流式細胞術檢測免疫細胞分型虛擬仿真實驗教學

汪少辰

（中國科學技術大學生命科學與醫學部，安徽 黃山 230027）

一、緒論

血液學檢驗技術是實驗室研究和臨床檢查常用的檢驗手段，是實驗教學的重點內容，目前主要是用流式細胞術進行血液學檢驗。流式細胞術是利用流式細胞儀對細胞或其他各種微粒進行多參數高通量分析和分選的技術，是應用于腫瘤檢測、白血病及淋巴癌診斷的重要手段之一[1]。在傳統的教學模式中，由于流式細胞儀售價昂貴，且受到了實驗設備、成本、時間等多因素的限制，學生只能通過老師的演示教學來認識整個實驗流程，無法親自動手實踐，難以調動學生的積極性，影響教學效果。

隨著計算機技術的發展，虛擬仿真實驗應運而生，虛擬仿真是用虛擬技術模仿出真實的實驗場景，學生進行學習[2]。通過借助多媒體技術使學生身臨其境，突破已有教學條件的限制，改變以往教師為主體的課堂模式，把課堂還給學生，提升實驗教學質量[3]。

本文擬以“流式細胞術檢測免疫細胞分型”實驗為例，淺述該實驗進行虛擬仿真教學的建設與發展，為今后建設該虛擬仿真實驗項目提供一定的參考意義。

二、虛擬仿真實驗的特點

（一）滿足課堂教學需求

傳統實驗教學的效果受課堂人數和器材設備的影響大打折扣，而虛擬仿真實驗可以打破這些因素的限制，將那些難度大、設備貴、不易進行的實驗以交互式的方式呈遞給學生，方便學生觀察實驗和動手操作，提升教學質量。有的虛擬實驗室使用3D 打印、人工智能等技術，為學生提供趣味性的學習平臺，啟發學生的思維[4-5]。

（二）充分利用平臺資源

根據教育部通知，為提高實驗教學質量，至2020 年將認定1000 項左右虛擬仿真實驗教學項目[6]。合理利用已有的虛擬仿真實驗平臺資源，可以借助這些平臺解決實際教學中存在的問題，彌補現有實驗教學的不足。

（三）提高學習效率

利用虛擬仿真實驗平臺授課，將大大提高學生獲得新知識的效率，在有一定的知識基礎后，有的放矢地對教學過程中的重難點展示和深度剖析，甚至讓學生進行實物訓練。在某些學生觀察或操作較困難的實驗項目中虛擬仿真實驗可以為學生的實訓提供更多的課堂空間，有利于老師對學生的指導，進一步提高學習效率。

三、流式細胞術檢測免疫細胞分型虛擬仿真實驗

多種免疫細胞在人體內參與免疫應答，起到調節多種免疫反應的作用，免疫細胞數目的異常能預示疾病的發生，因此進行免疫細胞的分型對于評估人體健康狀態和臨床上優化治療方案都有重要的價值。利用流式細胞術分析不同免疫細胞類型和組織的表型和功能，是目前對白血病、淋巴瘤等多種疾病研究的重要手段。但是由于設備昂貴、操作難度大、學生人數眾多等原因，學生的學習只能停留在理論知識和教師展示層面[7]。不能親自進行實驗操作，是無法真正掌握免疫細胞分型技術及其在診斷和治療中的意義的。

因此，我們設計了基于流式細胞術檢測免疫細胞分型的仿真操作虛擬實驗系統，讓學生用電腦進行有關血液樣本免疫細胞分型的實驗操作，為學生提供了虛擬仿真操作實驗平臺，有助于學生將實驗操作與理論知識聯系起來。本平臺主要設計為信息管理、模擬仿真、虛擬測量、報告提交、在線交流五個部分。

（一）信息管理

在虛擬仿真實驗室中，有流式細胞術的實驗原理和實驗儀器的簡介、實驗操作步驟的詳細視頻教學，學生可以通過觀看視頻及圖片，掌握實驗的基本理論。

（二）模擬仿真

該實驗設計成四個步驟，在學生在實際操作過程中，通過軟件完成細胞前期預處理、流式細胞儀開機、流式細胞儀檢測免疫細胞分型、流式細胞儀關機等操作。在學生進行操作時，如果操作錯誤，系統會進行錯誤提示，并正確地引導學生操作（圖1）。

圖1.流式細胞術檢測免疫細胞分型虛擬仿真實驗設計框架

（三）虛擬測量

實驗過程中的每個操作會預先設定答案，學生根據系統提示，進行一定的操作或選擇，系統將根據學生所做的選擇進行判讀計算得分。比如在細胞預處理過程中會需要選擇離心機的轉速和升降速，對于分離外周血單個核細胞時如果轉速選擇小于300 g 或大于600 g，亦或是升降速沒有設置成0 該步驟都將判定不得分。虛擬實驗操作平臺將對學生每一項操作時間、準確性和結果等做出判斷并自動生成一個分數保存，根據各項目操作得分綜合給出最終得分。

（四）報告提交

實驗結束后，學生需根據本節虛擬實驗課提交一份實驗報告，包括有研究背景、研究目的、實驗原理、試劑與儀器設備、實驗步驟、實驗結果，以及對實驗過程的分析討論、反思。

（五）在線交流

除了對完成的實驗結果的討論環節，系統還有在線提問和在線答疑的功能，學生與教師可以進行實時互動，方便教師掌握學生的學習進度，調整授課策略。

四、流式細胞術檢測免疫細胞分型虛擬仿真實驗的發展

（一）完善虛擬仿真實驗項目

更新流式細胞術檢測免疫細胞分型實驗信息管理，提供更多的參考資料幫助學生了解本節知識的前沿知識，理解開設本實驗課程的意義所在。完善平臺的功能，給教師和學生提供多元化的選擇。同時根據上過課的老師和同學的反饋，優化部分功能，便于操作。同時需要完善本平臺的網絡管理，給師生提供一個安全穩定的使用環境[8]。

（二）促進資源開放共享

在使用一定時間后不斷完善本平臺后，推向其他高校和地區，實現優質資源共享。

（三）線上線下相結合

在實驗教學過程中，不僅要掌握理論知識，更需要嚴格規范的操作，尤其是對于流式細胞術這種對操作有一定要求的實驗。因此我們不能局限于虛擬仿真平臺，在平臺上熟練掌握后應當在實際訓練中鍛煉學生的動手能力，虛實結合，相互補充。

五、展望

隨著信息技術的飛速發展，給流式細胞術實驗教學的改革帶來了新的機遇和挑戰。虛擬仿真教學可以彌補傳統實驗課程的不足，在流式細胞術實驗教學中具有廣闊的應用前景。本文提出的“流式細胞術檢測免疫細胞分型虛擬仿真實驗”一定程度上可以改善目前存在的設備耗材昂貴、操作難度高等問題，提高學生對本實驗的理解和掌握。我們需要充分利用虛擬仿真教學的優勢，選擇適合教學實際的內容，但在提高虛擬教學能力的同時，還要培養學生的實踐能力，線上線下相結合，最大程度發揮虛擬仿真平臺的作用。