基于“基础医学虚拟仿真实验”启发医学技术专业学生“早科研”意识
作者： 孙旺杰 王少峡
［摘 要］ 信息化教学是医学教育的发展趋势。围绕医学技术专业人才的培养特色，依托天津中医药大学“虚拟实验室”教学平台，设计了以“基础医学虚拟仿真实验”为基础，以“早科研”为核心思想，以多媒体为教学形式的实验类选修专业基础课程。该课程将实体教学与仿真操作有机结合，提升了学生的学习兴趣和“早科研”意识，为高素质医学技术专业人才培养奠定了基础。
［关 键 词］ 基础医学；虚拟实验室；“早科研”意识
［中图分类号］ G６４2 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 2096-0603（2024）24-0125-04
近年来，我国十分重视高等院校学生的综合素质教育，而医学教育是连接“健康中国”战略和“教育强国”战略的重要桥梁，因此培养更加顺应现代医学发展需求的复合型、应用型的高层次医学人才是21世纪高等医学院校的主要目标[1]。2012年，医学技术类（专业代码：101000）作为医学门类下的一级学科，首次被纳入由教育部印发的《普通高等学校本科专业目录（2012年）》。面向国家战略需求，我校于2020年开始招收医学技术类专业考生，为医学高等院校、各级医院、科研院所和医学研究工作输送高素质专业人才。该学科是现代医学不可或缺的重要组成部分，是一门基于现代科学技术原理和实践，对疾病相关的预防、诊断、治疗及术后技术等进行研究与创新的学科[2]，其重点不再是关注疾病本身，而具有医学与生物工程技术、生物科学等多学科相交叉的学科特点，实践性和操作性极强，因此对学生综合能力的培养尤为重要。
虚拟仿真技术随着信息技术的高速发展应运而生，是科技进步的新产物，目前已应用于理学、工学、医学等多个领域[3]。虚拟仿真实验是指将计算机硬件和软件相结合，将实验所用仪器、试剂和耗材以实体为标准进行图像采集，应用文本、图像、动画、视频和音频等素材及丰富、有趣的人机互动方式，为使用者创建高度仿真的实验操作环境。目前已有多位学者研究表明，将其应用于医学实验教学中，有助于提高教学效率[4-5]。
医学实验教学在培养学生学习兴趣、锻炼动手能力、提升综合能力等方面有着理论教学无法比拟的作用。但是在实验教学的具体实施过程中常面对实验学时不足、实验试剂昂贵、实验场地受限等诸多问题，导致有些实体实验难以开展，不利于学生能力的培养。而借助于我校“虚拟实验室”线上教学平台，将一些线下难操作和较抽象的实验虚拟化，并通过线上和线下有机结合的教学模式，设计了一门针对我校医学技术专业学生的实验类选修专业基础课程，即“基础医学虚拟仿真实验”。本课程通过“先线下讲授，再线上实操”的两步走模式实现实验教学的虚实结合，以学生为主体，教师为引导，在仿真操作过程中，通过每个操作环节提问题的方式让学生主动思考，让学生明确该课程在未来实际工作中的具体应用，紧密与实践应用和前沿知识相结合，同时不断优化和完善教学体系，如此循环往复，进而提升课程的质量和水平，提高学生的学习兴趣和科研意识，从而适应未来学科发展对高素质医学人才的要求。本文针对医学技术专业人才培养目标，介绍虚拟仿真混合式教学模式在“基础医学虚拟仿真实验”课程中的探索和实践。
一、“基础医学虚拟仿真实验”教学在医学技术专业中的必要性
医学技术专业作为一级学科，是不同于临床医学、药学和护理学的一组医学相关专业群的总称，是一门基于现代医学的技术原理和实践，对直接或间接服务于临床的一系列预防、评估、检测、治疗和康复等其他技术支持手段的理论和实践进行交叉研究与综合创新的学科[6]。近年来，随着医学技术类专业本科教育的快速发展和现代医学科学技术的进步以及医疗保健市场的需求，医学技术专业领域越来越广，专业也越来越多，根据《普通高等学校本科专业目录（2024年）》的通知，医学技术类专业现已开设包括传统类专业以及新兴类专业共14个二级学科。但是，对比分析国内与国外医学院校该专业的发展现状后，发现尚存在一些问题。林雷等[7]指出，尽管医学技术学科专业布点迅速增加，但是与医疗卫生事业的需求仍存在一定脱节。李冬凉等[8]表示，国内医学技术学科的国际排名与国外顶尖高校仍有一定差距。在我国的教育体系中，基础医学教育是医学教育的基石，不仅为学生将来从事医疗工作提供了重要的保障，还为培养学生终身自我学习的能力奠定了基础。高校基础医学教育的实验教学是培养高素质医学人才的主要路径，在培养学生实践能力和创新能力等方面发挥着举足轻重的作用。而传统的基础医学实验教学中存在实验教学资源匮乏、实验教学模式单一等问题，学生主观能动性和自主参与度不足，不利于高素质医学人才的培养[9]。1989年，美国William Wolf教授首次提出“虚拟仿真实验”，旨在构建一个基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作平台。随后，众多国家对“虚拟仿真实验”进行了探索，一些国外高校已将虚拟仿真技术应用于医学实验教学中[10]；20世纪90年代后期，随着我国信息化进程的推进，高校“虚拟仿真实验”教学建设工作迅速发展，探索增设了一些虚拟实验教学内容[11-12]；“十二五”规划初，教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》，文件明确指出，“要建设并不断更新满足各级各类教育需求的优质数字资源，开发深度融入学科教学的课件素材、制作工具，完善各种资源库，建设优质网络课程和实验系统、虚拟实验室等，促进智能化的网络资源与人力资源结合。”鉴于此，我校于2012年在“十二五”综合投资的支持下，与知名企业深度合作，建立了“虚拟实验室”实验教学平台。
综上所述，在“新医科”建设的背景下，充分利用我校“虚拟实验室”教学平台，全面优化基础医学实验教学体系，对培养更加顺应时代发展需求的复合型、应用型高层次的医学技术专业人才具有重要意义。
二、“基础医学虚拟仿真实验”教学在医学技术专业中的具体实施
经过几年的建设与发展，我校“虚拟实验室”实验教学平台现已搭建了5个虚拟仿真实验子平台：机能学虚拟仿真实验平台、形态学虚拟仿真实验平台、病原微生物学虚拟仿真实验平台、分子生物学虚拟仿真实验平台和临床医学虚拟仿真实验平台。围绕医学技术专业培养目标，优化基础医学二级学科，依托“虚拟实验室”实验教学平台，系统地构建了多学科交叉的实验类选修专业基础课程——“基础医学虚拟仿真实验”（见表1），包括基础验证实验和科学创新实验，为学生提供系统化和阶梯化的实验指导，培养更加顺应现代医学发展需求的复合型、应用型的高素质医学专业人才。本文以分子生物学虚拟仿真实验平台中“细胞培养技术”为例，有机结合线上和线下教学，介绍虚拟仿真混合式教学模式的课程设计思路和具体实施方案以及应用成效，它将突破传统实验教学的局限，提高学生的“早科研”意识。
（一）虚拟仿真混合式教学模式的设计
细胞培养实验已经渗透到生物学、医学、药学等多个分支领域，是现代生命科学中一项最基本的实验技能，能最大限度地培养学生的创新意识和科研意识，为其后续开展生物科学研究工作奠定基础，从而提高学生的科研能力。细胞培养实验课程的主要内容是在生物体外模拟生物体内的生理环境，在无毒、无菌、温度适宜和一定的营养条件下进行细胞培养，使之生存和生长。由于实验所需空间大、实验周期长、实验试剂价格昂贵、实验无菌环境要求高以及涉及动物解剖高难度操作等不确定因素较多，初次实验成功率较低，线下实验教学开展困难。借助“虚拟实验室”教学平台，通过“先线下PPT讲授，再线上虚拟实验”两步走模式实现线下和线上实验教学的有机结合，有助于解决这一难题（图1）。
首先，根据“细胞培养”虚拟仿真平台的应用确定PPT授课内容。具体包括：
1.细胞培养的基础知识：介绍细胞培养的基本概念，细胞复苏、传代以及冻存的原理，常用培养基的组成与选择。
2.细胞培养的实验操作：介绍实验所需仪器与材料、细胞培养的分类、原代细胞培养的过程。
3.细胞培养的无菌操作：介绍消毒方法和无菌操作等方面的知识。
该授课内容知识点明确，为线上虚拟实验奠定了理论基础，达到了理论知识的有效传递和课程效果的良好提升。在完成线下PPT授课后，进入线上虚拟仿真操作阶段。在此阶段，教师不再是讲授者，而是旁观者和引导者。首先教师引导学生通过局域网链接注册虚拟仿真实验平台的账号，登录平台进行学习。在“细胞培养”虚拟仿真实验过程中，每个步骤都需要学生应用已有的理论知识进行实验选择，只有选取正确的仪器材料及实验条件后才可进入下一步实验操作。此过程充分引导学生发挥其主观能动性，让学生带着问题开展实验，巩固对理论知识的掌握并激发学习兴趣进而提高科研意识。
（二）虚拟仿真混合式教学模式的实施
细胞培养技术实验内容抽象，缺乏直观性，学生理解起来稍有难度。课程伊始，首先通过“人宫颈癌细胞系HeLa细胞的前世今生”趣味小故事引入“细胞培养技术”这一概念，并在其中融入生物安全、医学伦理学和科研诚信等内容，培养学生科研能力的同时帮助学生形成正确的科学价值观。其次，按照上述课程设计，依次介绍细胞培养的基础知识、实验操作和注意事项。最后，学生进入仿真操作环节，“细胞培养”虚拟仿真实验平台利用Flash技术，构建了高度逼真的 3D 实验场景，以动画的形式呈现了该实验的全过程，极大地激发了学生开展实验探究的兴趣。
细胞培养虚拟仿真实验流程包括从动物胚胎或幼龄动物的组织中筛选出合适的细胞，并通过倒置显微镜进行细胞形态检查，随后将处理好的细胞转移至培养瓶中并提供必要的营养、气体环境和适宜的温度进行培养。在仿真操作过程的重要环节和节点处，以试题形式对关键知识进行考查。值得一提的是，在仿真操作过程中，始终以弹窗形式强调无菌操作，强化了学生的无菌意识。在完成所有仿真实验后，平台依据试题解答情况进行实验评分，同时对具体失分情况进行详细说明，学生可以据此了解自己的操作情况。在实验重要节点处的试题设置，使学生像玩闯关游戏一样，只有正确完成第一步操作才可以进入第二个环节，在完成所有“游戏”后学生掌握了细胞培养的基本操作和注意事项、细胞培养的环境要求、倒置显微镜的正确使用等，真正做到了寓教于乐，提高了学生的学习兴趣和积极性。此外，该虚拟仿真实验平台可以反复学习、实践，学生通过多次强化练习，在线下实操之前就可以熟悉细胞培养的整个实验过程，避免了线下操作中对细胞培养不熟悉的情况出现，为后续开展生物科学研究工作奠定了基础。
（三）虚拟仿真混合式教学模式的成效
在“互联网+教育”的今天，虚拟仿真实验教学平台通过计算机网络创建了与现实实验环境相似的仿真环境，从而能补充实验教学中由于真实技术场景过于复杂而难以开展的实验内容，为学生提供身临其境的实验环境，进而提升实验教学质量，提高学生的综合素质[13]。将我校“虚拟实验室”教学平台引入基础医学的实验教学中，通过线上和线下资源的有机结合，对虚实结合、以虚补实的混合式教学模式进行了探索和实践，成效良好。课程结束后教师进入“虚拟实验室”管理系统统计了细胞培养课程学生访问数据并对全体授课学生共计103人进行了问卷调查，反馈如下。
1.从“虚拟实验室”管理系统访问数据来看，学生人均访问“细胞培养”平台4.5次，平均访问时长50分钟。
2.从课堂表现来看，师生互动频率提升，学生有问题会大胆提问，能有效解决自己的困惑。