生物安全三級實驗室禽流感病毒分離培養虛擬仿真實驗教學初探

王艷鳳，趙國星，劉 暢，劉艷華，劉 寅

（南開大學 醫學院，天津 300071）

傳染病尤其是烈性傳染病仍然是當今全球衛生和安全的重大威脅之一。據統計，20 世紀80 年代以來，全世界發現和確認的新發與再發傳染病近40 種。近幾年，高致病性禽流感、非典型性肺炎（SARS）、埃博拉出血熱等嚴重傳染病更引發了社會對生物安全的重視。諸如此類的烈性傳染病具有危害大、疫情擴散快、難以控制等特點，針對這類傳染性病原體的研究需要安全防范措施完善、安全性高的生物安全實驗室。生物安全實驗室是開展生物安全相關研究的基礎設施和重要平臺。其中，生物安全防護等級為三級和四級的實驗室屬于高等級生物安全實驗室，一般用于開展烈性傳染病相關研究。該類實驗室在國內發展起步較晚，并且建造周期長，維護和運行成本高，目前我國僅建成三個生物安全四級實驗室和少量的生物安全三級實驗室[1-5]。依照國家生物安全相關法律法規，只有少數實驗人員在經過嚴格的培訓考核和審批后才可進入此類實驗室開展實驗活動。

臨床醫生和醫學相關研究者處于抗擊嚴重傳染病的第一線。在面對病患和各種高致病性傳染病病原時，如果不懂得正確的防護操作，會有罹患感染甚至犧牲的風險[6]。目前醫學院校對學生生物安全意識的培養及在生物安全實驗室進行病毒相關實驗技能的訓練，受到客觀條件的制約，無法提供感性認識及實踐鍛煉的機會。例如，“禽流感病毒分離培養”是醫學微生物學本科實驗教學中最經典的病毒學實驗，但此類感染人類的病毒實驗在實際教學上屬于空白，學生沒有實踐機會。因此急需通過先進的實驗手段，幫助學生了解病毒培養的相關技術，鞏固理論知識，提高教學效率。

虛擬仿真教學是專業學科與信息技術深度結合的產物，依托虛擬實驗、人機交互、多媒體等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境，使學生可以在安全無污染的虛擬環境中開展實驗，體驗逼真，節約成本，高效開放[7]。通過虛擬仿真使學生全面直觀地完成實驗課程，能夠激發學生的學習興趣和求知欲，培養學生的科學精神和創造性思維，極大地提高實驗教學質量[8-9]。近年來，虛擬仿真技術在國內外醫學院校的實驗教學中得到普遍應用，并且教學效果突出[10-13]。鑒于此，我們在原有的醫學微生物病毒學實驗基礎上增加了生物安全三級實驗室中禽流感病毒分離培養虛擬仿真實驗。擬通過虛擬仿真教學手段，為學生及相關人員提供生物安全三級實驗室全流程操作培訓，并在此基礎上學習病毒雞胚分離培養方法，彌補學生生物安全操作技能和知識結構上的短板。

1 虛擬仿真實驗教學設計

1.1 實驗教學目標

培養學生生物安全意識，了解生物安全三級實驗室的基本結構、功能及管理和使用方法；掌握生物安全操作技能，如生物安全實驗室中的人員防護和環境防護要點、污染性物料的處置技術及生物安全相關儀器設備使用方法等；掌握在高等級生物安全實驗室中進行病毒雞胚分離培養的原理、特點和方法；了解不同病毒分離、培養的方法及其優缺點等。

1.2 實驗教學實施過程

生物安全三級實驗室中的禽流感病毒分離培養虛擬仿真實驗項目是我校醫學院臨床醫學專業《新編醫學微生物實驗指導》及口腔醫學專業《病原生物學及實驗》中的新增實驗教學內容。課程中，仿照生物安全三級實驗室的結構和功能，通過PC、VR、3D 環幕等多個虛擬平臺，讓學生在虛擬仿真的高級別生物安全實驗室中完成病毒雞胚分離培養操作。實驗分為虛擬實驗和仿真實驗兩部分，其中虛擬部分包括實驗室生物安全步驟和病毒雞胚分離培養實驗等環節，仿真部分包括實驗室生物安全操作等環節。

首先，教師在課前通過在線訓練平臺上傳實驗相關學習資料，發布思考題，并提出實驗要求，例如通過網站發布PPT、教案、微課視頻、理論測試題目及導引問題。其中導引問題包括：造成禽流感病毒分離培養實驗中最終樣品的 Ct 值高于 35（判定為陰性）的主要原因有哪些？你認為最有可能發生的是哪一個？如果你正在進行禽流感分離培養實驗，突然實驗室報警，此時你已經將雞胚鉆孔，且剛剛打開待分離樣品，你應該如何處理？如果讓你組織一次實驗室生物安全培訓，要求接受此培訓的人員能夠進入生物安全三級實驗室進行物料傳遞和衛生清潔等輔助工作,請草擬培訓提綱等。學生通過 PC 網絡瀏覽器或移動端學習實驗指導教材，并觀看微課視頻預習了解實驗流程，自主學習實驗原理、操作步驟及注意事項。教師利用實驗課開課前的10 分鐘時間，進行課前測試，了解學生對實驗內容的熟悉程度并給予課前打分評價。

其次，教師在課上依據學生課前瀏覽相關資料的情況，交代實驗要求及目的，有針對性地講解虛擬實驗中所涉及的實驗技術原理和操作步驟，并通過 3D環幕版軟件，示范虛擬實驗流程。學生通過 PC 版軟件在電腦端登錄系統進行實踐訓練，依次完成虛擬實驗室生物安全及禽流感病毒雞胚分離培養實驗步驟，包括實驗準備、驗卵、雞胚開孔、雞胚接種、孵育雞胚、雞胚尿囊液的收獲，并分批運用VR 版軟件進行VR 實踐演練，通過在線訓練系統形成個人和班級的訓練報告。教師巡堂答疑，并在查看課堂訓練報告后進行課堂總結，布置作業及課后訓練內容，然后結合虛擬實驗完成情況，對仿真實驗提出具體要求并布置討論案例。在仿真實驗階段，首先由教師演示防護具的穿戴、生物安全柜的使用、污染廢棄物的處理、二氧化碳培養箱及倒置顯微鏡的使用等相關內容，再由學生自行分組練習各種儀器設備的使用方法及人員防護方法，利用仿真實驗強化關鍵環節的實驗操作。

最后，學生根據軟件提供的數據，判斷是否分離出禽流感病毒，并分析原因。例如，系統將提供禽流感病毒已知濃度梯度real-time PCR 的標準曲線，即系統會根據學生操作過程中對培養時間、接種量的選擇模擬給出 Ct 值，供學生計算分析結果（見圖 1）。學生在完成實驗及課堂討論后，要完成實驗報告，并回答課前引導問題。實驗報告還應包括對虛擬仿真實驗軟件的評估及使用心得體會，并與團隊其他成員的仿真實驗結果進行互評。學生在課后還可預約VR 版軟件實踐時間，完成相應訓練，強化實驗操作過程。

圖1 Real-time PCR 實驗結果分析

1.3 實驗教學考核平臺

本項目在教學設計上包括課前、課中、課后環節，在線訓練系統能記錄學生的操作信息，并通過圖表形成訓練記錄及相應的系統智能評分。在線訓練系統還能生成團隊學習訓練報告，包括團隊成員互評結果，展示團隊學習情況，培養學生團隊意識和領導能力。系統在學生操作過程中能進行智能糾錯提示，訓練完成后可自動生成成績，實現實時交互反饋。學生的綜合成績評價考核采用百分制，由課前測驗、仿真實驗、在線虛擬實驗、線下實驗報告和綜合分析報告等各項成績組成（見表1）。

表1 實驗考核項目及各項成績比例

2 虛擬仿真實驗教學特色

2.1 有利于樹立生物安全意識，強化生物安全防護技能

現實中的生物安全涵蓋病原微生物研究、生物防護、傳染病預防控制、動物防疫、出入境檢驗檢疫、醫院感染控制等諸多方面。強化學生的生物安全意識及實驗技能，不僅是保護未來相關從業者生命和健康的需要，也是保障國家社會經濟有序發展的需要。而生物安全相關實驗培訓因受到客觀條件的限制，難以在現實世界中開展。本項目利用VR 技術，完全仿照生物安全三級實驗室的結構和功能建立虛擬實驗室（見圖 2），讓學生仿佛置身于真實的高等級生物安全實驗室中進行高致病性病毒的分離培養。在保證實驗者安全的情況下，強烈的直觀體驗使學生擺脫了枯燥的理論知識灌輸所帶來抵觸情緒，有助于其牢固樹立生物安全意識，強化生物安全防護技能，為將來實際進入高等級生物安全實驗室做好心理準備和技能儲備。

圖2 本實驗采用的生物安全三級實驗室3D 透視圖

2.2 虛實互補，教學手段先進

鑒于生物安全實驗的特殊性，利用先進的虛擬仿真技術能夠有效解決實驗室環境匱缺問題。通過生物安全三級實驗室以及必備設備、個人防護、實驗操作流程等環節的展示，結合VR 頭盔版帶來的沉浸式體驗，使每位學生都能夠“走進”生物安全三級實驗室，以實驗人員的角色“使用”相關設備，使學生在浸入虛擬場景與角色的同時，跟隨實驗設計自主探索完成實驗內容。為了提高學生的實踐能力，我們將實驗步驟進行拆解，將其中可在實際實驗教學中開展的部分設計成仿真實驗，豐富實驗內容；將不能“實”的訓練“虛擬化”，并通過虛擬實驗補充“實”的不足，虛實互補，實現學生在高等級生物安全實驗室對高致病性病毒進行操作的全流程培訓。

教學中以問題導入形式（PBL）引導學生運用基礎知識解決在虛擬仿真實景中遇到的具體問題，鍛煉和培養學生自主學習的能力，實現以能力為導向的創新人才培養目標。本課程還制作了豐富的微課視頻，學生可以通過微課視頻充分預習實驗原理和實驗操作方法，了解實驗注意事項和易錯步驟，并完成課前測驗。這樣，學生上課時就是有備而來，能將主要精力放到實驗操作和師生互動上來，既節約了實驗教學時間，又能獲得更多的實踐和交流機會，拓展了醫學微生物實驗教學的空間和時間。

通過“自主學習+沉浸體驗+師生互動”等方式，學生能夠進行反復訓練，從而實現以學生為中心的目標，并為本科實驗教學跟上時代與學科的發展步伐創造條件。

2.3 科學的考核評價機制

科學合理的實驗考核評價對醫學微生物實驗教學具有導向作用，傳統微生物實驗教學的評價方法單一，僅局限于對實驗報告的評價，難免使學生只重視文字材料而忽視實際操作技能的訓練與掌握[14]。多維度、多環節的考核評價方法通過課前、課中、課后的綜合性評價，能有效提高學生課前預習的自覺性和主動性，把學生的主要精力引回到課中實驗內容和實驗操作上來，課后學生還能主動與教師交流討論完成線下報告，并預約VR 版實踐訓練，進一步強化實驗操作過程。這種考核評價方式改變了傳統實驗教學“憑實驗報告定優劣”的現象，側重學生的自主學習能力及發現問題和解決問題能力，促進了實驗課的教與學，提高了實驗教學質量。

3 虛擬仿真實驗教學效果評價

對教學效果的評價可以從學習過程和學習結果兩方面進行，前者主要評價該教學模式是否有助于提高學生自主學習能力、激發學生學習興趣、促進學生對知識的理解和深化等方面；后者主要評價該教學模式是否有助于提高學生的學習成績[15]。

3.1 學習過程評價

我們通過問卷星對2016 級和2017 級臨床及口腔班實驗組學生發放了調查問卷，調查學生對本虛擬仿真實驗平臺的認同度。問卷共發放90 份，回收86 份，問卷回收率為96%。由調查結果來看（見表2），此虛擬仿真實驗教學優于傳統實驗教學，一方面在學生提高生物安全意識、掌握實驗原理和實驗技能、提高分析問題和解決問題能力等方面均有顯著促進作用；另一方面，大大提高了學生的學習興趣和學習主動性，提高了實驗教學效率。94%的學生對本實驗項目表示滿意，90.5%的學生希望將該虛擬仿真實驗方式應用于其他實驗教學項目。學生還提出希望進一步“豐富實驗內容”“提高軟件的流暢度及兼容性”“適當增加虛擬仿真實驗的學時量”等建議，為其他基礎醫學虛擬仿真實驗教學建設提供了有益借鑒。

表2 學生對本實驗項目教學效果認同度調查結果

3.2 學習效果評價

我們以2016 和2017 級臨床及口腔班為實驗組，以2015 級臨床及口腔班為對照組。圖3 為三個班期末理論考試中對 3 道涉及該實驗內容的試題的答題情況。由圖3 可見，實驗組學生的得分率明顯高于對照組。

圖3 使用虛擬仿真實驗后的教學效果圖

4 結語

生物安全三級實驗室禽流感病毒分離培養虛擬仿真實驗以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，采用面向服務的軟件架構開發，集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體，提供逼真的實驗場景，打破了時間和空間的束縛，實現了學生靈活自學、在線考試與教師課堂演示及指導考評相結合的教學模式。本項目依托我校國家級虛擬仿真實驗教學中心，由我校醫學院自主開發研制，將傳統實驗教學難以展示的實驗內容可視化，直觀易懂，具有開放性、可靠性和安全性等特點，是對傳統實驗教學的延伸和拓展。截至2019 年12 月，該在線教學平臺的使用達到5761 人次。該項目擁有自主知識產權，并編寫增加虛擬仿真實驗內容的配套教材1 部。

今后我們將不斷拓展虛擬仿真實驗教學資源并進一步改進評價模式，不斷增加新的教學內容，大力推進實驗教學改革，持續收集使用者的反饋，不斷探索實驗教學的新模式。該項目將對全國醫學教育單位長期免費開放，提供教學服務，實現實驗教學資源共享，滿足多地區、多院校、多學科專業的虛擬仿真實驗教學需求。還將根據國家虛擬仿真實驗項目要求，不斷加強自主研發的優質資源的社會推廣應用。我們將依托虛擬仿真實驗項目推動優質虛擬仿真實驗教學中心的建設，并在此基礎上將虛擬仿真實驗項目向疾病預防控制中心、檢驗檢疫相關機構以及存在生物安全風險的企業進行推廣應用，使其成為社會民眾及志愿者服務的醫學科普宣傳基地。