基于虛擬仿真技術的臨床生化實驗教學模式探討

應俊，姚蔚，李佩珍

（溫州醫科大學 檢驗醫學與生命科學學院，浙江 溫州 325035）

虛擬仿真技術是在多媒體、網絡、信息化等現代教育技術迅猛發展的基礎上，將仿真技術與虛擬現實技術相結合的一種更高級的仿真技術。隨著科學研究的深入發展，虛擬仿真技術日漸成熟和完善，正逐步從理論研究走向實際教學[1]。充分運用虛擬仿真技術改善教學方法、擴展實驗內容、提高本科教學質量成為高校實驗教學改革的一個新方向。

臨床生物化學是醫學檢驗專業的核心課程[2]，其實驗課的教學質量關系到醫學檢驗學生的動手能力、綜合素質，關系到學生畢業后能否很快勝任臨床檢驗工作。如何提高臨床生化實驗課教學水平，培養具有扎實臨床實踐基礎的醫學檢驗創新人才，已成為高校教學改革的重點[3]。然而，傳統實驗教學存在的諸多問題極大地影響了臨床生化實驗教學質量的提高，而近年來基于網絡的虛擬仿真實驗技術的出現為該問題的解決提供了可能。

1 臨床生化傳統實驗教學的不足

目前臨床生化實驗教學大多采用傳統的板書模式：實驗帶教老師講解實驗理論、操作步驟、注意事項及臨床作用等；實驗技術員調試實驗儀器、配制實驗試劑；學生按照實驗講義進行實驗步驟、書寫實驗報告單[4]。當前臨床生化傳統實驗教學存在諸多問題：①實驗教學資源不足。由于實驗教學經費有限，許多大型儀器因費用昂貴不能得到及時更新，加之學生的人數大幅增加，不能滿足學生對專業學習的要求，造成理論學習與實踐脫節，不利于培養學生的實踐創新能力。②實驗教學內容單一，學生積極性不高。臨床生化實驗內容多為單一的驗證某項指標，先由老師講解實驗步驟，然后學生開始按部就班地操作實驗，是一種被動學習過程，不能有效激發學生的學習動力[5]。

2 虛擬仿真實驗教學模式及其特點

虛擬仿真實驗是以計算機為中心，通過3D動畫生動形象地再現逼真的實驗器材、實驗操作過程，增強實驗的趣味性，可以使實體實驗和虛擬實驗互為補充。實驗者可以在仿真環境中完成各種實驗內容，所獲得的實驗效果與實體環境中的實驗效果相當，甚至更好，尤其對于需要高成本的大型綜合性實驗項目，虛擬仿真教學優勢顯著。

虛擬仿真實驗教學模式的特點[6-7]：①學生在虛擬實驗室通過虛擬儀器和虛擬物品的操作來觀察、參與實驗，沒有器材和試劑的消耗，使得實驗經費大為降低。②吸引學生參與實驗，調動學生學習的主動性。虛擬仿真實驗應用于教學，可以幫助學生更好的理解不能在課堂上進行操作的實驗項目。如“血清丙氨酸轉氨酶的活性測定”實驗時，已知它的反應是負反應，隨著反應時間的延長，吸光度逐漸降低，手工操作時，學生理解起來比較抽象；而在虛擬實驗室，學生通過電腦屏幕可以直觀地查看反應進程，使教學更加的生動。③打破了時間和地域的限制，學生能更靈活的安排時間，按自己的進度選擇學習內容。④拓展實驗項目，使得不常見的實驗在虛擬實驗中定制完成。如可以增設一些與臨床生化相關的前沿研究內容，或開設常規實驗比較困難的，耗時長且成本高，但學生卻比較感興趣的實驗內容（如家兔OGTT模型的建立與測定、酸性磷酸酶的提取和活性測定）

3 臨床生化檢驗虛擬仿真實驗教學平臺的構建

根據醫學檢驗專業的人才培養實際需求[8]，結合《臨床生化檢驗》課程特點，以培養學生的創新實踐能力為核心，采用3D虛擬和VR技術，探索構建了臨床生化虛擬仿真實驗教學平臺，主要包括自動生化分析儀的使用、常規項目的檢測、質量控制和規范操作和臨床案例分析[9]。

3.1 自動生化分析儀的使用模塊 自動生化分析儀價格昂貴，并存儲在一間獨立的教學實驗室，導致實驗教學與臨床實驗室的自動化模式無法很好地連接。為此我們通過開展生化分析儀的虛擬仿真培訓，介紹儀器的系統組成、檢測原理、常規操作、維護保養等情況（見圖1）[10]。虛擬仿真平臺中通過視頻錄像，介紹自動生化分析儀的設備結構和系統組成；通過演示文稿加動畫編寫分析儀的檢測原理；通過虛擬仿真技術建立分析儀的常規操作步驟：開機、關機、更換試劑、樣品檢測、報告結果、維護保養等。一方面，為實驗教學提供大量便捷的實驗教學資源，提高了儀器設備的培訓效率；另一方面，通過反復多次的虛擬操作，可以為真實的儀器上機打好基礎，提高實驗教學效果。

圖1 自動生化分析儀的模塊框圖

3.2 常規項目的檢測模塊 實驗項目的參數設置是最難的部分，學生一般認為參數知識抽象細碎、難以區分，而虛擬仿真教學就具有明顯優勢。該模塊模擬自動生化分析儀可進行定時法、連續監測法等各種反應類型的分析測定，采用人機對話的方式把要檢測的10多個項目的各參數輸入儀器進行貯存，也可以自己編寫實驗項目、方法、試劑等條件進行檢測（見圖2）。連續監測法主要以血清谷丙轉氨酶（速率法下降）、堿性磷酸酶（速率法上升）的測定為代表，固定時間比色法以血清總蛋白（終點法上升）、葡萄糖（終點法上升）、總膽紅素（終點法下降）、直接膽紅素（終點法下降）為例子。如通過對常規項目堿性磷酸酶（ALP）的檢測，學生可以將ALP理論應用到反應類型、反應波長、反應讀數點的選擇，根據試劑盒的參數選擇Reagent/Sample的比值、反應的延遲時間等；待學生思考作答后，課件會對學生每一步的選擇做出對或錯的判斷結果。在一些關鍵實驗部分，可以設置放大鏡等功能，幫助學生更好的觀察實驗內容[11]。

圖2 常規項目檢測的模塊框圖

3.3 質量控制和規范操作模塊 目前，臨床檢驗的質量控制越來越受到人們的重視和青睞，每個項目都進行室內質控、室間質控，以保證結果的準確性。但由于影響檢驗結果的因素很多，常常出現檢驗結果與臨床表現不符合的現象，造成誤診[12]。通過虛擬仿真技術，把質控品的處理、檢測過程、判斷規則、失控處理等角度全方位展示整個質控操作流程，便于學生對室內質控圖的類型、Levey-Jennings質控圖的繪制方法等都有充分理解和掌握。

雖然醫院檢驗科的設備自動化程度越來越高，但是基本的手工操作技能也是必不可少的。我們將整個生化檢驗實驗中涉及到的常用操作技能制作成虛擬仿真短片，替代課上教師的動作示范，主要包括刻度移液管的正確使用、移液槍的使用、電子分析天平的使用、試劑的配制、樣本的正確稀釋、分光光度計的性能檢查和日常監測等。教師可以在視頻播放過程中隨時暫停，關鍵動作可以一遍又一遍的播放，加深學生的記憶和了解操作流程的難點，使學生在進行實驗操作時更加規范。

3.4 臨床案例分析模塊 精選臨床醫療案例是實施臨床案例分析的基礎和前提，我們依據教學大綱和培養目標，根據不同的實驗要求在附屬醫院檢驗科篩選一些真實的案例，讓學生自己選擇相應的檢測項目。如根據患者手足抽搐的臨床典型癥狀，分析考慮是否為低鈣所致，故首選檢測血和尿中游離鈣的濃度，然后要自己編一套程序完成鈣的測定。在尿素氮測定的實驗中，給學生一份簡明典型的痛風患者病歷，引導學生討論這份病例的可能病因，讓學生選擇需要檢測的生化指標，并在模擬自動生化分析儀上對標本進行檢測，分析結果，討論可能的診斷。通過引入典型案例把基礎知識和臨床實踐相結合，可以使學生牢固地掌握和靈活運用所學知識，而且通過現實問題的解決，使學生的臨床應用能力得到全面提升，對學生受益匪淺[13]。

4 臨床生化虛擬仿真實驗的應用展望

臨床生化虛擬仿真實驗不僅可作為傳統臨床生化實驗課堂教學的一部分，還可供學生在實驗之余自學，培養學生對臨床生化實驗的興趣及科研創新能力。無論是學生還是教師，都可以隨時隨地上網進入虛擬實驗室，進行各種實驗操作。我們將該套虛擬軟件上傳到我校生物學實驗教學中心網絡自主學習平臺，全面開始網絡輔助教學，方便異地協作和資源共享。同時，增加網上評論留言等功能，學生通過虛擬平臺自學以后可通過留言等方式將其所學知識進行交流，加強學生與教師之間的溝通。教師也可從學生的匯報中了解學生的掌握程度并對遺漏知識進行補充講解，不斷促進臨床生化虛擬實驗教學平臺的完善。虛擬仿真實驗這種教學模式將越來越受到人們得重視，成為改革實驗教學方法、加強實驗室建設中不可缺少的一部分。

由于師資力量和經費的限制，一些實驗項目還沒有開展虛擬仿真設計，隨著教學改革的深入，我們會盡最大的努力去豐富虛擬仿真的實驗內容。同時將內建強大的題庫系統，提供在線自測自評功能，為學生的自我鞏固學習提供一個良好的平臺。

5 結語

實驗教學改革對提高臨床生化的教學質量起著重要作用。臨床生化虛擬仿真實驗教學平臺開辟了新穎的實驗場地，將學生引入一個充滿新奇的實驗王國，不僅激發了學生的學習興趣，還實現了學校資源的優化配置與開放共享，有效解決了教學需求和實驗資源不足之間的矛盾。通過實驗教學模式的調整，真正做到了學以致用，幫助學生將理論知識與臨床疾病相整合，為目前臨床生化教學改革提供了新的思路和范本。