虛擬仿真實(shí)驗在實(shí)驗中心平臺建設(shè)中的作用
——以細(xì)菌學(xué)檢驗中霍亂弧菌檢測為例＊

昆明醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院 尚麗蓉 馬伊婷 張敏 鄒偉

近年來虛擬仿真實(shí)驗發(fā)展迅速，因其逼真的模擬操作、縮減的成本和安全可靠的特點(diǎn)，在實(shí)驗平臺建設(shè)中發(fā)揮不可替代的作用。虛擬仿真實(shí)驗打破傳統(tǒng)實(shí)驗的時空限制，可進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗室難以開展的危險性實(shí)驗。本文以霍亂弧菌虛擬仿真實(shí)驗為例進(jìn)行論證，簡述虛擬實(shí)驗在實(shí)驗平臺建設(shè)中的作用，以期完善實(shí)驗平臺的建設(shè)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種利用信息化手段進(jìn)行實(shí)驗操作的技術(shù)，通過多媒體與仿真技術(shù)的有效融合，打造一個集視覺、聽覺于一體的虛擬環(huán)境，使學(xué)生能在該虛擬環(huán)境中最大限度地模擬實(shí)驗操作或者與實(shí)驗主體進(jìn)行交互體驗，從而產(chǎn)生身臨其境的感受[1，2]。以本學(xué)校的公共衛(wèi)生學(xué)院里的衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)為例，在專業(yè)課的學(xué)習(xí)中，例如細(xì)菌學(xué)檢驗、病毒學(xué)檢驗、毒理學(xué)基礎(chǔ)、化妝品檢驗、水質(zhì)理化檢驗等一系列專業(yè)課程中，都是需要以實(shí)驗作為支撐，但很多實(shí)驗都需要依托安全等級高的實(shí)驗室才能進(jìn)行，學(xué)校現(xiàn)有的條件并不能滿足，對于學(xué)生的培養(yǎng)不能全面的開展，若依托于虛擬仿真實(shí)驗技術(shù)，學(xué)生可以在此平臺上進(jìn)行操作練習(xí)，特別是在現(xiàn)有的實(shí)驗條件不能滿足的情況下，此外還可以練習(xí)一些平時難度系數(shù)大的實(shí)驗，使學(xué)生能接觸到更多的實(shí)驗，對于學(xué)生提升自己的動手實(shí)驗?zāi)芰τ泻艽蟮膸椭?/p>

1 傳統(tǒng)實(shí)驗平臺現(xiàn)狀與局限

實(shí)驗平臺的建設(shè)對高校的發(fā)展有著極其重要的作用，平臺給予學(xué)生充分的空間進(jìn)行實(shí)驗操作。以某醫(yī)科大學(xué)預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗中心為例，該實(shí)驗中心具有BSL1和BSL2實(shí)驗室，但依據(jù)實(shí)驗室生物安全管理條例，中心不具備BSL-3實(shí)驗室，不能從事高致病性病原微生物實(shí)驗研究和教學(xué)工作[3]，這與培養(yǎng)從事疾病預(yù)防控制的高水平公共衛(wèi)生人才產(chǎn)生矛盾。實(shí)驗室擁有多媒體教學(xué)設(shè)備，配有常規(guī)的試劑耗材，但部分實(shí)驗室可容納人數(shù)有限，上課班級人數(shù)較多，進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)時學(xué)生座位擁擠，使得學(xué)生操作范圍受限，后排同學(xué)的視線也會由于實(shí)驗室臺面布局而受到阻礙，一定程度打消了同學(xué)對實(shí)驗課的積極性。在傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)中，實(shí)驗平臺建設(shè)資金分配比例不同，造成驗證性實(shí)驗教學(xué)占比較大，缺乏自主設(shè)計實(shí)驗和綜合類實(shí)驗。在驗證性實(shí)驗中學(xué)生只會按圖索驥，重復(fù)已設(shè)計好的實(shí)驗步驟，缺乏自主性，同時在遇到無法解決的問題時，教師也不能對全部學(xué)生進(jìn)行逐一指導(dǎo)。實(shí)驗室雖配備昂貴精密儀器，但由于使用復(fù)雜，無法保證每位同學(xué)均能使用，同時部分學(xué)生操作不規(guī)范，也會導(dǎo)致儀器的精密度下降、靈敏度降低等問題出現(xiàn)，且精密儀器還需有專門的技術(shù)人員來進(jìn)行維護(hù)和管理，耗費(fèi)一定的人力、物力。

2 虛擬仿真實(shí)驗在實(shí)驗平臺建設(shè)中的實(shí)施

2.1 虛擬仿真實(shí)驗項目應(yīng)用內(nèi)容——以霍亂弧菌為例

霍亂弧菌是引起霍亂發(fā)生的病原菌，通常由攝入被霍亂弧菌污染的水源或食用被其污染的食物引起，屬于我國傳染病防治規(guī)定的2種甲類傳染病之一。霍亂主要引發(fā)嚴(yán)重的消化系統(tǒng)疾病，主要癥狀包括急性腹瀉和惡心嘔吐，會造成患者嚴(yán)重脫水，若治療不及時，患者會在數(shù)小時內(nèi)發(fā)生腹瀉脫水，甚至死亡[4]。檢驗霍亂弧菌需要經(jīng)過如下步驟：

（1）采集樣本，需在24h內(nèi)進(jìn)行檢驗；（2）為確保能檢出目標(biāo)菌，需進(jìn)行兩次連續(xù)的選擇性增菌培養(yǎng)；（3）將兩次增菌培養(yǎng)得到的培養(yǎng)物接種于TCBS瓊脂和CHROM ID VIBRIO弧菌顯色培養(yǎng)基平板以獲得分離純化的菌落；（4）鑒定時首先選擇可疑菌落并純化菌落，其次進(jìn)行初步鑒定，可采用顯微鏡下檢驗、氧化酶試驗、氯化鈉三糖鐵試驗、生化測試菌株選擇4種方法，然后通過鳥氨酸脫羧酶試驗、賴氨酸脫羧酶試驗、精氨酸雙水解酶試驗、β-半乳糖苷酶試驗、靛基質(zhì)試驗、氯化鈉耐受試驗、O/129敏感試驗等試驗進(jìn)行生化確認(rèn)；（5）采用血清分群試驗、血清分型試驗或試管凝集試驗來進(jìn)行血清學(xué)凝集試驗；（6）采用多粘菌素B敏感試驗、溶血試驗或V-P試驗來進(jìn)行O1群霍亂弧菌生物分型試驗；（7）報告結(jié)果：檢出O1、O139及非O1群霍亂弧菌的，要在24h內(nèi)呈報到上一級實(shí)驗室做進(jìn)一步鑒定或復(fù)查，并報告相關(guān)部門。因為霍亂弧菌屬于生物因子危險度Ⅲ級，涉及到霍亂弧菌的實(shí)驗需要在Ⅲ級防護(hù)實(shí)驗室，但實(shí)驗中心不具備Ⅲ級防護(hù)實(shí)驗室，無法開展此類實(shí)驗，所以虛擬仿真實(shí)驗在實(shí)驗平臺建設(shè)中顯得尤為重要，學(xué)生可通過虛擬仿真實(shí)驗進(jìn)行霍亂弧菌的有關(guān)實(shí)驗。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗的開展

國內(nèi)眾多高校和研究所一直在積極利用VR/AR技術(shù)，并拓展到人機(jī)交互和三維展現(xiàn)技術(shù)等方面。通過建立和完善適合不同專業(yè)學(xué)生的虛擬實(shí)驗項目，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不具備條件或者難度較大的實(shí)驗項目虛擬化，確保模擬環(huán)境的實(shí)驗效果具有高逼真度，與現(xiàn)實(shí)環(huán)境實(shí)驗保持一致[5]。目前預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗中心已有虛擬仿真實(shí)驗設(shè)備，可供學(xué)生進(jìn)行如檢測霍亂弧菌類似的復(fù)雜且危險性高、成本高的實(shí)驗。虛擬仿真實(shí)驗應(yīng)用范圍廣，可用于多類實(shí)驗的操作練習(xí)。在傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)條件下，學(xué)生的課時數(shù)有限，實(shí)驗室條件有限，為使實(shí)驗?zāi)茼樌_展，多數(shù)實(shí)驗都以分小組的形式進(jìn)行，這就會造成部分學(xué)生不能親手操作缺乏參與感，且多人操作會出現(xiàn)較大的實(shí)驗誤差，影響實(shí)驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。在虛擬仿真實(shí)驗平臺中，每位學(xué)生都有獨(dú)立完成整個實(shí)驗的條件，平臺可容納班級內(nèi)所有人同時在線進(jìn)行實(shí)驗操作，提高學(xué)生對實(shí)驗操作的積極性。虛擬仿真實(shí)驗不受時間、地域的影響，只要有計算機(jī)平臺就可開展。虛擬仿真實(shí)驗給學(xué)生的學(xué)習(xí)提供自由和靈活的實(shí)驗課程，越來越得到認(rèn)可[6]。同時，實(shí)驗室平臺對全校進(jìn)行開放，為學(xué)生打造一個多學(xué)科交叉的實(shí)驗平臺，凝練實(shí)驗平臺建設(shè)特色，吸引更多學(xué)生參與到實(shí)驗研究中，為學(xué)校培養(yǎng)更多優(yōu)質(zhì)學(xué)生。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗的操作及評價

虛擬仿真技術(shù)將傳感器、計算機(jī)等與物理模型和環(huán)境相結(jié)合，極大地增加了操作的真實(shí)性與體驗感，依托于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，選擇需要進(jìn)行操作練習(xí)的實(shí)驗，查看全部的流程圖，點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)本實(shí)驗開始進(jìn)行實(shí)驗操作，待實(shí)驗加載完畢后閱讀實(shí)驗?zāi)康呐c實(shí)驗原理后開始進(jìn)行實(shí)驗操作；進(jìn)入操作頁面后，系統(tǒng)首先會進(jìn)行實(shí)驗器材介紹，閱讀完畢后點(diǎn)擊確認(rèn)即可開始實(shí)驗操作，在進(jìn)行實(shí)驗操作練習(xí)時，我們需要在頁面的右邊選擇正確的實(shí)驗器材才可順利的進(jìn)行下一步驟，在實(shí)驗操作界面會有系統(tǒng)提示做下一步驟，可根據(jù)提示進(jìn)行逐一操作，在實(shí)驗的重要環(huán)節(jié)系統(tǒng)也會給出提示頁面，使用者可進(jìn)行閱讀加深印象，在點(diǎn)擊確認(rèn)后接著進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗操作，系統(tǒng)會根據(jù)使用者在選擇一些重要的器材時的正確性來進(jìn)行評分，形成最終的實(shí)驗報告，對使用者進(jìn)行的實(shí)驗操作給出一個客觀的評價。

2.4 虛擬仿真實(shí)驗在實(shí)驗平臺建設(shè)中的效果

虛擬仿真實(shí)驗在實(shí)驗平臺建設(shè)中取得顯著成效，做到虛擬與現(xiàn)實(shí)、理論與實(shí)踐相結(jié)合。通過虛擬實(shí)驗中知識點(diǎn)的呈現(xiàn)和多次操作練習(xí)，學(xué)生熟練掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識和操作技巧，了解BSL-3和BSL-4實(shí)驗室實(shí)際環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)實(shí)驗興趣，提高動手能力，為今后進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗奠定良好的基礎(chǔ)。此外，以圖文、聲音相結(jié)合的方式生動的展現(xiàn)操作過程以加深對實(shí)驗的印象，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的趣味性。研究生可利用此平臺對所學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗部分進(jìn)行提前的操作演練，減少實(shí)驗階段前期探索消耗的精力與資源。通過虛擬仿真實(shí)驗提供的結(jié)果分析，學(xué)生能知曉實(shí)驗過程中的錯誤，從而注意實(shí)驗操作的規(guī)范性。教師從統(tǒng)計結(jié)果中分析出學(xué)生在操作過程中出現(xiàn)的主要錯誤和不規(guī)范操作，以便在后續(xù)的教學(xué)中糾正學(xué)生的錯誤，也可利用虛擬仿真平臺的場景優(yōu)勢，考察學(xué)生的操作技能和安全意識。在實(shí)驗平臺建設(shè)中，虛擬仿真實(shí)驗與傳統(tǒng)實(shí)驗有機(jī)結(jié)合，保證了公共衛(wèi)生領(lǐng)域?qū)W生培養(yǎng)的質(zhì)量。

3 虛擬仿真實(shí)驗在實(shí)驗平臺建設(shè)中的優(yōu)越性

3.1 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且危險實(shí)驗操作的可行性

在實(shí)驗平臺建設(shè)的基礎(chǔ)上引入虛擬仿真實(shí)驗，增強(qiáng)了復(fù)雜且危險實(shí)驗的可行性。本科生所開展的實(shí)驗教學(xué)中，有很大一部分難以進(jìn)行實(shí)際操作如霍亂弧菌的有關(guān)實(shí)驗，一是沒有成熟的實(shí)驗條件，二是會有感染的風(fēng)險。然而缺乏相應(yīng)實(shí)驗操作的經(jīng)驗，會導(dǎo)致在后續(xù)的工作中遇到類似的危險病原菌無從下手。虛擬仿真實(shí)驗沒有關(guān)乎安全因素和實(shí)驗條件的顧慮，可使學(xué)生沉浸式體驗這類危險實(shí)驗的操作，并了解更多病原微生物知識，為工作積累寶貴的經(jīng)驗。當(dāng)然，一些實(shí)驗項目可在傳統(tǒng)實(shí)驗室中開展，對學(xué)生有一定的教育性，但由于實(shí)驗復(fù)雜且難以控制很難完成整個實(shí)驗，并且很難得出預(yù)期的實(shí)驗結(jié)果，這類實(shí)驗也可利用虛擬仿真實(shí)驗來準(zhǔn)確完成整個操作。此外，實(shí)際操作過程中難以觀察到很多精密儀器的內(nèi)部構(gòu)造和理解儀器工作原理，造成儀器操作不熟練甚至是儀器損壞情況的出現(xiàn)。在虛擬仿真實(shí)驗中，可形象的觀察精密儀器的內(nèi)部構(gòu)造和主要性能，無限次使用儀器對某種物質(zhì)進(jìn)行測定最終達(dá)到熟練操作的目的。

3.2 完善實(shí)驗平臺建設(shè)，提高實(shí)驗教學(xué)效率

虛擬仿真實(shí)驗的完善在實(shí)驗平臺建設(shè)中邁出重要的一步，它打破了傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)的限制。在傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)中，教師有自己的授課節(jié)奏，以講解演示為主，不能顧及到所有學(xué)生的接受理解能力，導(dǎo)致部分學(xué)生在講解過程中不能理解實(shí)驗原理，但學(xué)生仍按部就班完成實(shí)驗，缺乏獨(dú)立思考。實(shí)驗結(jié)束后，學(xué)生撰寫實(shí)驗報告，教師批閱打分，在此教學(xué)模式下，教師過多的注重實(shí)驗結(jié)果，忽視了學(xué)生的操作過程。此外，受實(shí)驗室布局的影響，老師在介紹實(shí)驗儀器的使用時，不是所有學(xué)生都能觀看到并掌握儀器的正確使用方法。部分實(shí)驗周期過長且學(xué)生不熟悉，會浪費(fèi)過多的時間。學(xué)生可利用虛擬仿真實(shí)驗平臺進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，以解決實(shí)驗過程中所產(chǎn)生的一系列問題，預(yù)判易錯點(diǎn)，標(biāo)明注意事項，加快實(shí)驗操作進(jìn)度，提高實(shí)驗操作能力。教師通過虛擬仿真實(shí)驗平臺查看學(xué)生操作過程，發(fā)現(xiàn)并分析錯誤，進(jìn)而有依據(jù)的改進(jìn)與完善。通過虛擬仿真實(shí)驗與傳統(tǒng)實(shí)驗的有效互補(bǔ)，完善了實(shí)驗平臺的建設(shè)，給學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗課學(xué)習(xí)平臺，提高實(shí)驗教學(xué)效率，拓寬了實(shí)驗教學(xué)的深度與廣度。

3.3 增強(qiáng)實(shí)驗平臺建設(shè)的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生科研素養(yǎng)

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的教育和培養(yǎng)離不開實(shí)驗室平臺的建設(shè)[7]。虛擬仿真實(shí)驗在實(shí)驗平臺建設(shè)中有很多創(chuàng)新，首先，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗室的不足，開闊了學(xué)生的視野，提高實(shí)踐操作能力，節(jié)省實(shí)驗室資源，實(shí)現(xiàn)平臺資源共享。其次，緊跟國家科技發(fā)展步伐，利用平臺進(jìn)行自主實(shí)驗設(shè)計，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維和科研興趣，提高學(xué)生的科研素養(yǎng)[8]。最后，在本實(shí)驗平臺可積累寶貴的經(jīng)驗，提高以后的工作能力，有效解決各種棘手的問題。師生利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗平臺進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)和實(shí)驗操作練習(xí)，避免了出現(xiàn)線下教學(xué)處于密閉空間中的多人聚集現(xiàn)象，確保高校開展實(shí)驗課教學(xué)中師生的安全性。通過虛擬實(shí)驗操作競賽，學(xué)生可體會到到實(shí)驗過程的艱辛及團(tuán)隊合作的重要，并享受創(chuàng)造的快樂和成功的喜悅，從中受益匪淺。

4 結(jié)語

總之，通過此類平臺與傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)的結(jié)合，提高了學(xué)生的科研素養(yǎng)。同時，在建設(shè)過程中應(yīng)加強(qiáng)調(diào)查研究，及時反饋建設(shè)成果，進(jìn)一步通過舉辦大型精品活動、加強(qiáng)儀器設(shè)備開放使用等促進(jìn)平臺建設(shè)，推動實(shí)驗室建設(shè)向更高層次發(fā)展。此外，虛擬仿真實(shí)驗與傳統(tǒng)實(shí)驗形成互補(bǔ)，推進(jìn)教學(xué)手段創(chuàng)新，完善實(shí)驗平臺建設(shè)，促進(jìn)高校人才培養(yǎng)。

引用

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