医学院校生物技术专业虚拟仿真平台与生物安全教育教学结合研究

李康智 王凛

桂林医学院智能医学与生物技术学院 广西桂林 541004

1 生物安全教育的必要性和紧迫性

实验室是进行科学技术研究的基本场所，如何确保科学家和实验人员安全有效地开展传染性物质研究，对于开展生物技术研究操作的实验室而言尤为重要。生物安全实验室是指在生物学、医学等领域，通过防护屏障和管理措施防止发生病原体或毒素暴露及释放等，从而达到生物安全要求的生物实验室。[1]

目前，高校实验室安全培训仍存在诸多问题，如培训模式单一、缺乏后期评估、时效性较差等。因安全培训不到位，安全意识不强导致的安全事故在国内外屡有报道。[2]在基因表达组技术实验室开发研发中，要进行的整个过程作业通常包括目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。在这一过程中，实验人员将接触各种专业仪器和各类试剂药品、微生物以及特殊实验环境。潜在的危害有实验仪器和有毒化学试剂的危害、实验环境副产物的危害、实验动物和实验微生物的危害等，尤其在操作有危险性的供受体。此外，因操作不当而可能导致的事故造成的意外后果均有可能给实验人员、实验环境以及实验仪器带来重大危害。

孔令明等提出“材料风险可通过设备设施的完善而随之降低，但人员风险的降低则需要通过安全培训来提高生物安全意识。”

目前，生物实验室的安全风险，一部分来源于所处理的生物材料，另一部分则来源于不确定的人员因素。前者的危险性是已知的，而后者的危险性却是未知的。[3]

学校现有的安全培训有以下这些形式：

(1)利用学校易班，面向全校学生开展实验室安全知识线上有奖竞赛。

(2)组织现场知识竞赛，要求各二级学院(系、部)派出一支参赛队伍进行参赛。

(3)以固定展板、微信公众号、易班等多种形式展示近年来实验室典型安全事故及实验室安全常用知识，开展警示教育活动。

(4)组织本学院在校生，通过模拟危险化学物质的泄漏、紧急处置和逃生等演习组织本单位在校生，通过模拟实验室突发火情，组织实验室工作人员应急疏散，并进行实验室消防紧急逃生演习。

(5)开展实验室安全知识教育专题讲座。

(6)开展实验室安全倡议活动。

在安全培训的形式方面，学校非常重视，多层次地铺开培训内容。但就培训对象而言，没有满足各个层面的实验人员需求，这些人员包括新入职人员、本科生、研究生、博士生以及教师队伍。应根据不同层次人员的知识储备、经验等，设计不同层次的培训内容。在进行培训之前，需要充分调研被培训者的需求与其对实验室的了解程度。此外，实验室周期性地引进新设备、新药品等，安全培训也应相应地做出调整，与时俱进。

基于上述因素，选择了问卷星进行问卷调查，共获得了十六生本学科的一百一十三篇问卷，内容涉及了实验室生物安全概述、生物安全柜、高压消毒锅、实验动物、气溶胶、消毒等各个层面。针对学生中出现的情况：同学在平时教学中根本就没了解过生物安全柜，对生物安全柜的认识也不足，以为挥发性有害物、非感染性材料一定要在生物安全柜中使用，这属于常识性的错误，在今后的教学上应该注重讲解生物安全柜的使用相关事宜，并进行现场教学，给同学以更直观的教学。其中有同学建议：“需要设置实验室生物学安全性相关课程，对于生物技术专业来说，需要经常在实验室进行操作，这个课可以不需要那么多的学时。可以适当设置学生讲堂，让学生亲自了解，更多地深入了解实验室安全生产技术管理，让学生自己动手操作，深化印象，结束时可以用概括的方式作为学年总结。”这是很有代表性的意见，也体现了学生们的主动学习能力，应该受到授课教师的关注，应将它作为教改的一项重点。

在调查中，百分之八十的同学提出生物安全教学应当以实际为主，理论为辅。其中有同学认为，目前的生物安全概论教材还是作为一个选修教材，今后也应该作为必考专业课进行教学。而学校还缺少比较系统的生物安全训练体系，也就是对生化产品的泄漏事项训练以及生物安全事故训练、爆炸事故训练等。实验室管理方面应该向其他管理先进的高校进一步学习，以建立一个更加严密完善的管理制度，并贯彻与执行。但本次调查范围还比较小，存在着一定的局限性。今后还可以扩大调查范围，角度更加多样化，为生物安全工作提供信息化建设保证，积极构建实验室安全信息宣传网络平台，运用微信等公共账号的方式宣传生物安全的必要性，尽快建立健全管理信息系统，实现网络化管理。

基于上述实验室安全训练不落实所带来的一系列问题，根据传统的安全训练所暴露出的缺点，借鉴国外先进管理经验，需要建立出一个更加灵活且有效的安全训练体系。

2 生物技术虚拟仿真项目现状

在生物技术综合实验虚拟仿真项目建设中遵循“科学规划、资源共享、突出重点、注重创新”的指导思想，坚持“学生为本，服务教学”的基本原则，将生物化学、分子生物学、细胞生物学、遗传学、实验动物学、生物工程、生物医学工程等生物学学科的教学资源进行有机整合，以案例式教学模式，将已有的教学资源进行集成并数字化，把生物技术的相关课程联系起来，建立虚拟仿真实验项目。[4]

生物技术综合实验主要由移液枪的基本操作、重组质粒提取、DNA琼脂糖凝胶电泳、生物医学细胞培养综合试验、普通PCR、紫外分光光度计检测RNA含量与纯化、RNA逆转录、荧光定量PCR、蛋白质变性与SDS-PAGE电泳、Western Blot测定蛋白质表达等多项虚拟仿真实验构成。本试验的主要目的是让学生全面掌握大分子细胞生物实验常规仪器设备的应用，包括移液枪、震荡培养箱、电泳仪、细菌培养箱、超净工作台、紫外分光光度计，以及PCR仪等；掌握质粒提取、DNA电泳、细菌培育、逆转录、荧光定量PCR、蛋白质电泳法和Western Blot法等的基本原理、有关知识点，以及具体实践运用；串联分子克隆、细菌培育、基因组的相对定量检测和蛋白质分析等基础知识，使学生将所学分子生物、细胞生物学、遗传学和基因组工程技术等基本理论知识融会贯通，全面系统地了解生物科学技术核心理论知识。

本项目各实验包含实验目的、实验原理、教学视频、虚拟操作、结果展示、思考题等模块。虚拟实验操作分为预习实验、配制试剂、仪器使用、实验操作、结果分析等。学习者首先采用视频教学的方式掌握生物实验基本原理和有关基础知识，并熟悉生物实验的所需试剂、耗材和仪器设备，进而通过模拟实验操作全过程，牢记生物实验程序和实践操作的基本要领。

3 一些生物技术实验中的药品以及设备危害

生物技术实验室的安全管理体系主要构建在以下二种模式之上：一种是日常安全管理体系，既适合于其他各类实验室对安全管理体系的日常需要，又适合于生物技术实验室的标准化；二是在专门面对的生物安全问题(biosafety)方面，生物技术实验室应制订有相适应的生物安全技术标准，并严格地实施实验作业人员技术培训，以确保实验工作人员和设备的安全性。例如，在NIH最早制定的《重组DNA研究准则》中就已经有关于基因工程安全控制系统的明确规定，提出了可以通过物理控制和生物控制两个方面的方法来进行控制。发展到今天，世界各国有关基因工程安全管理的法律法规也都遵从了这一标准。

另外，1976年，美国加州国立健康研究中所在国际Asilomar会议研讨的基础上，提出并发表了《重组DNA研究准则X简称《安全准则》)。为减少可能出现的风险，《安全准则》除规定禁止了一些种类的重组DNA试验以外，还提出了不少具体的规范条文，例如，在生物实验安全保护方面，就明确规定了在物理保护与生物保护措施两方面的统一标准。

例如，实验人员在做凝胶时会使用溴化乙啶，在实验中应做好隔离防护工作，要穿隔离服、戴口罩、戴手套等。

另外，实验中用到的氯仿属于有毒有害试剂。卫生危险性：主要效应于心脏精神控制，产生强烈麻醉疗法效应，对心、肝、肾均有损害。环保威胁：对自然界有威胁。燃爆风险：本品不燃，危险，具刺激性。

实验中常用的仪器设备有离心机、高压灭菌锅、电泳系统、凝胶成像系统。这些仪器操作不当，会给实验人员带来极大危害。

离心机经常出现的问题有高温燃烧爆裂、操作失败、机器伤人、锈蚀致使的轮鼓破裂和反常振动等。

高压灭菌锅：由于不同的教学实验要求，各实验室所使用的大功率高压蒸气灭菌锅的品种和型式差异巨大，且学生对灭菌锅使用技术的掌握水平程度也参差不全，容易出现潜在火灾隐患，因此科学合理防范非常有必要。主要会出现的问题在于：(1)高温蒸汽灼伤；(2)灭菌锅排气带来的实验室污染。

电泳系统：因为电泳缓冲液溶液一般为酸性盐溶液，如果保持在电泳槽内，会由于水分蒸发而导致浓度发生变化，同时电泳槽的电极一般为裸露的金属，容易被电泳缓冲液污染腐蚀并电解。

凝胶成像系统：要防止EB污染仪器，就不能用污染的手套接触凝胶成像系统的门，进行软件操作时同样不能被污染的手套接触。观测用EB(溴乙锭)染色的凝胶时，注意不要污染仪器表面。千万不要用手直接接触凝胶，或戴着接触过凝胶的手套去接触仪器的门和观测台的把手。

4 对于虚拟仿真项目与生物安全教育教学相结合的建议

目前，医科高校对学生生物安全意识的培训，和对学生生物安全实验室开展高等级实践能力的培养，但由于客观条件的限制，并没有建立生物感性认识和实践训练的平台。因此急需采用新型的教学方法，使学生掌握细菌等培养的有关方法，夯实基础知识，进一步提高教学质量。将采用虚拟仿真教学方式，对学生和有关技术人员进行实验室全过程应用训练。培育学生生物安全意识，熟悉生物安全实验室的主要构造、特点以及控制原理与应用技术；学会生物安全专业技能，如生物安全实验室内的个人保护与环境防范工作要点、高污染性物质的处理技术和生物安全的实验仪器设备应用技术等。首先，测试老师在上课前通过网上培训平台上传与测试相关的教学信息资源，然后提出讨论题，并提供具体实施条件，例如通过互联网传送的PPT、教案、微课程视频、理论测试问题和导引问题。然后，由老师在课堂教学上根据学生上课时前所翻阅有关参考的情况，并交代了测试条件和目的后，有针对性地介绍了虚拟实验过程中所包含的测试技术基本原理和动作过程，并使用3D环幕版软件，展示了虚拟实验的测试过程。学生可以使用PC版软件在计算机端登录系统完成实践练习，而学生们在进行了实践和教学的交流之后，要进行实验报告，并解答教学前的引导问题。研究报告中还应包含了对虚拟仿真试验软件的评价和应用心得体会，以及与团体内其他成员的模拟试验成果进行互评。学习者在课后也可以预约VR版的实践机会，并进行相应练习，以提高实践操作过程。在确保实验者安全性的前提下，强烈的直观感受让他们摒弃了因枯燥的知识传授过程而产生抵触情绪，并帮助其正确地建立生物安全意识，从而提高生物安全保障能力，为将来实际走向的高等生物安全实验室建设提供了心理准备与知识准备。针对生物安全检测的自然环境要求特征，使用最优秀的虚拟现实仿真方法可以更高效地解答实际实验室自然环境要求的匮缺问题。通过对生物安全实验室的必要基础设施、个人保护、测验操作过程等环节的介绍，并结合了VR头盔版所提供的浸泡式体验，让每个使用者都可以“进入”生物安全试验室，以科学实验参与者的身份“使用”相关设备，让使用者在浸入虚幻现实情景与人物的同时，跟随着科学实验进行自由地探索并完成测验教学内容。为提高学习者的实际工作能力，我们将实际工作过程加以分拆，并将其中可以在实际实验教学中进行的部分项目设计为模拟仿真实验，以丰富实际工作内容；把不能“实”的训练“虚幻化”，并通过虚拟实验弥补“实”的不足，虚实结合，以完成学生在高等级生物安全实验室中进行操作的整个流程练习。

以上过程同样适用于初次进入生物技术实验室的实验人员。

结语

综上所述，实验室安全教育与虚拟仿真项目相结合具备可行性。虚拟仿真技术的加入，使实验室安全教育变得更加多样化，实验人员的人身安全可得到更有效的保障，在这样一个安全的实验环境中，实验工作将得以有条不紊地进行。