醫(yī)學微生物學實驗課教學虛擬仿真的應用

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［摘要］醫(yī)學微生物學是一門重要的基礎醫(yī)學課程，通過這門課程的學習能讓學生系統(tǒng)地掌握人類病原微生物的基本知識以及相關實驗操作技能。而目前由于醫(yī)學微生物學實驗教學課時較少，教學條件和生物安全限制等原因，實驗課的教學內(nèi)容僅僅局限于較為簡單的基礎實驗，而一些重要的、高致病性或者高危的微生物實驗則無法開展。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真教學成了解決這些問題的可行方案，通過創(chuàng)建一個虛擬仿真的實驗過程，學生可以在線體驗因各種原因而不能開設的實驗項目，這不僅能開闊學生視野，更能激發(fā)學生學習的主動性和積極性。

［關鍵詞］醫(yī)學微生物學；實驗教學；虛擬仿真

醫(yī)學微生物學是基礎醫(yī)學的一門重要課程，具有知識點分散但專業(yè)性強，與臨床緊密結(jié)合等特點。實驗教學是醫(yī)學微生物教學必不可少的組成部分，通過實驗課的學習有利于進一步理解和鞏固理論知識，使學生掌握實驗操作方法和技能，提高解決臨床實際問題能力。社會科技發(fā)展日新月異，國內(nèi)外高水平的醫(yī)學教育機構(gòu)都非常重視醫(yī)學教育的信息化的建設，教育部于2013年做出了進一步建設國家級虛擬仿真實驗教學中心的部署，多所醫(yī)學院校已經(jīng)開展虛擬仿真實驗室的建設，并取得較好的教學效果，為醫(yī)學微生物學實驗課網(wǎng)絡教學提供了良好的平臺[1]。也為基礎醫(yī)學實驗課教學帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，將醫(yī)學教育與信息化技術(shù)有效結(jié)合是現(xiàn)代醫(yī)學教育的發(fā)展趨勢。

一、醫(yī)學微生物學實驗教學現(xiàn)狀

醫(yī)學微生物學是基礎醫(yī)學教學中的重要課程，主要研究與人致病相關的病原微生物的生物學特性、致病機制、機體的抗感染與免疫、特異性檢測方法，以及相關感染性疾病的防治措施等，以控制和治療傳染性疾病，達到提高和保障人類健康的目的。通過該課程的學習，能使學生系統(tǒng)地掌握人類病原微生物學基礎理論知識，并通過實驗教學使學生掌握良好的實驗技能以及解決實際問題的能力。目前，醫(yī)學微生物學實驗教學課時少，受教學條件有限和生物安全等因素的限制，教學內(nèi)容僅局限于若干個較為簡單的基礎實驗。一些高致病性傳染病如人類微生物缺陷病、乙型肝炎等，由于其具有危險性高、檢測成本高，以及受實驗室級別的限制，一直無法開展相關實驗教學。單純通過理論教學進行講授，學生不能很好地了解這些病原微生物的檢測和診斷方法，難以達到教學目的。如何改變這一現(xiàn)狀，將高致病性傳染病相關檢測和診斷技術(shù)納入微生物實驗課程，使學生在學習相關理論知識的同時，進行相關實驗技能的學習，成為現(xiàn)代醫(yī)學微生物學教學改革的重要內(nèi)容[2]。虛擬仿真教學順應信息化教學潮流，通過將傳統(tǒng)的實驗教學與信息化改革相結(jié)合，數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信等技術(shù)構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境，使學生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展實驗，成為解決上述問題和空間限制的關鍵。

二、醫(yī)學微生物虛擬仿真實驗的特點

在完成虛擬仿真實驗時，實驗者通常在利用數(shù)字技術(shù)搭建的虛擬實驗環(huán)境中完成各種實驗項目。在實驗所依賴的各種模擬場景、實驗單元、實驗儀器和參考資料組成的創(chuàng)造和引導模擬實驗的交互環(huán)境下，實驗者通過改變實驗要素來設計不同的實驗。與傳統(tǒng)實驗教學模式相比，虛擬仿真實驗技術(shù)擁有一些獨特的特點。

（一）實驗操作虛實結(jié)合醫(yī)學微生物實驗是基礎理論與操作技能相結(jié)合的醫(yī)學教學環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學生綜合實驗技能、科研思維和創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的實驗操作過程培養(yǎng)了學生的動手操作能力，但受到諸多因素的限制，如實驗場地、教學成本、實驗動物倫理限制以及學生的實驗操作能力不足等，造成學生在現(xiàn)實學習過程中的實驗訓練效果不理想。利用虛擬仿真實驗平臺進行仿真實驗，可以使學生在虛擬的環(huán)境中反復練習，熟練操作，最后再結(jié)合實際操作，將實驗教學內(nèi)容融會貫通。平時一些無法開展的大型綜合實驗，可以用虛擬實驗的模式讓學生自行設計并操作，分析實驗結(jié)果而得出結(jié)論。虛擬仿真實驗平臺可以打破時間的限制，學生可以隨時登錄網(wǎng)絡平臺并根據(jù)自己的興趣自主開展實驗項目，有效發(fā)揮學習的主觀能動性。虛擬仿真實驗可以輔助實驗教學，但是傳統(tǒng)實驗操作也是不可替代的，教師在授課的過程中要堅持以虛補實、虛實結(jié)合的原則，有效提高醫(yī)學微生物學實驗的教學質(zhì)量。

（二）操作安全，節(jié)約成本傳統(tǒng)的醫(yī)學微生物實驗存在被實驗動物咬傷、致病性微生物感染、劇毒性藥品中毒、放射性污染等不確定風險；同時實驗動物及試劑等相關購置費用不斷上漲，大型實驗儀器設備購置、運行及維護費用等開支造成目前高校的教學運行經(jīng)費捉襟見肘。這些問題在其他基礎醫(yī)學的學科也存在，始終困擾著一些高校基礎醫(yī)學的實驗教學工作。虛擬仿真實驗技術(shù)的應用可以一定程度上解決這些問題，為學生搭建起一個低成本、無風險、可調(diào)控的實驗技能訓練平臺，實現(xiàn)基礎醫(yī)學實驗教學新模式的轉(zhuǎn)變[3]。

三、醫(yī)學微生物學虛擬仿真實驗室的優(yōu)勢

醫(yī)學微生物學的虛擬仿真實驗具有很多優(yōu)勢：①能夠增設醫(yī)學微生物學實驗項目，虛擬仿真實驗室可開設很多傳統(tǒng)難以大規(guī)模推廣的實驗，比如甲型流感病毒在雞胚和胃黏膜中幽門螺桿菌的分離培養(yǎng)。由于這些實驗材料具有高致病性，難以在實驗教學中開展，但完全可借助虛擬仿真實驗系統(tǒng)來完成這些教學內(nèi)容。②借助虛擬實驗室，可以開展一些由于實驗室條件和倫理問題而無法開設的實驗課程，拓寬學生的知識面。例如，有些實驗對實驗室要求高，比如滅活EV71抗原制備與微生物接種和腦脊液中常見病原微生物的分離鑒定。③虛擬仿真實驗室能夠激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。醫(yī)學微生物學虛擬仿真實驗可全天候開放，學習不受實驗室開放時間的限制。同時，學生能自主選擇實驗項目，激發(fā)學生的積極性和創(chuàng)造性。虛擬仿真實驗能夠?qū)⒊橄蠡癁榫唧w，實驗過程顯得生動形象，能通過良好的交互性，同時刺激學生多種感官，加強學生的觀察和動手能力，有利于知識的內(nèi)化和遷移。

四、構(gòu)建醫(yī)學微生物學虛擬實驗室需考慮的問題

與實驗室教學相比，虛擬實驗室缺少實物感，不能真正地培養(yǎng)學生的動手能力。比如實驗過程中所用到的儀器和設備，只能看得見但摸不著，這意味著學生在電腦中可很好地完成實驗操作，但是一到真實的實驗環(huán)境中可能遇到各種問題；同時，在虛擬仿真實驗室只能遇到預先設定的情景，而面對真實的突發(fā)情況可能不知所措。因此關于構(gòu)建醫(yī)學微生物學虛擬仿真實驗室，應重點考慮以下幾個方面：①增設的實驗要以學生為主體，把提高學生能力為主要目的。因此在教學目標、內(nèi)容、教學過程，以及考核都始終要以學生為主的設計思路，使學生能夠快速地掌握所學的內(nèi)容，最大限度地使學生進行自主學習。②虛擬實驗室教學本質(zhì)上是使用多媒體技術(shù)模擬現(xiàn)實的實驗場景，學生使用人機交互來完成實驗課程。將各種視頻、音頻、圖片及案例素材等豐富的教學資源進行有機整合，構(gòu)建一個與實際情況極為接近的仿真實驗環(huán)境，教學效果和現(xiàn)場教學還是有差距。

五、總結(jié)

總而言之，目前虛擬仿真實驗教學是一種方便、快速、能夠模擬現(xiàn)實實驗過程的一種教學方式。關于醫(yī)學微生物學實驗課的線上教學，通過結(jié)合虛擬仿真實驗，能夠讓學生學習一些由于價格、生物安全等條件限制不能在現(xiàn)實實驗室開展的實驗課程，能大大提高教學效果和學生的學習興趣。但是，虛擬實驗教學也具有一定的局限性，并不能完全取代現(xiàn)實教學。因此，將虛擬實驗和實驗室實驗教學有機結(jié)合，做到優(yōu)勢互補，才能達到提高教學質(zhì)量的目的。

參考文獻

［1］王艷芬.關于醫(yī)學微生物學實驗教學的幾點思考［J］.生物技術(shù)世界,2014(8):179-179,182.

［2］高麗麗,等.虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學微生物學實驗教學中的應用［J］.廣東化工,2017(18).

［3］楊閩楠,等.醫(yī)學微生物學虛擬仿真實驗平臺建設初探［J］.基礎醫(yī)學教育,2018,20(2):137-140.

作者：劉鵬 陳列松 曾燚華 單位：南華大學