虚拟仿真实验在实验中心平台建设中的作用——以细菌学检验中霍乱弧菌检测为例＊

昆明医科大学公共卫生学院 尚丽蓉 马伊婷 张敏 邹伟

近年来虚拟仿真实验发展迅速，因其逼真的模拟操作、缩减的成本和安全可靠的特点，在实验平台建设中发挥不可替代的作用。虚拟仿真实验打破传统实验的时空限制，可进行教学实验室难以开展的危险性实验。本文以霍乱弧菌虚拟仿真实验为例进行论证，简述虚拟实验在实验平台建设中的作用，以期完善实验平台的建设，提升学生的创新能力和科研素养的培养。

虚拟现实是一种利用信息化手段进行实验操作的技术，通过多媒体与仿真技术的有效融合，打造一个集视觉、听觉于一体的虚拟环境，使学生能在该虚拟环境中最大限度地模拟实验操作或者与实验主体进行交互体验，从而产生身临其境的感受[1，2]。以本学校的公共卫生学院里的卫生检验与检疫专业为例，在专业课的学习中，例如细菌学检验、病毒学检验、毒理学基础、化妆品检验、水质理化检验等一系列专业课程中，都是需要以实验作为支撑，但很多实验都需要依托安全等级高的实验室才能进行，学校现有的条件并不能满足，对于学生的培养不能全面的开展，若依托于虚拟仿真实验技术，学生可以在此平台上进行操作练习，特别是在现有的实验条件不能满足的情况下，此外还可以练习一些平时难度系数大的实验，使学生能接触到更多的实验，对于学生提升自己的动手实验能力有很大的帮助。

1 传统实验平台现状与局限

实验平台的建设对高校的发展有着极其重要的作用，平台给予学生充分的空间进行实验操作。以某医科大学预防医学实验中心为例，该实验中心具有BSL1和BSL2实验室，但依据实验室生物安全管理条例，中心不具备BSL-3实验室，不能从事高致病性病原微生物实验研究和教学工作[3]，这与培养从事疾病预防控制的高水平公共卫生人才产生矛盾。实验室拥有多媒体教学设备，配有常规的试剂耗材，但部分实验室可容纳人数有限，上课班级人数较多，进行实验教学时学生座位拥挤，使得学生操作范围受限，后排同学的视线也会由于实验室台面布局而受到阻碍，一定程度打消了同学对实验课的积极性。在传统实验教学中，实验平台建设资金分配比例不同，造成验证性实验教学占比较大，缺乏自主设计实验和综合类实验。在验证性实验中学生只会按图索骥，重复已设计好的实验步骤，缺乏自主性，同时在遇到无法解决的问题时，教师也不能对全部学生进行逐一指导。实验室虽配备昂贵精密仪器，但由于使用复杂，无法保证每位同学均能使用，同时部分学生操作不规范，也会导致仪器的精密度下降、灵敏度降低等问题出现，且精密仪器还需有专门的技术人员来进行维护和管理，耗费一定的人力、物力。

2 虚拟仿真实验在实验平台建设中的实施

2.1 虚拟仿真实验项目应用内容——以霍乱弧菌为例

霍乱弧菌是引起霍乱发生的病原菌，通常由摄入被霍乱弧菌污染的水源或食用被其污染的食物引起，属于我国传染病防治规定的2种甲类传染病之一。霍乱主要引发严重的消化系统疾病，主要症状包括急性腹泻和恶心呕吐，会造成患者严重脱水，若治疗不及时，患者会在数小时内发生腹泻脱水，甚至死亡[4]。检验霍乱弧菌需要经过如下步骤：

（1）采集样本，需在24h内进行检验；（2）为确保能检出目标菌，需进行两次连续的选择性增菌培养；（3）将两次增菌培养得到的培养物接种于TCBS琼脂和CHROM ID VIBRIO弧菌显色培养基平板以获得分离纯化的菌落；（4）鉴定时首先选择可疑菌落并纯化菌落，其次进行初步鉴定，可采用显微镜下检验、氧化酶试验、氯化钠三糖铁试验、生化测试菌株选择4种方法，然后通过鸟氨酸脱羧酶试验、赖氨酸脱羧酶试验、精氨酸双水解酶试验、β-半乳糖苷酶试验、靛基质试验、氯化钠耐受试验、O/129敏感试验等试验进行生化确认；（5）采用血清分群试验、血清分型试验或试管凝集试验来进行血清学凝集试验；（6）采用多粘菌素B敏感试验、溶血试验或V-P试验来进行O1群霍乱弧菌生物分型试验；（7）报告结果：检出O1、O139及非O1群霍乱弧菌的，要在24h内呈报到上一级实验室做进一步鉴定或复查，并报告相关部门。因为霍乱弧菌属于生物因子危险度Ⅲ级，涉及到霍乱弧菌的实验需要在Ⅲ级防护实验室，但实验中心不具备Ⅲ级防护实验室，无法开展此类实验，所以虚拟仿真实验在实验平台建设中显得尤为重要，学生可通过虚拟仿真实验进行霍乱弧菌的有关实验。

2.2 虚拟仿真实验的开展

国内众多高校和研究所一直在积极利用VR/AR技术，并拓展到人机交互和三维展现技术等方面。通过建立和完善适合不同专业学生的虚拟实验项目，实现在现实环境中不具备条件或者难度较大的实验项目虚拟化，确保模拟环境的实验效果具有高逼真度，与现实环境实验保持一致[5]。目前预防医学实验中心已有虚拟仿真实验设备，可供学生进行如检测霍乱弧菌类似的复杂且危险性高、成本高的实验。虚拟仿真实验应用范围广，可用于多类实验的操作练习。在传统实验教学条件下，学生的课时数有限，实验室条件有限，为使实验能顺利开展，多数实验都以分小组的形式进行，这就会造成部分学生不能亲手操作缺乏参与感，且多人操作会出现较大的实验误差，影响实验结果的准确性。在虚拟仿真实验平台中，每位学生都有独立完成整个实验的条件，平台可容纳班级内所有人同时在线进行实验操作，提高学生对实验操作的积极性。虚拟仿真实验不受时间、地域的影响，只要有计算机平台就可开展。虚拟仿真实验给学生的学习提供自由和灵活的实验课程，越来越得到认可[6]。同时，实验室平台对全校进行开放，为学生打造一个多学科交叉的实验平台，凝练实验平台建设特色，吸引更多学生参与到实验研究中，为学校培养更多优质学生。

2.3 虚拟仿真实验的操作及评价

虚拟仿真技术将传感器、计算机等与物理模型和环境相结合，极大地增加了操作的真实性与体验感，依托于计算机网络系统，选择需要进行操作练习的实验，查看全部的流程图，点击跳转本实验开始进行实验操作，待实验加载完毕后阅读实验目的与实验原理后开始进行实验操作；进入操作页面后，系统首先会进行实验器材介绍，阅读完毕后点击确认即可开始实验操作，在进行实验操作练习时，我们需要在页面的右边选择正确的实验器材才可顺利的进行下一步骤，在实验操作界面会有系统提示做下一步骤，可根据提示进行逐一操作，在实验的重要环节系统也会给出提示页面，使用者可进行阅读加深印象，在点击确认后接着进行后续实验操作，系统会根据使用者在选择一些重要的器材时的正确性来进行评分，形成最终的实验报告，对使用者进行的实验操作给出一个客观的评价。

2.4 虚拟仿真实验在实验平台建设中的效果

虚拟仿真实验在实验平台建设中取得显著成效，做到虚拟与现实、理论与实践相结合。通过虚拟实验中知识点的呈现和多次操作练习，学生熟练掌握专业基础知识和操作技巧，了解BSL-3和BSL-4实验室实际环境，激发学生学习主动性，培养实验兴趣，提高动手能力，为今后进行实际实验奠定良好的基础。此外，以图文、声音相结合的方式生动的展现操作过程以加深对实验的印象，增强学习的趣味性。研究生可利用此平台对所学领域的实验部分进行提前的操作演练，减少实验阶段前期探索消耗的精力与资源。通过虚拟仿真实验提供的结果分析，学生能知晓实验过程中的错误，从而注意实验操作的规范性。教师从统计结果中分析出学生在操作过程中出现的主要错误和不规范操作，以便在后续的教学中纠正学生的错误，也可利用虚拟仿真平台的场景优势，考察学生的操作技能和安全意识。在实验平台建设中，虚拟仿真实验与传统实验有机结合，保证了公共卫生领域学生培养的质量。

3 虚拟仿真实验在实验平台建设中的优越性

3.1 实现复杂且危险实验操作的可行性

在实验平台建设的基础上引入虚拟仿真实验，增强了复杂且危险实验的可行性。本科生所开展的实验教学中，有很大一部分难以进行实际操作如霍乱弧菌的有关实验，一是没有成熟的实验条件，二是会有感染的风险。然而缺乏相应实验操作的经验，会导致在后续的工作中遇到类似的危险病原菌无从下手。虚拟仿真实验没有关乎安全因素和实验条件的顾虑，可使学生沉浸式体验这类危险实验的操作，并了解更多病原微生物知识，为工作积累宝贵的经验。当然，一些实验项目可在传统实验室中开展，对学生有一定的教育性，但由于实验复杂且难以控制很难完成整个实验，并且很难得出预期的实验结果，这类实验也可利用虚拟仿真实验来准确完成整个操作。此外，实际操作过程中难以观察到很多精密仪器的内部构造和理解仪器工作原理，造成仪器操作不熟练甚至是仪器损坏情况的出现。在虚拟仿真实验中，可形象的观察精密仪器的内部构造和主要性能，无限次使用仪器对某种物质进行测定最终达到熟练操作的目的。

3.2 完善实验平台建设，提高实验教学效率

虚拟仿真实验的完善在实验平台建设中迈出重要的一步，它打破了传统实验教学的限制。在传统实验教学中，教师有自己的授课节奏，以讲解演示为主，不能顾及到所有学生的接受理解能力，导致部分学生在讲解过程中不能理解实验原理，但学生仍按部就班完成实验，缺乏独立思考。实验结束后，学生撰写实验报告，教师批阅打分，在此教学模式下，教师过多的注重实验结果，忽视了学生的操作过程。此外，受实验室布局的影响，老师在介绍实验仪器的使用时，不是所有学生都能观看到并掌握仪器的正确使用方法。部分实验周期过长且学生不熟悉，会浪费过多的时间。学生可利用虚拟仿真实验平台进行课前预习，以解决实验过程中所产生的一系列问题，预判易错点，标明注意事项，加快实验操作进度，提高实验操作能力。教师通过虚拟仿真实验平台查看学生操作过程，发现并分析错误，进而有依据的改进与完善。通过虚拟仿真实验与传统实验的有效互补，完善了实验平台的建设，给学生提供优质的实验课学习平台，提高实验教学效率，拓宽了实验教学的深度与广度。

3.3 增强实验平台建设的创新能力，提高学生科研素养

大学生创新创业能力的教育和培养离不开实验室平台的建设[7]。虚拟仿真实验在实验平台建设中有很多创新，首先，它弥补了传统实验室的不足，开阔了学生的视野，提高实践操作能力，节省实验室资源，实现平台资源共享。其次，紧跟国家科技发展步伐，利用平台进行自主实验设计，培养创新性思维和科研兴趣，提高学生的科研素养[8]。最后，在本实验平台可积累宝贵的经验，提高以后的工作能力，有效解决各种棘手的问题。师生利用计算机网络进入虚拟仿真实验平台进行实验教学和实验操作练习，避免了出现线下教学处于密闭空间中的多人聚集现象，确保高校开展实验课教学中师生的安全性。通过虚拟实验操作竞赛，学生可体会到到实验过程的艰辛及团队合作的重要，并享受创造的快乐和成功的喜悦，从中受益匪浅。

4 结语

总之，通过此类平台与传统实验教学的结合，提高了学生的科研素养。同时，在建设过程中应加强调查研究，及时反馈建设成果，进一步通过举办大型精品活动、加强仪器设备开放使用等促进平台建设，推动实验室建设向更高层次发展。此外，虚拟仿真实验与传统实验形成互补，推进教学手段创新，完善实验平台建设，促进高校人才培养。

引用

[1]王世燕,袁顺东,张亚萍,等.虚拟实验平台建设与数值模拟方法在液晶综合实验中的应用及实践研究[J].大学物理实验,2022,35(2):1-6+34.

[2]汤文莉,毕伏龙.医学虚拟仿真实验教学的研究与实践[J].内蒙古民族大学学报(自然科学版),2016,31(01):86-88.

[3]许雨乔,宋为娟.虚实结合的新型教学模式在微生物检验实验教学中的应用[J].现代医药卫生,2022,38(18):3202-3204.

[4]温娟,张建梅,陈泽辉,等.霍乱弧菌H2C全基因组测序及序列分析[J].中国卫生检验杂志,2022,32(15):1807-1810.

[5]高文曦.虚拟仿真实验教学项目应用研究[J].软件导刊,2022,21(09):184-189.

[6]肖文波,张华明.虚拟仿真实验课的现状对策分析[J].电子技术,2020,49(07):44-47.

[7]刘雅静,曹云霞.重点实验室平台建设对大学生创新创业能力培养的探索与实践[J].科教文汇,2022(10):9-12.

[8]宋凤兰.高校创新实验平台建设的几点思考[J].广东化工,2014,41(15):281-282.