医学免疫学与病原生物学实验教学中虚拟仿真技术的应用

医学免疫学与病原生物学实验教学中虚拟仿真技术的应用

医学人类学是中医学的一、】重要基础课程。它是生命因素的重要组成部分，具有很强的实

践和应用。医学免疫学与病原生物学实验是一门重要的、独立的教学课程，主要通过学习

基本的免疫学原理、病原生物学的实验操作，熟悉免疫功能异常所致的病理损伤及其机制,

熟悉病原生物的形态、致病机制、预防诊断以及治疗方法，增强学生对机体免疫机制及病

原生物的感性认识.促进学生对免疫及病原生物学的深入理解

近年来，虚拟仿真技术已经广泛应用于多个专业的实验教学，并且取得了丰硕的成果

1建立模型的必要性

豚鼠过敏性休克实验为医学免疫学与病原生物学这门课程中常规而重要的实验教学项目，

通过此项实验让学生掌握I型超敏反应的发病机理、临床表现及特点，同时了解豚鼠过敏

性休克模型的制作方法。在该实验教学项目的实施过程中，我们发现该实验项目存在以下

几个问题：

1.1实验动物的操作

免疫学与病原生物学实验教学一直处于教学从属地位，实验多以验证性实验为主，自主实

验及综合性实验项目缺乏,在豚鼠过敏性休克实验中有很多操作流程，如过敏原制备、实

验动物的造模、实验动物的观察、实验动物心尖定位及心脏注射等，这些都是经典的实验

操作，由于实验条件及课时的限制，学生都无法进行学习。在传统的豚鼠过敏性休克实验

中，学生只参与对示教性实验动物的观察，主要的实验环节都由实验教师操作，学生对整

个实验操作流程缺乏完整的认识，实际动手操作的部分很少，对该实验的印象不深刻。而

I型超敏反应在临床上甚至在日常生活中都非常常见，这样的实验教学不利丁医学生实践

能力及创新能力的培养。

1.2实验操作开展难

豚鼠首次注射过敏原，需经过M〜21天，才进行第二次过敏原的注射，在这个过程口，

由于豚鼠饲养的环境要求高，再加.上豚鼠习性温顺，胆小易惊，往往在这21天的饲养过

程中，豚鼠就死亡过半，到实际进行实验教学的当天，能给予学生进行实验操作的豚鼠数

量已不多。而且，该造模过程全部由实验室的教学辅助人员完成，同学们无法观察到实验

过程，也不能观察到造模期间豚鼠的反应和变化，对实验缺乏感性认识.

1.3传统实验课培养模式的不足

豚鼠过敏性休克实验中，第二次注射过敏原后数分钟，动物出现不安、用前爪骚鼻、咳嗽、

打喷嚏、耸毛、痉挛、大小便失禁、呼吸困难、站立不稳，甚至窒息而死亡，出现过敏性

休克症状。豚鼠批次不同、个体差异、实验室环境温度等因素均对实验结果产生影响，有

时造模豚鼠并不出现典型的I型超敏反应症状。在传统实验课中，为了保证每个班级上实

验课的学生都能看的典型的I型超敏反应现象，实验教辅人员需要准备较大批量的豚鼠，

工作量大，有时也造成实验动物的浪费。大多数情况下，由于场地和专业的限制，豚鼠过

敏性休克实验只供医学、中医学类专业学生观察，实验覆盖面较窄，其他专业的学生连实

验现象都无缘观察，更不要说参与整个实验操作过程。学生缺乏锻炼机会，不利于学生动

手能力的提高及对实验的理解。

1.4实验成功率低

在第二次注射过敏原诱发过敏的实验操作中，由于豚鼠心脏较小，学生很难准确找到位置,

实验成功率比较低。即便心脏注射操作成功，又可能由于•豚鼠的个体差异等问题，豚鼠并

没有表现出明显的过敏性相关症状，导致学生无法观察到明显的过敏性休克症状，难以达

到实验教学的目的和要求,

2.操作实验操作

虚拟仿真实验项目是借助多媒体、仿真和虚拟现实等技术，利用软件模拟实验过程，用计

算机生成一种特殊的立体环境，操作者可以身临其境地进行实验操作，以弥补学生在传统

实验教学中的缺失，进而提高实验教学质量、增强学生学习兴趣、培养学生创造力和想象

力的一类实验项目。通过豚鼠过敏性休克虚拟仿真实验项目，学生可以随时随地地观看和

自主学习相关理论知识和实验视频，掌握繁琐复杂的从豚鼠造模到诱发I型超敏反应的全

过程，然后进行虚拟实验操作。

2.1实验系统的组成

将豚鼠过敏性休克虚拟仿真实验做成一个模块化系统，系统由I型超敏反应的发病机理知

识点复习、实验日的、实验原理、实验操作视频、思考题、虚拟实验操作等6个部分组成。

2.2实验过程将每一步操作点进行详细的介绍

实验视频包括实验材料的准备、过敏原的制备、实验动物的分组与注射、实验动物的观察、

实验结束的清场等整个实验过程。实验视频应对每一步关键的实验操作点进行详细的配音

讲解，使学生能全面了解豚鼠首次接种过敏原到再次接触过敏原诱发过敏，并发生一系列

过敏性反应，甚至出现过敏性休克的整个过程。实验视频可以直观、真实地展示I型超敏

反应发生发展的过程，使学生的知识体系更加连贯，避免学生知识碎片化。

2.3操作实验部分

虚拟实验操作是整个虚拟仿真实验项目的重点，也是学生可以进行自主操作的实验部分。

学生必须掌握实验器材及试剂、实验步骤、实验结果、注意事项等相关理论和实验知识才

能进入操作系统。学生只有正确完成了前一步的实验操作，系统才允许其进入下一步操作,

直至完成全部操作。

3建立龙头企业克氏克氏实验项目的必要性

由于传统的豚鼠过敏性休克实验教学存在实验成本高、造模时间长、死亡率高、教学效果

不佳等等问题，构建豚鼠过敏性休克虚拟实验项目就显得尤为重要和迫切。

3.1在线学习和操作

传统实验由于受时间和空间的限制，一部分教学内容无法以生动的形象呈现给学生。而在

虚拟实验室中，虚拟仿真技术可以打破这种限制。学生可以随时随地进入网上虚拟实验室

进行学习和操作，不受场地和时间的各种限制。以前由实验技术人员进行的前期准备工作,

如实验动物饲养、动物造模、试剂配制等，学生也可以通过虚拟实验平台直观的感受和学

习。通过构建豚鼠过敏性休克虚拟仿真实验教学项目，学生可以随时随地登陆虚拟仿真实

验平台，对于需要熟练掌握的实验操作可以反复多次的练习，进行虚拟操作。

3.2实验材料费。据治理剂为

学生在虚拟实验室中通过操作虚拟仪器和虚拟物品来观察、参与实验，不耗费实验材料。

学生可以多次进入虚拟仿真实验室练习实验，以训练其实验操作技能，既满足了教学需求,

又提高了教学效益，也减少了实验损耗。

3.3教学效果及体会

逼真、立体的表现形式可以让实验过程形象逼真演示出来，教师可结合实际的教学需求，

最大限度的发挥虚拟资源的优势，提升教学效果。首先，在课前学生就可以很清晰的了解

实验的每个步骤，对豚鼠过敏性休克模型的制作方法有一个全面而直观的认识；其次，通

过拍摄的实验教学视频，学生可以比较全面的观察到豚鼠过敏时发生的各种症状，从而对

豚鼠过敏性休克实验有一个更加感性而全面的认识；再次，通过虚拟仿真实验项FI上设置

的思考题，学生可以更好的对实验的过程及结果进行探索和思考。

4基于本项目的虚拟仿真实验正确方案的实践

仿真技术和基于网络的虚拟实验大概在20世纪90年代后期进入我国各大高校。2013年8

月教育部下文在全国高校创建“国家级虚拟仿真实验教学中心”，推动了虚拟仿真实验教

学中心的快速发展。2017年教育部再次下文《教育部办公厅关于2017〜2020年开展示范

性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅[2017]4号），从原来构建虚拟仿真实脸教

学中心转变为构建虚拟仿真实验教学项目

虚拟仿真实验具有激发学生学习兴趣、内容丰富、体验逼真、安全无污染、节约成本、高

效开放等特点，所取得的学习效果等价于甚至优于真实实验所