新科研基金项目，进入相关领域的课题组开展研究。对于开放设计类的实验，要求实验报告按照科研论文形式编写，目的是让学生初步掌握科研论文的格式及要求。课后教师继续给予指导，激发学生的创造力。

3.4 基于OBE理念实验教学考核评价

本实验项目采用注重过程的形成性考核评价体系评定学习产出，考核成绩采用百分制，成绩由课前测试、生物安全仿真训练、在线虚拟实验成绩、小组总结报告、线下实体实验及科研创新组成(表2)。为了更好地对学生完成实验后获得的综合素质进行评价，对此项目每一阶段关键操作步骤和知识点进行赋分，形成有效反馈。

表2 实验项目考核细则Table 2 The detailed rules for the evaluation of experiment

4 基于OBE理念虚拟仿真实验教学成效

4.1医学知识、技能方面

课前融入全英文慕课、微课，一方面训练学生的对外交流能力和提高课程的难度；另一方面丰富课程内容，将与实验课程相关的知识组建成参考知识库，运用信息化技术呈现给学生，提高学生对医学信息技术的应用与管理能力，培养学生具备疾病预防、医学研究所必需的信息素养。

鉴于生物安全实验的特殊性，通过虚拟实验建立生物安全实验室，有效解决实验室硬件匮缺的问题，通过必备设备、个人防护、实验安全操作等环节展示，有效提升学生的生物安全意识，帮助学生更好地理解、掌握医学知识和技能。

通过以真实病例为引导，模拟临床实践场景，学生能够系统学习常见传染病临床问诊、病史采集、体格检测、辅助检查、实验室检测、结果判读等临床基本技能，从而将基础实验教学与临床病例有机结合起来，提高医学生临床技能、疾病预防与公共卫生服务水平。

4.2 自主学习能力及科研创新方面

PBL教学法以问题为基础，以学生为中心，是国际上公认的效果良好的教学方法[15-17]。以PBL教学形式为载体开展“互动式”教学活动，将学习的主动权转移给学生，学生“基于问题”进行主动学习，不但对其临床思维的训练起到重要的支撑作用，而且更有利于培养学生的交流沟通与团队协作精神。

经过虚拟仿真实验教学，学生主动申请进入科研实验室开展开放性实验，例如，结核菌株的测序比对，乙型肝炎病毒基因分型与耐药突变分析等。在学生选择课题、设计实验思路以及课题完成过程中，教师继续给予指导，并在“南开医学生”公众号中设立“服务学习”专栏，通过科普推文、小视频等多种形式展示学生的科研成果，让学生在“教”中学，提高科研创新的成就感。

4.3 医学人文精神及职业素养方面

思政教育有机融入专业课程有助于医学生理解社会主义核心价值观，这与高等教育的培养目标息息相关[18-20]。本实验项目以真实病例为引导，模拟临床实践场景，从临床问诊至最终的结果判读中融合医患沟通能力，突破了常规只重视学生技术操作培训，而忽略人文沟通训练的现状。在整个实验教学过程中教师担任价值引导者，从课前自学、课上生物安全教育、线上虚拟仿真实验、课后实践等多个教学环节融合思政教育元素(表1)，并且引入的思政教育内容具有时效性，增强学生的政治认同感和职业使命感。

大部分学生对思政教学持认可态度，没有感觉到思政教育与专业教育的脱节。在实验总结中表示要“拥护中国共产党领导，在疫情防控面前，中国特色社会主义制度具有显著优势”“拒绝野味，尊重自然规律，保持生态平衡”“作为一名医学生，要努力学好专业理论知识与技能，不忘初心，牢记使命，将人民的生命健康放在第一要务”等，真正实现“知识传授”与“人文教育”有机统一，让深刻的思政教育目标变得水到渠成。

5 小 结

综上所述，以成果为导向对医学微生物学虚拟仿真实验教学进行设计及实践，达到了专业知识传授与思想政治教育同向同行的协同育人效果，为培养具有较高专业素质及人文素养的医学专业人才提供了有效的实践教学保障，但在实践过程中依然存在不足。

为继续顺应医学教育改革的发展趋势，提升医学人才的培养质量，通过持续收集使用者的反馈，将从以下几方面对本实验项目进行改进和完善：①学生自学效果差异大，教师需要在课前给出明确的自学提纲，提高自学效率；②从实验内容丰富度、VR 版实验操作便捷度、网络环境的稳定性等方面对本项目进行持续改进和提升；③为项目目标达成评价予以判定，需增加过程考核的细则，全面客观评定学生的学习产出情况，同时加强与学校教学管理部门沟通交流，使项目评价依据更为合理有效；④实验项目目标3是达成短板，因此将在后续实验教学过程中增加此环节的教学内容，优化教学实施过程，改进教学方法。