破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗建設

王曉楠, 李京培, 唐媛媛, 劉莉茵, 李 群

(安徽醫(yī)科大學 基礎醫(yī)學院, 安徽 合肥 230032)

破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗建設

王曉楠, 李京培, 唐媛媛, 劉莉茵, 李 群

(安徽醫(yī)科大學 基礎醫(yī)學院, 安徽 合肥 230032)

針對病原生物學實驗教學中存在的生物安全問題,將虛擬仿真技術應用于病原生物學實驗教學,設計了破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗。通過該實驗,學生可以有序地完成原來難以實現(xiàn)的病原生物學實驗操作,循序漸進地掌握實驗的全過程。借助于虛擬仿真實驗教學平臺,可解決病原生物學實驗面臨的實驗室生物安全等問題,同時能有效激發(fā)學生的學習興趣,提高學生實際操作能力。

虛擬仿真實驗； 病原生物； 破傷風梭菌； 實驗教學

病原生物學是醫(yī)學專業(yè)一門重要的基礎課程,是生命科學的重要組成部分,有著很強的實踐性和應用性。病原生物學實驗是一門重要的、獨立的教學課程,主要通過學習基本的病原生物學的實驗操作,熟悉病原生物的形態(tài)、致病機制、預防診斷以及治療方法,增強學生對病原生物的感性認識,促進學生對病原生物學的深入理解。病原生物學實驗需要實訓場地和大量配套的實驗器材,然而有資料表明,由于實驗室防護措施或制度不完善,極易造成病原生物感染事故[1-2]。因此,很多病原生物學實驗在普通醫(yī)學高校的普通實驗室難以開展。

近年來,虛擬仿真技術已經應用于很多專業(yè)的實驗教學,如機械[3]、電子[4]、醫(yī)學等[5],并且取得了豐碩成果。借助虛擬仿真實驗平臺,可以讓病原生物學實驗教學的表現(xiàn)形式豐富多彩，且具有直觀性和可操作性。虛擬仿真技術為目前病原生物學實驗教學提供了虛實互補的有效途徑,有效推進了教學改革的進程。本文以虛擬仿真破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗為例,介紹病原生物學虛擬仿真實驗的設計及開發(fā)。與傳統(tǒng)實驗相比,虛擬仿真實驗在很多方面更具有優(yōu)勢。

1 傳統(tǒng)的病原生物學實驗教學面臨的挑戰(zhàn)

隨著高等教育事業(yè)的發(fā)展,很多普通高等醫(yī)學院校都遇到實驗場地、設備、師資等實驗教學資源短缺的問題,加上病原生物學專業(yè)的特殊性,傳統(tǒng)的實驗、實踐教學模式面臨重大挑戰(zhàn)。

1.1 實驗教學項目設計缺乏完整性

多年來,病原生物學實驗教學處于教學從屬地位,實驗內容多側重于驗證性實驗,而自主實驗及綜合性實驗項目明顯不足。例如破傷風梭菌實驗過程有很多操作流程,包括破傷風梭菌菌種的復蘇、菌種復壯、菌毒素制備、實驗動物的分組與注射、實驗動物的觀察、實驗結束的清場這6個流程。其中,每個流程都包括了病原生物學的經典實驗操作。

破傷風梭菌是厭氧菌屬的代表菌。由于破傷風梭菌的病原生物學特殊性和實驗課時的限制,在傳統(tǒng)的破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗中,學生只參與對示教性實驗動物的觀察,主要實驗環(huán)節(jié)都是由實驗教師操作的,學生對整個實驗操作流程缺乏完整性的學習,也沒有實際動手操作,對該實驗的印象不深。而破傷風梭菌引起的破傷風在臨床上仍很常見,它也是執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試大綱需要掌握的內容。這樣的實驗教學不利于對醫(yī)學生實踐能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2 教學手段無法與時俱進

傳統(tǒng)的破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗教學采用教師示教、講解,學生按照實驗指導按部就班地觀察實驗結果,然后撰寫實驗報告。這樣的實驗教學缺乏豐富多樣的教學方法和手段,難以激發(fā)學生的學習熱情,實驗室也難以做到真正意義的開放,不利于學生自主學習和規(guī)范化的實驗技能培養(yǎng),實驗教學效果難以得到保證。

1.3 實驗存在生物安全風險

破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗的實驗菌種是真實致病的破傷風梭菌,具有一定的致病性,存在著一定的生物安全風險。該項實驗教學的各個環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)安全問題,如實驗菌種、接種毒素的實驗動物、實驗操作、實驗廢棄物的處理等都存在著生物危害與生物安全問題,一旦操作失誤就會對學生的健康造成威脅,也給學校實驗室的安全管理帶來很大壓力。

1.4 實驗準備工作量大但學生覆蓋面窄

在破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗中,破傷風梭菌毒素感染的小白鼠一般在感染后24～48 h出現(xiàn)癥狀,在感染后72～96 h死亡。毒素毒力的衰減、小鼠批次不同和實驗室環(huán)境溫度等因素均對實驗結果有影響。在傳統(tǒng)實驗課中,為了保證每個班級上實驗課的學生都能看到發(fā)病的實驗小白鼠肌肉痙攣的現(xiàn)象,實驗教師需要在不同時間反復進行小白鼠感染,工作量很大。此外,由于我校在校學生多、專業(yè)設置多,破傷風實驗動物只供臨床醫(yī)學專業(yè)學生觀察,使用覆蓋面窄,而其他專業(yè)的學生連實驗現(xiàn)象都無緣觀察,更不用說參與整個實驗操作過程。學生缺乏鍛煉機會,不利于學生動手能力的提高及對實驗的理解。

2 虛擬仿真實驗的設計

虛擬仿真實驗是利用多學科的綜合性技術,以計算機和專用設備為工具,提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬,同時在虛擬實驗中設計人機交互,讓使用者如同身臨其境一般,利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行的動態(tài)實驗[6]。

2.1 實驗教學背景

根據(jù)病原生物學教學大綱和國家執(zhí)業(yè)醫(yī)師資格考試大綱的要求,以破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣實驗作為虛擬仿真實驗設計對象,通過仿真、多媒體等技術及相關設備,將操作實踐與實驗材料、實驗儀器、實驗內容、實驗動物、實驗方法步驟等有機結合,設計了破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗。該虛擬仿真實驗不但能夠觀察破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣的作用,而且可以對仿真菌種或實驗動物等進行虛擬操作,參與實驗的全過程,獲得身臨其境的學習體驗。

2.2 實驗內容

將破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗做成一個模塊化系統(tǒng),系統(tǒng)由破傷風梭菌的理論知識點復習、實驗目的與原理、實驗結果與討論、實驗視頻、思考題、虛擬實驗操作等6部分組成。學生可以隨時隨地觀看和自主學習相關的理論知識和實驗視頻,掌握繁瑣復雜的破傷風實驗的整個過程,然后進行虛擬實驗操作。

實驗視頻包括實驗材料的準備、破傷風梭菌菌種的復蘇、增菌培養(yǎng)、菌毒素制備、配制不同稀釋度的菌毒素、實驗動物的分組與注射、實驗動物的觀察、實驗結束的清場等整個實驗過程。實驗視頻含有國標配音,對每一步關鍵的實驗操作點,都有詳細的配音講解,使學生能全面了解破傷風梭狀芽胞桿菌毒素的制備過程和感染小鼠發(fā)病死亡的過程。實驗視頻直觀、真實地展示了破傷風梭狀芽胞桿菌毒素強烈的神經毒性作用,也避免學生直接接觸有感染性的病原體和受感染的小鼠,使實驗室生物安全得到了保障。

虛擬實驗操作是整個虛擬仿真實驗系統(tǒng)的重點,也是唯一可以由學生自主操作的實驗部分。學生必須掌握實驗器材及試劑、實驗步驟、實驗結果、注意事項等相關的理論和實驗知識才能進入系統(tǒng)操作。學生只有正確完成了當前的實驗操作,系統(tǒng)才允許其進入下一步操作,直至完成全部操作。破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗系統(tǒng)提供了生動、逼真的學習情境,使實驗教學更加生動,可以激發(fā)學生的學習興趣,提高實驗教學質量。

2.3 項目特色

筆者設計的破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗項目具有4個特點。

(1) 內容完整。該實驗項目不僅涵蓋了破傷風梭菌的理論知識,還含有實驗操作,使學生從理論到實驗循序漸進地學習破傷風梭菌毒素的所有知識點。

(2) 形式多樣。實驗操作不僅包含實驗視頻,還有虛擬實驗動畫操作；學生可以先觀看視頻,然后再動手操作,身臨其境地完成實驗操作的整個過程。

(3) 實驗操作完整。實驗操作包括實驗準備、實驗操作、實驗結果、實驗結束清場。學生不是片面地了解實驗某個過程或實驗結果,而是整體把握實驗全過程,有利于知識的融會貫通,更好地參與今后的綜合性和設計性實驗。

(4) 功能靈活。虛擬仿真操作實驗系統(tǒng)可以在Web下進行,擁有三維實驗環(huán)境和可視化的實驗對象,真正實現(xiàn)實驗交互,有利于激發(fā)學生的學習興趣和學習的主動性。

3 虛擬仿真實驗項目開發(fā)的意義

3.1 不受實驗室時空限制,提高學生學習的主動性

病原生物學的實驗內容多,并且存在安全風險。某些項目操作過程復雜、技術要求高,學生想熟練掌握這項操作必須經過反復練習，但單純在實驗室進行練習的時間和空間有限。虛擬仿真實驗不受時間和空間的限制,學生可以隨時隨地進行實驗、練習。虛擬仿真技術提供了逼真的實驗情境,使實驗教學更加生動,從而激發(fā)了學生的學習興趣,提高了實驗課的教學質量。

3.2 教學手段先進,提高實驗的效果

虛擬仿真實驗具有很好的逼真性、沉浸性和交互性,可以讓學生在虛擬但如身臨其境的學習情境中扮演一個角色,全身心地融入到學習情境中去。開發(fā)的破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗項目具有內容豐富、圖文并茂、動靜結合的特點,并以視頻、圖像等豐富的表現(xiàn)力幫助學生進行多感官的學習,使學生樂于參與、樂于學習,從而提高學生主動學習的意識,提高實驗課的教學效果。

3.3 提高效率,合理配置實驗教學資源

傳統(tǒng)的破傷風實驗課每學期需準備20～30次,實驗教學經費壓力較大。虛擬仿真實驗項目的開發(fā),只需一次性投資,教學資源便可以長久使用,真正做到無損耗,降低了實驗室建設成本,使有限的實驗教學經費用于學生的綜合性和開放性實驗,從而合理配置實驗教學資源,提高教學經費的使用效率。

3.4 避免危險,保障實驗室生物安全

虛擬仿真技術應用于實驗教學,有利于減少資源消耗與環(huán)境污染,可以避免學生直接接觸有感染性的病原體和受感染的小鼠,避免了學生真實實驗操作所帶來的各種生物安全危險,實驗室的生物安全得到了保障。

4 結語

醫(yī)學虛擬仿真實驗是醫(yī)學與信息技術深度融合的產物,在生物醫(yī)學實驗教學、臨床教學、疾病診斷、假體植入、手術模擬、康復保健、遠程醫(yī)療等諸多方面有著廣闊的應用前景,近年來已應用于國內外多所醫(yī)學院校的實驗教學中[7-12]。虛擬仿真實驗具有激發(fā)學生學習興趣、內容豐富、體驗逼真、安全無污染、節(jié)約成本、高效開放等特點,所取得的學習效果等價于甚至優(yōu)于真實實驗所取得的效果。基于病原生物學實驗的生物安全性問題,特別需要在實驗教學中更新教育理念、豐富實驗教學的內容和形式,探索新的教學手段和教學方法,促進實驗課程的融合與改造。我們將把虛擬仿真實驗應用于病原生物學的其他實驗教學中,為現(xiàn)有的實驗教學開辟新的途徑。在開發(fā)破傷風梭菌毒素致小鼠肌肉痙攣虛擬仿真實驗的基礎上,繼續(xù)開發(fā)病原生物學的其他虛擬仿真實驗項目,大力推進實驗教學改革的步伐,使之更加有利于培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力,培養(yǎng)學生協(xié)作、創(chuàng)新和動手的能力,為提高學生綜合素質發(fā)揮應有的作用。

References)

[1] 李婉宜,李華,鄺玉,等.病原生物實驗室生物安全保障體系的建設與思考[J].實驗科學與技術,2013,11(1):155-157.

[2] 劉曉革,賴天兵,劉建高,等.湖南省病原微生物實驗室生物安全管理現(xiàn)狀調查[J].實用預防醫(yī)學,2016,17(6):1212-1213.

[3] 呂明珠.虛擬仿真技術在液壓與氣動實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2015,32(4):144-146.

[4] 晁政,劉鴻宇,黃武,等.虛擬仿真教學的發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子世界,2014(19):168.

[5] 周學東,張凌琳,葉玲,等.虛擬仿真技術在口腔醫(yī)學教育領域的應用[J].實驗技術與管理,2014,31(5):4-6.

[6] 原蕓姿,沈丹,姜秀文.虛擬仿真技術在《護理學基礎》實驗教學中的探索應用[J].中國校外教育(下旬刊),2014(11):95.

[7] 馮軍,胡曉松.虛擬仿真技術在醫(yī)學實驗教學中的應用[J].科技創(chuàng)新導報,2015(20):118-119.

[8] 杜鵑,尹艷艷,沈兵.虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)在機能學實驗中的運用[J].基礎醫(yī)學教育,2015,17(2):155-156.

[9] 李忠玉,唐雙陽,周洲,等.虛擬仿真實驗在醫(yī)學微生物學實驗教學中的應用體會[J].基礎醫(yī)學教育,2016,18(2):135-136.

[10] 曹靜,潘麒伊,陳耀星,等.虛擬仿真技術在動物解剖學實驗教學中的應用[J].家畜生態(tài)學報,2016,37(4):89-92.

[11] 賀小兵,劉登均,王明貴,等.虛擬仿真手術在腰椎轉移性腫瘤中的應用[J].局解手術學雜志,2015,24(1):23-26.

[12] 王博,楊群,張衛(wèi)國,等.膝關節(jié)鏡虛擬仿真模擬手術系統(tǒng)的培訓效果評價研究[J].醫(yī)學研究與教育,2014,31(4):91-94.

Construction of virtual simulation experiment in pathogeny biology experimental teaching by taking experiment of muscle cramps in mice by clostridium tetanus toxin

Wang Xiaonan, Li Jingpei, Tang Yuanyuan, Liu Liyin, Li Qun

(School of Basic Medicine, Anhui Medical University, Hefei 230032, China)

In view of the problems existing in the experimental teaching of pathogeny biology, the virtual experiment teaching plan applied in the experiment of muscle cramps in mice by clostridium tetanus toxin is designed. After the training on the platform, the students could gradually grasp all the aspects of the experiment from theory to practice. With the virtual simulation experimental teaching platform, the laboratory biosafety in pathogeny biology experiment can be solved. At the same time, it can stimulate students’ interest in learning and improve students’ practical ability.

virtual simulation experiment; pathogeny biology; clostridium tetanus toxin; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.029

2016-11-29

安徽省高等學校省級質量工程項目(2015xnzx030)；安徽醫(yī)科大學國際教育類教學研究項目(gjjyxm201516)

王曉楠(1982—),女,安徽合肥,碩士,實驗師,主要從事病原生物學與免疫學實驗教學與科研工作.

R378.8+1；G642.423

A

1002-4956(2017)5-0119-03