虛擬仿真實驗平臺的探索與構建
——以抗體中和作用實驗為例

翟東昇，李旭波，馬 雪，胡 玥，李明凱

(中國人民解放軍空軍軍醫大學藥學系藥理學教研室,陜西 西安 710032)

抗體對病毒感染的預防和治療有重要作用，也是臨床治療病毒感染的常用手段。隨著2019新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染全球性爆發，針對該病毒的特異性抗體研發迫在眉睫。因此，病毒實驗操作是對病原微生物治療藥物研發及臨床研究有重要意義，理解和掌握病毒感染及抗體治療的原理對于培養醫學生十分必要。但是現實開展病毒相關實驗卻困難重重，其中包括:①涉及生物安全問題，對實驗人員及環境保護都有較高的要求。②條件制約，病毒操作需要在生物安全實驗室的二級安全柜中進行，該生物安全柜價格昂貴，需要配備相應的高標準空間和通風設備，大多數院校不能滿足要求。③操作步驟多，在科研教學中開展難度大，制約了相關實驗的開展。病毒的制備周期長，步驟多，需要提前數周準備，但是學生并沒有足夠的時間。以上問題限制了學生對病毒感染相關知識的理解和思考，影響了學生學習的積極性。因此，病毒感染相關實驗操作無法開展，影響醫學生的全面發展。

虛擬仿真實驗可以利用視頻教學、人機互動、VR虛擬操作等方式，在不準備器材、不具備實驗室的條件下熟悉和操作整個實驗流程[1-3]。由于技術的進步，借助計算機生成圖像和程序設計為學習者提供模擬平臺。模擬技術不斷發展，提供了能夠在虛擬現實中的高保真度，提供引人入勝的學習體驗。通過提供模擬現實世界中的沉浸式教育活動來強化教學和實驗室概念，最新的技術進步提高了模擬仿真技術在醫學實驗教育中的潛在用途，滿足了學生自主學習的需要，為學生提供了交互式、多媒體的學習環境[2-5]。本實驗基于抗體中和作用的理論基礎，設計了病毒操作相關的虛擬仿真實驗，搭建了三維生物安全實驗室，安全柜等設備，利用動畫呈現實驗過程，把病毒實驗操作和晦澀的理論知識生動地展現出來。同時，教師可以及時收集學生成績及問題，提高教學效率，降低教學成本[6]。本文以藥理學教研室“抗體中和作用”虛擬仿真項目為例，從教學內容，教學方法及虛擬仿真實驗建設等方面做出介紹。

1 實驗設計

1.1 實驗目的

①學習了解抗體中和作用的治療原理。②學會并掌握個人防護流程及病毒操作注意事項。

1.2 實驗原理

抗體中和作用，即病毒侵入機體后，B淋巴細胞產生的相應抗體能夠結合病毒表面的抗原部分，組織病原微生物黏附靶細胞受體，防止侵入細胞。

1.3 實驗設計

本實驗選擇2～3日齡乳鼠，分為3組，包括：對照組、感染組、治療組，每組進行病毒梯度濃度感染，每種處理5只小鼠。其中，感染組用無菌1 640培養基梯度稀釋感染毒株及對照感染抗原(100,101,102)，分別感染乳鼠，腦內接種，每只0.02ml。對照組及治療組用無菌1640培養基梯度稀釋感染毒株及對照感染抗原(100,101,102)，每個稀釋度各取0.4ml與等量單克隆抗體(McAb)或者正常腹水混合，37℃作用30min后進行感染。其分組如表1。

抗體治療作用的觀察：感染后觀察乳鼠逐日發病情況，建立評分標準，進行評分，以發育不良(1分)、動作遲鈍(1分)、后肢麻痹(1分)、站立困難(1分)、尾僵直(1分)、死亡(2分)，共計7分，感染3日內死亡按照病毒感染致死處理，每組小鼠分別評分，取平均值。其評分表如表2。

表2 病毒感染乳鼠發病情況評分表

2 虛擬仿真實驗建設思路

本實驗依托北京潤尼爾公司搭建實驗平臺，實驗流程嚴格參照教學實驗設計，依據二級生物安全實驗室實際布局搭建模型，使用者可以通過操作電腦轉換視角觀察實驗室，力求生動逼真地再現實驗場景及規范操作流程，最后展現預期的實驗結果。基于“理論結合實際”的原則，本虛擬仿真實驗一方面參照教學內容進行實驗設計；另一方面，根據現有實驗內容，設計了“實驗操作演示+互動式操作+考核反饋”的學習板塊。通過虛擬實驗的學習模式及考核模式，學生自主選擇兩種模式進行學習。學習模式提供了該實驗標準操作流程視頻，并在互動過程中顯示實驗注意事項及指導。考核模式可以在操作環境下真實互動地實現全部操作過程，同時在操作過程中出現部分關鍵操作要點，考核學生關鍵知識點和操作規范，檢驗學生對實驗技能知識的掌握。最后，根據學生考核模式中遇到的問題，教師可以通過系統統計掌握學生考核成績，個性化反饋知識及學生操作掌握情況兩種模式分別滿足了學生的不同學習需求，考察了學生對實驗試劑，器械的熟悉程度，激發學生在實驗過程的主動性，幫助教師評估學生知識掌握情況，如圖1。

圖1 虛擬仿真實驗建設方案

2.1 實驗板塊設計

本實驗根據教學設計，分為三大部分，其中包括個人防護、病毒操作及動物感染(圖2)。教學平臺具有兩種模式，第一種是學習模式，其界面具有提示性操作，介紹操作環境并指導學生進行病毒實驗操作，學生也可以根據標準視頻演示利用三維動畫分步驟演示實驗流程，了解實驗過程。第二種是考核模式，該模式下并無提示界面，學生需要通過學習模式后，自主進行模擬實驗操作，并回答關鍵實驗操作步驟的注意事項。

圖2 虛擬實驗操作流程

2.1.1 個人防護

個人防護是病毒實驗操作最重要的步驟，也是保護實驗人員免于感染性病毒各種方式的暴露，確保人身安全，這對醫學生建立病毒感染防控意識具有重要意義。

病毒實驗操作的個人防護部位分別為眼鏡、頭面部、軀體、手、足、耳和呼吸道。所需要的裝備為眼鏡(安全鏡、護目鏡)、面罩(口罩)、帽子、防護衣(隔離衣或連體衣)、手套和鞋套等，其佩戴順序為口罩、帽子、防護服、防護眼鏡、鞋套和手套。而脫卸個人防護裝備的順序為外層手套、防護眼鏡、防護服、口罩及防護帽、鞋套和內層手套。個人防護用品的正確選擇及佩戴是該過程的第一步。該部分我們采用物品圖標拖拽的交互方式，讓學生主動學習防護用品的佩戴順序及方式。

個人防護后，虛擬仿真平臺根據標準規范的生物安全實驗室，設置P2實驗室的一級屏障和二級屏障，一級屏障保障了實驗操作者與被操作對象之間的隔離，包括生物安全柜和防護服等；二級屏障則是保障了生物安全實驗室與外部環境的隔離，其中就包括換氣系統，因此，一級屏障和二級屏障分別是實驗人員和外界環境的保護傘。該模擬系統分別模擬了進入一更室、二更室、緩沖間及風淋系統的操作流程，最大限度地模擬生物安全實驗室的屏障進入過程。如圖3。

圖3 個人防護準備流程

2.1.2 生物安全操作

生物安全是病毒相關實驗操作中的重要環節，也是制約院校開展病毒實驗的關鍵。因此，虛擬仿真實驗對病毒實驗的安全操作進行重點教學，其中包括安全柜使用、儀器識別、病毒操作及動物感染等過程。在學習模式中，安全柜的原理特點，使用方式通過提示的方式出現在界面中。接著，安全柜桌面的擺放、物品名稱和儀器使用方式也通過相同的方式出現在桌面。病毒稀釋及感染部分，穿插了抗體中和實驗原理講解動畫，讓學生能夠在實驗中理解實驗原理，更好地掌握實驗技能。整個過程嚴格參照病毒生物安全操作規范教學，貼近現實病毒實驗操作，讓學生更好地理解及掌握操作流程，如圖4。

圖4 病毒生物安全操作虛擬實驗操作界面

2.2 考核模式設計

虛擬仿真實驗綜合了文字、圖像的多種方式演示實驗過程，但是學生參與感較少，對實驗體驗度不高，理解不夠。就此，我們另開發了本實驗的考核模式，以填空、選擇等方式對關鍵實驗操作進行提問，實驗最后以習題的形式對該實驗操作進行考核，最終成績將傳入系統。一方面，考查學生在學習模式中的學習效果，提高學生在模擬實驗中的學習積極性。另一方面，教師可以了解實驗錯誤較多的操作，統一管理學生成績，如圖5。

圖5 虛擬仿真實驗考核環節界面設計

3 抗病毒虛擬仿真實驗項目開發意義

3.1 突破實驗條件限制，保障生物安全問題

近年來，醫學教育正在跨領域、跨學科地開展工作，通過教育技術革新迎接前所未有的重要挑戰。病原微生物是導致人體感染性疾病的重要來源，相關實驗操作是醫學生必備技能[7-8]。但是病毒相關實驗涉及生物安全防護問題，成為教學過程中的掣肘之處。對于能夠引起人類和動物疾病，但一般情況下對人、動物或環境不構成嚴重危害的病毒，需要生物安全防護水平為二級的實驗室。而對于能夠引起人類和病毒嚴重疾病，可以直接或者間接在人與人、動物與人、動物與動物傳播的病毒，需要生物安全防護水平為三級的實驗室。病毒的泄露會危及實驗人員及公共衛生安全。比如，在病毒感染動物的實驗內容中，一方面，傳統實驗利用真正的動物進行實驗，涉及動物權益和倫理等問題。另一方面，動物實驗并不是百分之百會成功，觀察不到預期實驗結果會影響學生對該實驗的理解，而虛擬仿真實驗很好地避免了此類問題。因此，病毒相關實驗虛擬仿真教學的開展，避免了相應的生物安全問題，最大限度為學生提供病毒操作模擬條件，讓他們熟悉生物安全操作，為從事醫療工作打下基礎。

3.2 多方式、多媒體教學，提高實驗教學質量

2019新冠病毒感染造成的全球性疫情讓病毒感染成為熱門研究方向之一。但是，病毒安全操作要求特殊，大多數醫學院校對于培養醫學生病毒相關操作及抗體治療的原理沒有實踐經驗。這為醫學教育及學生以后的醫學工作埋下隱患。

醫學生的培養模式已經發展為動手能力為先，自主學習發展的新范例。新時代學生獲取知識的途徑變得多元化，不再局限于課堂上教師講授或者查閱的文獻資料，網絡多媒體成為大學生學習的重要手段[9]。計算機虛擬仿真技術的快速發展，已經是學科專業和信息技術深度融合的產物，可以完善教學實驗中的空缺[10-11]。與傳統實驗相比，虛擬仿真實驗可以不受地域、環境等限制。在大多數院校不能開展病毒實驗條件下，虛擬實驗技術實現儀器、實驗室建設困難的問題，有效解決了資金、環境及人力的問題。虛擬仿真實驗共享可以為全國的學生提供平臺，保障了教學的正常開展。其次，相對于傳統實驗教學以圖片、視頻等方式為教學手段，虛擬仿真實驗給學生提供了逼真的三維教學環境、生動的互動環節[12-14]。逼真的操作模擬操作環境界面及循序漸進的操作指導，營造了安全、高效和有趣的教育環境。考核模式可以隨時檢測學生對實驗課程的掌握情況，這也是傳統實驗室的短板，可以督促學生更好地掌握操作細節，有利于培養學生的自主學習能力，這是以學生為主導教學模式不可缺少的部分。因此，虛擬仿真實驗成為開展病毒相關實驗的最優選擇，不僅可以降低教學成本、突破環境限制，而且交互環節較好地鍛煉了學生的動手能力[15]。基于虛擬仿真實驗帶來的醫學教學領域的范式轉變，其影響的范圍也將繼續擴大。虛擬仿真平臺對抗體中和作用基礎實驗，彌補了醫學本科教學的不足，為醫療工作的順利開展打下堅實的基礎。