邓海英,于志君,王育斌,江珍玉,卢莉莉,袁修学,陈亚军

(武汉科技大学医学院，湖北 武汉 430065)

医学微生物学是医药专业学生的专业基础课，主要学习与本专业相关的微生物学理论及实验技能[1-2]，实验课作为课程的重要组成部分，不仅可锻炼学生的动手能力，提高学生的学习兴趣，还有助于加深对理论课的理解。在实验教学过程中，学生常需要操作活的微生物，而现有实验教学条件简陋，缺乏专业防护设施，存在潜在生物安全隐患，同时微生物的培养过程需要耗费较长时间，受学时限制，很多实验尤其是综合性实验无法在教学实验室有效开展。为解决医学微生物学实验教学瓶颈问题，强化实践教学环节，近年来，多所高等院校自主研发了微生物学虚拟仿真实验教学系统，如应牡英等[3]建立了以整合微生物学基本实验操作技术为主要内容的虚拟网络实验教学平台，王晓楠等[4]研发了“肠道致病菌分离与鉴定虚拟仿真实验教学系统”，陈晶等[5]开展了“临床微生物学检验”虚拟仿真实验教学系统研究，这些工作极大地丰富了微生物学实验教学资源，但上述内容主要侧重临床工作相关专业的学习内容设计，针对卫生检验检疫及相关专业的模块化学习内容较少有涉及。

本课题组在前期指导“中药饮片微生物污染检测”大学生创新基金项目研究的基础上[6-8]，依据《医学微生物学》[9]《细菌学检验》[10]教学大纲及现行药典检测标准[11]要求,构建了中药饮片微生物污染检测虚拟仿真实验教学系统，用于卫生检验检疫专业学生的综合性实验、实训及临床相关专业学生的微生物学综合性实验教学，不仅实现了微生物学知识、技能的关联性与系统性，还可培养学生的标准意识、质控意识及独立设计开展实验的能力。

1 建设内容

1.1 总体框架

采用网络技术、计算机仿真技术，依托我校省级医学虚拟仿真实验教学平台，构建了集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体的“中药饮片微生物污染检测”虚拟仿真实验教学系统。实验系统框架包括基础层、平台层、仿真层、应用层。刀片式网络服务器是项目基础层，托管于校园网管中心，提供7×24小时的服务。学生可通过学校教育网和互联网随时随地访问服务器。我校医学虚拟仿真实验教学管理中心作为项目平台层，具有身份认证、课件管理、班级管理、考试管理、学习统计、实验报告提交和批阅、师生互动等功能。虚拟系统采用Adobe Flash仿真动画技术，结合3DMax三维场景建模工具，实现实验仪器、场景的可视化，利用提问，选择题等多种方式实现互动操作，强化知识点学习。实验项目应用层包括微生物计数、耐胆盐革兰阴性菌检查、沙门菌检验三大功能模块。系统具体构架图见图1。

图1 中药微生物污染检测虚拟仿真系统构架图

1.2 项目内容

现行版中国药典[7]关于中药饮片微生物污染检测的内容包括三个层面，①样品微生物污染总体水平评价，包括需氧菌总数(total aerobic microbial count，TAMC)及酵母真菌总数(total yeast and mold count，TYMC)测定；②样品被人或动物粪便污染水平的评估，主要通过对样品耐胆盐革兰阴性菌的定性定量检测实现；③样品中特定控制菌的检验，包括金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、沙门菌、白假丝酵母菌及黑曲霉菌等致病菌或条件致病菌。由于控制菌检验内容涉及微生物种类多，内容繁杂，如将药典规定检测内容直接纳入系统，将会增加平台容量和学习难度，容易使学生在学习中陷入混乱。基于不同控制菌检验样品的供试液制备、检验流程相似，我们将沙门菌检验作为代表性学习模块纳入，帮助学生熟悉饮片样品控制菌检验的流程、方法、质控及结果判定规则。本实验教学系统由微生物计数、耐胆盐革兰阴性菌检测及沙门菌检验三个模块构成，保证了学习内容代表性及逻辑完整性，具体见图2。在进入单个模块学习之前，系统还设计了包括实验场所消毒、穿戴实验防护用品等交互步骤，实现现实操作场景的模拟再现，以强化学生生物安全意识。模块设计内容具体如下：

图2 中药饮片微生物污染检测虚拟仿真实验系统模块构成图

微生物计数：本实验是食品、药品及其他健康相关产品进行卫生学评价的通用性实验，内容具有很强代表性。实验主要针对倾注培养法进行微生物计数检测知识点设计，重点培养学生检验过程中的无菌意识，并掌握检验操作流程、微生物计数规则及注意事项。由于TAMC、TYMC实验的供试液制备、稀释、加样步骤一样，我们针对检验所需样品量、实验工具、供试液制备方法等内容设置了一套交互步骤，而在培养基选择步骤设计了两条路径，学生通过选择任意一个培养基进入后续实验，进一步学习TAMC或TYMC的计数规则及结果正确计算。

耐胆盐革兰阴性菌检测：中国药典规定的耐胆盐革兰阴性菌检测方法为最可能数 (most probable number,MPN) 法[10]，本方法适用于污染程度轻的样品检验，基本流程为供试液制备、预培养、10倍系列稀释、选择性增菌及紫红胆盐葡萄糖琼脂平板接种培养，最后根据平板上菌落生长情况，查表知1g供试品中所含有耐胆盐革兰阴性菌的MPN值。我们针对实验所需的培养基、取样工具、细菌接种工具、选择性增菌培养条件及如何查MPN值等内容设置了一系列交互步骤，同时引导学生在实验中学习MPN法检验的原理及适用范围。

沙门菌检验：沙门菌鉴定是所有医药学生传统经典的学习项目。临床上沙门菌检验主要参照实验室常规方法进行，而卫生学评价中，沙门菌检验需严格按照食品检验标准或者药典规定流程执行，更注重检验过程的控制及标准化。本实验模块除了样品供试液制备等与上述模块相似外，还包括选择培养基接种、可疑菌落识别及后续可疑菌的革兰染色初筛、生化反应鉴定、血清学实验等，是三个模块中最复杂的模块，学生除了需掌握培养基接种、革兰染色等微生物学基本实验技术，还需熟悉生化鉴定实验阳性对照及阴性对照结果特征，强化实验过程的质控意识及贯穿检验过程始终的生物安全意识。

2 教学运行方法及特色

2.1 教学运行方法

线上线下混合式教学法：医学微生物学是一门实践性很强的学科，我们采用线下与线上相结合的教学方法将微生物学理论、基本实验技能、综合创新能力的培养融为一体，构建关联性与综合性更强的知识体系，不仅有利于学科核心知识与技能的掌握，更有利于引导学生对未来职业的认知及培养他们的岗位胜任能力。

线下部分通过课堂授课学习《医学微生物学》《细菌学检验》理论知识，并依据理论课进度，安排学生在微生物学教学实验室学习显微镜的使用、细菌染色方法、培养基制备、细菌分离与接种及常规细菌检验技术，培养他们对微生物及微生物实验的直观感性认识及动手能力，为开展综合性实验项目打下基础。

线上部分通过学生在手机或电脑终端登录虚拟仿真实验课程系统，通过以中药饮片微生物污染检测为目的，在进一步熟悉微生物实验技术的基础上，考查学生是否具备选择合适的方法与路径进行检验的能力，并培养他们关注标准、研究标准的科研思维，增强他们独立解决问题的综合创新能力。学习流程具体见图3。

图3 细菌学检验课程教学体系图

小组讨论式教学法：为调动学生学习积极性，培养学生的团队合作意识，拓宽学习内容的深度与广度，我们将学生每3～4人分为一组，在完成理论及基础性实验训练后，根据所发布虚拟实验主题查阅资料，初步确定实验方案及内容，通过课堂集中PPT展示讨论，进一步对实验方案进行完善，使学生充分了解实验原理、实验模块及操作流程。随后进入虚拟课程学习，并于课后开展实验内容及存在问题的讨论，形成书面实验报告。

学习-测评相结合的递进教学法：为达到预期学习效果，设置了预习-虚拟实验-测评-课后反馈递进式学习流程。在预习环节，设置了预习要求及课前测试题，便于学生了解实验背景；在实验虚拟部分，系统提供了针对实验材料、实验方法、实验结果判断等全方位实验内容和互动测试题，使学生在进行虚拟训练的同时，对相关知识点进行测评，在实验结束后生成测试结果；课后思考题及课后测试题的设置有助于学生对学习内容进一步巩固加深。课程采用动态评价，注重学习过程的考核，使实验考核结果更为科学、客观。学习登录界面见图4。

图4 虚拟仿真学习登录界面图

2.2 课程特色

中药饮片微生物污染检测作为保障药品质量的重要组成部分，长期以来未引起足够重视，近年来随着公众质量意识的加强，其已成为药品质量研究热点之一。本虚拟课程基于中药饮片微生物污染检测相关科研项目研究，以中药饮片微生物污染检验为对象，引导学生学习“非无菌产品”微生物污染检测方法、实验内容、操作流程以及结果判定规则等，将理论知识与科研工作相结合，不仅丰富了教学内容，还有助于学生了解中药饮片污染现状及控制方法，提高了学习兴趣。课程完善运行成熟后，还可用于药品生产、检验、监督等机构和部门开展微生物污染检测人员的技术培训，实现高校服务社会的职能。

课程研发采用计算机技术，以中药饮片微生物污染检测为线索导入，将微生物计数、细菌分离鉴定等多种代表性实验技术融为一体，配套现行检测标准、真实的实验数据及图片，丰富了实验教学资源，解决了医药院校因受实验设备，耗材经费及生物安全等限制，仅开设革兰染色、细菌分离与接种等基础性实验，学生动手操作机会少，学习效果有限等问题。学生可在手机或电脑终端实现个性化学习，不受时空限制，同时重复可逆式的训练方式可极大地提升学习效果，成为现实实验教学的有力补充。

课程注重形成性评价，使微生物学实验考核结果更加科学客观。通过虚拟在线于不同阶段对学生学习效果进行动态考核，考核内容设置更全面，可避免仅采用细菌形态观察或少量简单实验操作的单一内容考核模式，使结果评定更客观，节省了人力物力。

3 效果及反馈

3.1 系统运行信息

2019年秋季学期，本系统首次在本校2018级临床医学专业及卫生检验检疫专业学生中运行，据系统后台数据显示，共计288人次登录系统学习，总计学习时长40 655分钟，不同学生投入学习时间悬殊，人均学习时长为141.16分钟。系统显示，参与测试人数为189人。将测试后台自动生成成绩进行分析，测试平均分为63.3分，60分以上人数占76.7%(145/189)。

3.2 问卷调查结果及反馈

在测试结束后，通过问卷星发布了针对虚拟仿真课程内容的调查问卷，共收到97份问卷结果，其中55%的学生首次接触虚拟仿真实验系统，82.7%的学生喜欢系统登录界面，96%的学生认可这种教学方式，72%的学生对实验难度可以接受，67%的学生在最终测试前进行过训练，94%的学生认为本次学习有收获，收获排前三的内容分别是细菌分离培养技术、药品微生物检验内容及流程、沙门菌检验。93%的学生认为本实验内容可以作为实验室实验的补充。学生反馈主要集中在以下问题需改进，如页面卡顿；退出后不能保留进度，需要重新开始；画面仿真度有待提高，无倍速播放设置等。

4 结语

实验教学作为医学微生物学课程教学的重要环节，对于培养医药学生的综合实践能力及创新意识具有重要作用。我们结合中药质量控制实际操作，以中药饮片微生物污染检测为主题，构建了适用于卫生检验检疫等专业学生综合性学习与实训的虚拟仿真实验教学系统，内容可设置为训练模式与测试模式。不仅解决了学生因生物安全隐患及时空限制不能开展综合性实验教学的困境，且能更科学合理地开展实验课学习效果评价。通过200人试运行，表明系统稳定，内容及形式均得到学生认可，可作为现实实验教学的有力补充，有助于提高学生实验技能、增强学生设计实验及解决问题的能力。本实验教学系统被推荐为2019年湖北省虚拟仿真实验教学项目，但由于建设时间短，未来仍需在画面仿真度、系统运行流畅性及课程运行模式方面进一步完善。