虚拟仿真实验在“病毒学检验”教学中的应用

Application of Virtual Simulation Experiment in the Teaching of “Experimental Virology”

摘要

病毒学检验是一门在病毒性传染病的诊断、防治中发挥重要作用的课程。作为卫生检验与检疫专业的主干课程，是提升学生综合职业能力和职业素养的关键。针对该课程的学习，不仅是在向学生传授理论知识，更重要的是在教学过程中帮助学生提升专业综合能力，其根本目标是帮助学生运用所学的理论知识解决实际问题。然而传统教学中，学生分析问题和解决问题的综合能力普遍不足。针对这一问题，浙江中医药大学始终坚持“学生中心、问题导向”的实验教学理念和“虚实结合、手脑共训”的教学设计，不断探索改进教学方式，以满足应用型人才专业综合能力的培养。通过分析虚拟仿真实验在病毒学检验教学中的开展情况，探讨虚拟仿真实验应用于病毒学检验课程教学的可行性。

Abstract

Experimental Virology is a course that plays an important role in the diagnosis, prevention and treatment of viral infectious diseases. As the main course of health inspection and quarantine specialty, it is the key to improving students’ comprehensive professional competency and professionalism. The teaching of this course involves not only imparting theoretical knowledge to students but also more importantly helping students improve their professional comprehensive ability in the process of teaching. Its fundamental goal is to help students solve practical problems with the theoretical knowledge they have acquired. However, in the traditional teaching, students’ comprehensive ability to analyze and solve problems is still generally insufficient. To solve this problem, our university adheres to the experimental teaching concept of “student-centered and problem-oriented” and the teaching design of “combining virtual-real and hand-brain training”, and constantly explores and improves teaching methods to meet the cultivation of professional comprehensive ability of application-oriented talents. By analyzing how virtual simulation is carried out in Experimental Virology, this paper discusses the feasibility of applying virtual simulation teaching to Experimental Virology.

Graphical abstract

关键词

病毒学检验 / 卫生检验与检疫专业 / 教学理念 / 人才培养 / 虚拟仿真

Key words

experimental virology / specialty pf health inspection and quarantine / teaching philosophy / talent training / virtual simulation

病毒学检验是浙江中医药大学（以下简称我校）卫生检验与检疫专业的主干课程之一，其主要教学目标是使该专业学生掌握病毒学的基础知识，并熟悉各种常见传染病毒的种类、致病性、分布规律、传播规律等。在新医科背景下，我校以“健康中国2030”规划和“高水平健康浙江战略”为指引，以岗位胜任力为导向，构建教育供给与产业需求全方位融合的人才培养模式，培养具有坚定理想信念和深厚家国情怀的卫生检验与检疫专业人才。毕业生将具备初步的卫生检验与检疫专业能力、应对突发公共卫生事件的能力，以及分析影响人群健康的各种因素及疾病发生和流行规律的科学研究能力；他们能够胜任疾病控制中心、出入境检验检疫局、口岸和与卫生检验与检疫相关机构，以及其他医学技术实验室的工作，能适应我国公共卫生事业、卫生检验检疫工作和社会现代化发展的需求。虚拟仿真技术是通过计算机模拟生成一个三维空间的虚拟世界，让使用者能够身临其境地观测^［1］。虚拟仿真实验室主要针对由于实验条件不具备或涉及高危风险、高成本的实验项目时，按照“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则提供可靠安全和经济的实验项目，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。通过虚拟仿真实验，学生能够直观地接触到一些在学校难以见到的实验项目，从而提高教学质量。2020年9月，国务院办公厅印发《关于加快医学教育创新发展的指导意见》提出，把医学教育摆在关系教育和卫生健康事业优先发展的重要地位，立足基本国情，以服务需求为导向，以新医科建设为抓手，着力创新体制机制，分类培养研究型、复合型和应用型人才，全面提高人才培养质量，为推进健康中国建设、保障人民健康提供强有力的人才保障^［2-3］。然而，自2013年以来，尽管教育部已建立了300多个国家级虚拟仿真实验教学中心，但医学类虚拟仿真实验教学中心仅有37个^［4-5］，这提示我们在医药卫生教育上的投入还需加强。目前，虚拟仿真实验技术已被证实在诸多课程教育中有良好的应用价值。本研究着力于卫生检验与检疫专业，以病毒学检验课程为依托，探究在提高教育质量和学生专业能力方面的应用潜力。

1 资料与方法

1.1 研究对象

以2015 — 2020级卫生检验与检疫专业全体学生为研究对象，统计各级学生期末考试成绩，此外根据学生是否接受过虚拟仿真实验教学进行分组问卷调查。

1.2 研究方法

收集各级学生病毒学检验课程期末考试成绩进行对比分析，并对2019级和2020级学生病毒学检验课程期末考试的小题得分率进行进一步的分析比对。

此次虚拟仿真实验采用了山东泽众电子科技有限公司虚拟仿真实验教学平台提供的医学检验虚拟实验项目“急性胃肠炎（诺如）疫情监测虚拟仿真实验”（https：//xnfzjx.zcmu.edu.cn/mengoo/CourseInfo？id=8733aadf-87c1-4f30-be0a-0448f81c3079）。该虚拟仿真实验项目模拟设计了检验人员进出实验室、标本转送、标本处理，以及实验室检测等各个具体环节和操作，既强调防疫的生物安全重要性，加强学生对实验室病原微生物安全防护的认识，又涉及荧光定量PCR操作的细节操作，提高了学生实验操作的水平。

1.3 评价方法

病毒学检验实验的教学效果评价基于混合式教学的评价系统，强调形成性评价与总结性评价、相对性评价与绝对性评价相结合，充分考虑学生综合能力的发展，对其能力水平做出客观评价。在此，我们采用考核成绩和问卷调查进行教学评价。考核成绩主要为病毒学检验课程期末考试成绩（满分100分），其中小题分析为试卷简答题部分的得分分析，由于分值不同，我们以学生的得分率进行计算。调查问卷通过问卷星发放给全体学生，主要针对病毒学检验实验总体流程操作流畅度、实验仪器使用熟练程度、操作规范化程度、实验细节处理能力水平、对陌生实验室环境的适应能力、实验生物安全相关处理能力水平、课程学习后能力提高水平和课程对实际实验操作指导作用这些方面让学生进行自评（满分10分）。最终根据是否受过虚拟仿真实验教学分为两组，进行差异性分析。

1.4 统计分析方法

本研究采用SPSS 25.0软件对数据进行统计分析，采用GraphPad Prism 8绘制图片。对于收集的数据资料，计量资料采用（x±s）表示，多组数据样本比较采用单因素ANOVA检验，两组数据样本比较采用独立样本ｔ检验，以Ｐ<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 虚拟仿真实验在病毒学检验教学中的应用

虚拟仿真技术是以计算机为载体，将多种技术元素综合在一起，模拟现实各种环境的一种技术。虚拟仿真实验能够在现实条件无法达到的情况下满足学生的教学需求。我校病毒学检验教学坚持“学生中心、问题导向”的教学理念，遵循《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》中突出学生为中心的原则^［6-8］。教师必须坚持以学为中心，以学生为主体，以问题为导向，改革教学方法，引导学生自主学习，充分培养学生自主学习能力、探究学习能力，以及合作学习能力，塑造健全人格，摒弃简单的知识灌输思想^［9］。而目标问题导向式教学模式是一种以目标问题为导向，利用目标问题组织教学的创新型教学模式。所谓目标问题就是为促进国家、学校及专业三个层面人才培养目标的有效达成，围绕课程知识体系设计的课程教学问题^［10］。根据这一理念，我校对病毒学检验教学方式进行创新，引入虚拟仿真实验教学（图1）。通过案例导入、学生自主实验设计、人机交互训练等方式，进行“虚拟仿真实验设计思维训练+交互式实操技能训练”，将课堂理论教学、实验原理、实验操作技能有机整合，培养学生融会贯通专业课程、应用专业知识通过自主设计解决实际问题的能力，使学生能根据实验室检测结合流行病学调查对诺如病毒疫情风险进行评估。此外，我们还通过信息技术、智能技术与真实实验教学深度融合，完全模仿实际实验教学所需场景和各种仪器设备、实验流程等；利用3D仿真和动画技术制作成虚拟仿真实验操作平台；设计虚拟标准化操作流程，开展“虚拟仿真实验设计思维训练+交互式实操技能训练”，通过“身临其境”自主学习，开展思维训练，激发学生的学习兴趣。

2.2 学生课程期末考试成绩比较

本研究中整理了自2015级以来卫生检验与检疫专业学生病毒学检验期末成绩并进行分析。各年级成绩平均值和标准差如表1所示，方差齐性检验和单因素ANOVA检验显示组间存在统计学差异（P<0.05）。进一步对2016 — 2020级学生期末考试成绩进行多重比较分析，发现除2018与2019级学生成绩P<0.05外，各组间均无统计学差异（P>0.05）（图2）。本研究中，通过统计分析2019和2020级学生期末考试简答题得分率，发现除第三题外，均存在统计学差异（P<0.05）（图3）。

由于对于2015级学生的病毒学检验教学还处于起步阶段，故期末考试相对简单，学生成绩偏高。自2016级开始，随着病毒学检验教学内容的逐渐深入，考试难度增大，故学生成绩有所下降，导致2016 —2018级成绩波动起伏，但这些波动在统计学上没有显著差异。自2019级起，病毒学检验课程引入虚拟仿真实验教学，教学内容再次深入，难度提高，故出现成绩下滑的现象。但通过对2019和2020级学生的期末考试简答题得分率进行分析，发现随着虚拟仿真实验教学体系和方法的不断完善，学生对以往重难点知识的掌握更扎实，理解更深入。

2.3 学生对虚拟仿真实验教学自我能力提高的评价

通过问卷星，我们收集各个年级学生对病毒学检验教学的自我评价，并按照是否接受过虚拟仿真实验教学分为实验组（接受过虚拟仿真实验教学）和对照组（未接受过虚拟仿真实验教学）。从对病毒学检验实验总体流程操作流畅度、实验仪器使用熟练程度、操作规范化程度、实验细节处理能力水平、对陌生实验室环境的适应能力、实验生物安全相关处理能力水平、课程学习后能力提高水平，以及课程对实际实验操作指导作用等角度，以1~10分进行评分。共计回收148份有效答卷，其中实验组80份，对照组68份。采用t检验对两组学生各方面的评分进行分析比对，发现均存在显著性差异（P＜0.05），实验组的评分普遍高于对照组（表2）。结果表明，虚拟仿真实验教学能够提升学生的实验操作水平、实验操作规范化程度，以及对陌生实验室环境的适应能力等多个方面的综合素质。

3 讨论

3.1 病毒学检验课程的定位

病毒学检验是卫生检验与检疫专业必修课程，是一门以医学病毒学和流行病学的基本理论为指导，病毒学实验的基本方法为基础，结合应用免疫学、分子生物学等技术的一门学科，着重于培养学生的专业技能水平以及分析和解决问题的能力，使学生能够通过对临床和流行病学现场的标本进行采集、检测，确定感染的病毒种类及数量，追溯病毒的来源，监测和预测病毒的变迁，为病毒感染和病毒性疾病的诊断、治疗和预防控制提供技术支撑^［11-12］。作为四年制卫生检验与检疫专业学生的专业模块课程，其主要任务是使学生掌握病毒学检验的基本理论和知识，培养病毒学检验的基本技能和生物安全意识。学生应能在规避感染的前提下，完成常见病毒的实验室检验，从而提升其综合职业能力和职业素养^［13］。病毒学检验技术目前已经广泛应用于预防医学、临床医学、生命科学等多个学科的科研及日常工作中。该课程的学习不仅仅是在向学生传授理论知识，更重要的是在教学的过程中帮助学生提升专业综合能力，其根本目标是帮助学生运用所学的理论知识解决实际问题。

3.2 病毒学实验课程面临的主要问题

病毒学检验的实验技能是卫生检验与检疫专业学生未来在疾病预防控制中心从事传染性疾病监测的核心技术。但事实上，目前大多高校病毒学检验实验课的开展都面临着各种各样的困难，主要可分为来自于实验病原体本身和院校资源条件的限制两方面。

源自病原体本身的挑战，主要是由于大多病原体培养条件苛刻甚至无法培养（人诺如病毒尚未获得成功培养）、培养周期长，而且受生物安全防护、实验仪器耗材等条件限制，极大地增加了教学难度，难以有效调动和激发学生的学习兴趣，导致教学效果不佳。此外，来自于院校资源条件限制方面的问题，包括实验课分配的课时不足以完成实际实验内容所需要的时间；教学实验室建设未达到病原微生物安全防护的要求，涉及一些有较强传染性和致病性的病原体实验无法开展；实验教学模式较为单一，多以演示性和验证性实验为主，且学生往往以几人为组，分配到的实验资源有限，学习的积极性受到影响^［14］。病毒学检验实验课程的实践性极强，但传统的授课方式主要为单向的信息流动，这种教学方式不仅忽视了学生的主体性和参与性，也忽视了知识向能力的转化过程，学生缺乏学习动力，只针对于理论进行机械性记忆，开展验证性实验，知其然，不知其所以然，并没有将理论和实践融会贯通，使得病毒学检验教学与实际检验工作脱节现象日趋明显，学生的理论考试成绩无法真实反映其病毒学检验技能水平。另外，传统的教学实验方法通常以手工为主，然而在实际工作环境中都配备了自动化设备，这种差异进一步加剧了教学与实践的脱节^［15］。因此，在专业实验课程的授课过程中，应更加注重引导学生走出校园，接触社会，了解实际工作环境，以便学生更好地适应未来的职业需求。

3.3 虚拟仿真实验在病毒学检验学教学中的优势分析

基于上述存在的问题，病毒学检验的实验教学立足学生综合能力发展，将病毒学检验的前沿技术、病毒性疾病疫情监测等内容有机融入现有教材。及时更新教学内容，安排有深度的学习内容，以“知识、实践、创新、人文”四个维度拓展课程内容的深度和广度。在实验内容的安排中，强调课程的连续性和探索性，通常在学期末安排为期两周的连续实验，将不同实验依据科研设计的思路，相互串联，形成完整的科学课题研究，培养学生的科研能力。线下实验教学采用连续性实验模式，以案例为线索，将实验拆分为病毒的原代及传代细胞培养、呼吸道病毒的培养及检测、腹泻病毒疫情监测三大模块，将不同实验内容重新安排规划。针对腹泻病毒疫情监测模块，通过“虚实结合”线上线下混合教学，结合《诺如病毒急性胃肠炎疫情监测》虚拟仿真实验平台，设计线上模拟案例，学生可结合虚拟仿真实验内容，引导学生结合疾病的临床表现、流行病学信息分析疫情的病原体，通过样本采集、核酸提取、病毒的核酸检测、结果分析与报告等一系列完整的过程，探索并完成病毒学检验实验课程的学习。通过引入的病毒性传染病疫情案例，引发学生的思考，激发学习动力，提升课程深度，从而训练其岗位胜任力与综合实践能力。这种教学模式不仅有利于培养学生的批判性思维能力和创新能力，也能够在一定程度上激发学生的科研发展潜能，满足新时代背景下社会对于创新应用人才的需求。病毒学检验课程的虚拟仿真实验教学模式克服了传统实操训练的单一性，坚持“学生中心、问题导向、课程融合、创新实践”的实验教学理念（图4），注重培养学生的观察能力、思维能力、操作能力，以及发现问题、解决问题和实践创新的能力。在多年“模拟标本的微生物检验设计性实验教学”基础上，以急性胃肠炎的主要病原体诺如病毒为例，设计虚拟标准化操作流程，“虚拟仿真实验设计思维训练+交互式实操技能训练”相结合，通过文字、图片、视频等多种媒介实现以虚促实、虚实结合，以虚拟形式呈现，为学生提供线上与线下相结合的混合式实验教学资源。线下先开展理论知识学习梳理实验设计思路，线上进行交互式虚拟仿真实验室操作训练，供学生深入细致地学习急性胃肠炎疫情。我们将真实案例导入教学，以吸引学生循序渐进开展沉浸式学习。在完成交互式虚拟问诊、疫情现场调查后，引导学生发现并分析问题。学生自主学习后形成并上传食源性疫情病原分析及检验的实验方案设计；在教师审核通过后，学生进入虚拟实验室开展虚拟仿真实验室检测（以诺如病毒为例），通过人机交互的方式，实现边练习、边学习、边调整，错误和不足之处及时得到改正和补充；完成实验后，学生提交实验报告，并根据实验结果，自主开展食源性疫情分析及控制措施制定，最后上传总结报告。在整个实验过程中，学生动手又动脑，极大发挥了学生的自主性和主观能动性。

学生经过发现疑似疫情、疫情现场调查及样本采集、食源性疫情病原分析及检验方案设计、开展虚拟仿真实验室检测这4个模块的学习后，反思自己的全部操作，结合自己掌握的实验结果的多样性，形成食源性疫情分析及控制措施制定。通过一边反思一边总结，学生的学习过程得到升华。

4 结语

病毒学检验课程依托于卫生检验与检疫专业建设，是卫生检验与检疫专业学生学习工作的基础。病毒学检验的教学，决不能仅停留在专业技能培养上，更应体现在对学生的岗位胜任力与职业道德的培养上。社会需求的检验人才已经从知识型向高素质、多面发展和创新型转变。新时代的卫检人不仅需掌握扎实的专业知识，更应具备丰富的人文素养、献身人类公益事业的高尚职业情操、谨慎细致的工作态度和勇于创新、求真探索的科学精神。对此，我校坚持“学生中心、问题导向”的实验教学理念，并采用“虚实结合、手脑共训”的教学设计。在病毒学检验课程的教学中加入虚拟仿真实验平台教学，模拟真实的病毒检验实验现场，拓宽学生的专业知识面，提高他们综合运用知识技能解决实际问题的能力。通过加入虚拟仿真实验教学，我们克服了传统教学方式资源不足，管理困难等问题。经过长期的教学，证实了虚拟仿真实验教学应用于病毒学检验课程不仅能提高学生卷面考试和实验考试的成绩，还能开拓学生的视野，接轨前沿技术，更好地将理论应用于实践。基于这些调查和长期以来的教学反思，我们认为虚拟仿真实验能够极大地提升课程教学效果。此外，我们认为虚拟仿真实验在课程教学中的应用应不断完善，做到“便、全、精”，即更加便利，从依赖于电脑的客户端发展为只用智能手机就能操作的移动端；更加全面，能够覆盖多门课程、多种实验以及满足不同实际情况下的需求；更加精细，不断优化细节，保持高水平的现实度，做到真正的“仿真”。

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基金资助

教育部产学合作协同育人项目(220506053202208)