度国家虚拟仿真实验教学项目申报表.docx
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度国家虚拟仿真实验教学项目申报表
2019年度国家虚拟仿真实验教学项目申报表
学校名称
南开大学
实验教学项目名称
肾组织活检标本病理诊断
虚拟仿真实验
所属课程名称
病理学
所属专业代码
100101K
实验教学项目负责人姓名
谭小月
有效链接网址
（校内）
（校外）
教育部高等教育司制
二〇一九年七月
填写说明和要求
1.以Word文档格式，如实填写各项。
2.表格文本中的中外文名词第一次出现时，要写清全称和缩写，再次出现时可以使用缩写。
3.所属专业代码，依据《普通高等学校本科专业目录（2012年）》填写6位代码。
4.不宜大范围公开或部分群体不宜观看的内容，请特别说明。
5.表格各栏目可根据内容进行调整。
1.实验教学项目教学服务团队情况
1-1实验教学项目负责人情况
姓名
谭小月
性别
女
出生年月
1974.4
学历
研究生
学位
博士
电话
专业技
术职务
教授
行政
职务
副院长
手机
院系
医学院
电子邮箱
地址
天津市卫津路94号
邮编
300071
教学研究情况：
主持的教学研究课题（含课题名称、来源、年限，不超过5项）；作为第一署名人在国内外公开发行的刊物上发表的教学研究论文（含题目、刊物名称、时间，不超过10项）；获得的教学表彰/奖励（不超过5项）。
主持教学研究课题：
【1】“人工智能医学”专业建设探索与实践。
中华医学会医学教育分会2018年医学教育课题重点项目课题，2018.10–2020.10
【2】基础医学核心课程模块化线上教学体系的建设。
教育部高教司产学合作协同育人项目，2019.05–2020.05
【3】基于课程整合和病例学习（CBL）的病理学课程教学体系建设。
南开大学教改重点项目，2015.04-2017.04
【4】基于“网络资源”的病理学课程教学改革研究。
南开大学教改项目，2014.04-2016.04
作为第一署名人发表教学研究论文：
创新型高校医学实验室安全管理的探讨。
实验室科学，2018年7月
获得教学表彰奖励
【1】教育部“新世纪优秀人才支持计划”（2013年）
【2】天津市高等教育教学成果二等奖（2018年，第一完成人）；
【3】天津市高校青年教师教学基本功竞赛三等奖（2012年）；
【4】南开大学青年教师教学基本功竞赛二等奖（2012年）；
【5】南开大学教学成果一等奖（2017年，第一完成人）；
学术研究情况：
近五年来承担的学术研究课题（含课题名称、来源、年限、本人所起作用，不超过5项）；在国内外公开发行刊物上发表的学术论文（含题目、刊物名称、署名次序与时间，不超过5项）；获得的学术研究表彰/奖励（含奖项名称、授予单位、署名次序、时间，不超过5项）
近五年承担的学术研究课题：
【1】肿瘤相关巨噬细胞来源legumain通过调控细胞衰老作用于肿瘤进展的机制研究，国家自然科学基金面上项目，2019/01-2022/12，主持；
【2】M2巨噬细胞通过legumain重塑肿瘤微环境的机制研究，天津市自然科学基金面上项目，2016/04-2019/03，主持；
【3】M2巨噬细胞表达Legumain促进肾间质纤维化损伤修复的机理及应用研究，国家自然科学基金面上项目，2013/01-2016/12，主持；
【4】肿瘤干细胞在实体肿瘤发展中的调控机制研究，国家重大科学研究计划项目，2013/01-2017/08，项目骨干；
近五年发表的学术论文：
【1】LegumainMediatestheEffectofM2MacrophagesonAttenuatingRenalInterstitialFibrosisinObstructiveNephropathy.Wang,DK;Xiong,M;etal;Tan,XY.KidneyInternational.4.12.2018,通讯作者；
【2】JMJD3suppressesstemcell-likecharacteristicsinbreastcancercellsbydownregulationofOct4independentlyofitsdemethylaseactivity.Xun,J;Wang,DK;etal;Tan,XY.Oncotarget.3.28.2017,通讯作者
【3】M2tumour-associatedmacrophagescontributetotumourprogressionvialegumainremodellingtheextracellularmatrixindiffuselargeBcelllymphoma.Shen,L;Li,HH;etal;Tan,XY.ScientificReports7.28.2016,通讯作者
【4】OverexpressionofOct4suppressesthemetastaticpotentialofbreastcancercellsviaRnd1downregulation.Shen,L;Qin,KH;etal;Tan,XY.BBA-molecularbasisofdisease.11.2014,通讯作者
【5】Legumainprotease-activatedTAT-liposomecargofortargetingtumoursandtheirmicroenvironment.Liu,Z;Xiong,M;etal;Tan,XY.NatureCommunications.6.5.2014,通讯作者
获得的学术研究表彰/奖励：
【1】补肾活血法组方制剂对阿霉素肾病的治疗作用及机制。
2016年天津市科技进步三等奖，第三完成人。
【2】复方五味子醇提液对糖尿病肾病小鼠的治疗作用及机制研究。
2013年天津市科技进步二等奖。
第三完成人。
1-2实验教学项目教学服务团队情况
1-2-1团队主要成员（含负责人，5人以内）
序号
姓名
所在单位
专业技术职务
行政职务
承担任务
备注
1
谭小月
南开大学医学院
教授
南开大学医学院副院长
项目统筹
2
王德坤
南开大学医学院
讲师
/
实验教学
3
胡凯
南开大学医学院
实验师
/
实验教学
4
刘寅
南开大学医学院
副教授
南开大学医学院
虚拟仿真中心主任
项目设计
5
王艳凤
南开大学医学院
实验师
/
教学服务
在线教学
服务
1-2-2团队其他成员
序号
姓名
所在单位
专业技术职务
行政职务
承担任务
备注
1
彭茜
南开大学医学院
实验师
/
教学辅助
2
赵国星
南开大学医学院
实验师
/
教学辅助
3
张楠
南开大学医学院
实验师
/
技术支持
在线教学
支持
4
李军
北京润尼尔网络
科技有限公司
软件
工程师
开发部经理
技术支持
软件支持
5
王喆
北京润尼尔网络
科技有限公司
网络
工程师
平台部经理
技术支持
网络支持
项目团队总人数：
10（人）高校人员数量：
8（人）企业人员数量：
2（人）
注：
1.教学服务团队成员所在单位需如实填写，可与负责人不在同一单位。
2.教学服务团队须有在线教学服务人员和技术支持人员，请在备注中说明。
2.实验教学项目描述
2-1名称
肾组织活检标本病理诊断虚拟仿真实验
2-2实验目的
正确的组织病理学诊断是阐释疾病临床症状和体征，判断疾病进程以及制定精准治疗方案的基础。
完整的病理诊断过程包含标本取材、切片制备、观察和诊断等系列步骤。
其中，组织活检通过穿刺针或者手术切除获取活体组织标本并进行快速病理诊断，是临床病理学和实验室研究中最常用的诊断技术之一。
组织活检标本病理诊断实验可以对帮助学生了解病理诊断过程，掌握病理学理论知识，巩固临床病理联系，提高学习病理学的兴趣。
然而组织活检属于有创操作，后期标本处理及观察造价高，耗时长，且需要大量有机溶剂，因而难于在本科教学过程中开展。
为此，我们以肾组织活检为例，设计活检标本病理诊断虚拟仿真实验，使学生能沉浸式地体验到从活检标本获取、切片制作到得出病理诊断的全过程，其中贯穿医学人文关怀，团队合作意识以及临床思维构建的新医学教育理念。
肾活检技术自20世纪50年代初建立以来，已成为诊断病理性肾病的金标准。
肾脏病理诊断提供了关于肾脏疾病原因和分类的信息，对于明确临床诊断，制定和调整治疗方案具有重要意义。
另一方面，由于肾病病理分型复杂，临床症状与病理诊断联系紧密，所以肾脏病理也成为病理学教学中的难点。
通过肾组织活检标本病理诊断虚拟仿真实验，学生可以体验肾活检从组织标本取材，制作到最后诊断，确定临床病理联系的全过程。
本实验目标包括：
（1）了解活体组织取材的基本过程；
（2）掌握病理标本固定、包埋、切片的原理和步骤；
（3）掌握肾脏疾病病因及基本病理改变；
（4）巩固常见肾病组织病理学分型以及临床病理联系。
2-3实验课时
（1）实验所属课程所占课时：
48学时
（2）该实验项目所占课时：
3学时（课堂教学）+1学时（微课）
2-4实验原理（简要阐述实验原理，并说明核心要素的仿真度）
本实验的实验原理包括B超引导下肾脏穿刺技术原理和肾脏病理组织切片制备以及显微镜观察原理两部分，共涵盖病理学重要知识点12个，包括：
肾组织活体病理诊断的基本原理；肾组织活体病理检查的类型；肾穿刺操作适应症及禁忌症；B超引导下肾穿刺活检术前准备要点；B超引导下肾穿刺点定位；B超引导下肾穿刺操作基本步骤；肾活检病理组织石蜡切片制作步骤；石蜡切片苏木精-伊红染色的实验原理及步骤；苏木精-伊红染色石蜡切片光学显微镜检；肾活检病理组织冰冻切片制作步骤；冰冻切片组织免疫荧光染色的实验原理及步骤；免疫荧光染色的冰冻切片组织荧光显微镜镜检。
实验原理及对应知识点在实验教学中体现如下：
1.B超引导下肾脏穿刺技术操作原理（体现知识点6个）
肾活检病理学是随着临床肾穿刺技术的广泛开展及应用而逐渐发展起来的。
由于肾脏疾病的种类繁多，病因及发病机制复杂，许多肾脏疾病的临床表现与肾脏的组织学改变并不完全一致。
为了明确疾病的病因病理，进一步确诊患者所患的具体病种，这时就需要做肾穿刺活检术。
通过活检获得各种不同时期和不同严重程度的肾脏疾病的标本，再通过光学显微镜及其它检测技术，可对肾脏疾病进行精确的病理学分类，为研究肾脏病的病因、发病机制提供条件。
（知识点：
肾组织活体标本病理诊断的基本原理）。
肾活检病理学是用不同的方法取出少量活体肾组织进行病理检查，从而研究肾脏疾病发生的原因、发生机制、发展规律以及疾病过程中机体的形态结构、功能代谢变化和病变转归。
肾活检不但是肾脏病理学重要的组成部份，也是经典的实质性脏器活检取材的方法，常用的肾活检技术包括开放式外科肾脏活检、移植肾活检以及经皮肾穿刺活检等多种方法，其中B超引导下肾穿刺活检是利用非常细小的穿刺针，在B超引导下经过皮肤、皮下组织到达肾皮质，获取诊断所需肾组织的方式。
（知识点：
肾组织活检的类型）
其适应症包括：
具有棘细胞或红细胞管型的血尿，伴有Scr水平升高或蛋白尿症状；无糖尿病的大量蛋白尿或蛋白尿快速增加；伴有Scr水平升高，但没有明确的合并症，如糖尿病或高血压的中等量蛋白尿；AKI：
病因控制以后Scr在7-14天后没有恢复到基线水平；慢性肾病Scr水平的急剧提高或者新发血尿、蛋白尿。
肾穿刺的禁忌症包括：
有出血风险：
需使用抗凝治疗的患者；高血压：
如果收缩压>140mmHg，则应在活检前降低血压；慢性疾病eGFR<30mL/min/1.73m2；解剖性肾脏问题：
肾脏血管异常或多发性囊肿增加出血风险；马蹄肾；多发性双侧囊肿；肾积水；孤立肾：
感染：
针插入部位的皮肤感染或持续的肾盂肾炎；如果患者不能配合活检，则受伤的风险可能显著增加。
因此，在确定检查时需要和患者充分沟通。
（知识点：
肾穿刺操作适应症及禁忌症）
肾穿刺点定位多选择右肾下级的外侧。
由于肾穿刺属于有创操作，因此必须进行消毒、铺巾等术前准备。
此外，由于活检过程需要呼吸配合，术后需要卧床排尿，因此患者教育也是术前准备的重要内容（知识点：
B超引导下肾穿刺活检术前准备要点）
B超引导下穿刺其原理使通过向人体发射超声波并接收超声波的反射波，利用人体各种组织的声学特性差异，辨别超声波在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性，将信息反映在屏幕上，以达到分辨人体脏器，定位肾脏的目的。
在B超导引下的肾穿刺活检术，操作安全，穿刺成功率高，是目前最常采用和比较安全的方法。
B超导引下的肾穿刺需要B超医生和穿刺医生配合完成，由B超医生定位肾脏，穿刺医生在B超影像的导引下，驱动穿刺针到达肾脏特定部位，完成穿刺操作。
（知识点：
B超引导下肾穿刺穿刺点定位、B超引导下肾穿刺操作基本步骤）
图1B超引导下经皮肾穿刺活检部位示意图
2.肾脏病理组织切片制备以及显微镜观察工作原理（体现知识点5个）
石蜡切片制备前首先将肾脏病理组织固定，即组织离体后，使其细胞内的物质尽量接近其生活状态时形态结构的过程。
目的是为了防止组织细胞自溶与腐败，最常用的固定液为10%中性福尔马林；固定后充分水洗，水洗不彻底易造成脱片和染色不鲜艳；标本经过固定和水洗后，组织中含有较多的水分，所谓脱水就是利用脱水剂将组织内的水分置换出来，以利于有机溶剂的渗入；为了使石蜡浸入到组织块内，必须经过一种既能与脱水剂相互溶解，又能与石蜡相溶的媒介物质，这个过程称为透明，目前最好的透明剂是二甲苯；组织透明后，在熔化的石蜡内浸渍的过程称为浸蜡，目的是使石蜡浸入组织中，取代组织中含有的透明剂；将浸蜡后的组织置于融化状态的石蜡中，石蜡凝固后，组织即被包在其中，此过程称为包埋。
包埋后即可进行切片、制片，肾活检组织切片厚度一般为3-5μm。
（知识点：
肾活检病理组织石蜡切片制作步骤）
苏木精-伊红染色法（hematoxylin-eosinstaining），简称HE染色法，是石蜡切片技术里常用的染色法之一。
苏木精染液为碱性，主要使细胞核内的染色质与胞质内的核酸着紫蓝色；伊红为酸性染料，主要使细胞质和细胞外基质中的成分着红色。
HE染色法是病理学教学与科研中最基本、使用最广泛的技术方法之一。
（知识点：
石蜡切片苏木精-伊红染色的实验原理及步骤、苏木精-伊红染色石蜡切片光学显微镜检）
冰冻切片是指组织在冷冻坚硬状态下直接用切片机切片，实际上以OCT为包埋剂浸透组织，而不需要经过任何化学药品处理或加热过程，大大缩短了制片时间。
由于此法也不需要经过脱水、透明和浸腊等步骤，因而作为快速切片法广泛应用于临床诊断。
（知识点：
肾活检病理组织冰冻切片制作步骤）
免疫荧光技术是将抗原抗体反应的特异性和敏感性与显微示踪精确性相结合的一项技术，先将已知的抗原或抗体标记上荧光素制成荧光标记物，再用这种荧光抗体作为分子探针检查组织内相应抗原。
在细胞或组织中形成的抗原抗体复合物上含有荧光素，利用荧光显微镜观察标本，荧光素受激发光的照射而发出明亮的荧光，可以看见荧光所在的组织，从而确定抗原或抗体的性质、定位，以及可以用定量技术测定含量。
由于免疫荧光技术特异性强、灵敏度高、快速简便，所以在病理诊断中应用广泛。
（知识点：
冰冻切片组织免疫荧光染色的实验原理及步骤、免疫荧光染色的冰冻切片组织荧光显微镜镜检）
3.核心要素的仿真度：
本虚拟仿真实验本着真实还原实验的原则，从虚拟模型仿真度、实验流程完整度、病理图片真实度等多个方面全面、真实的还原了肾组织活检标本病理诊断实验，具体核心要素的仿真度描述如下。
3.1仪器模型：
单场景模型总面积（数）：
900000面；
贴图分辨率：
1920*1080；
动作反馈时间：
0.1秒以内；
显示刷新率：
高于30Hz（fps）；
正常分辨率：
1920*1080。
3.2病理图片分辨率：
600dpi。
3.3B超图片清晰度：
300dpi。
3.4力回馈版力回馈仪相关参数
支持六自由度位置感知；支持三自由度力反馈；支持以腕关节为轴的手部运动；解析度：
>450dpi；回溯摩擦力：
<0.26牛；最大输出力：
3.3牛；连续输出力（24小时）：
>0.88牛；硬度：
X轴>7.3lbs/in（1.26N/mm），Y轴>13.4lbs/in（2.31N/mm），Z轴>5.9lbs/in（1.02N/mm）；惯性：
0.101lbm。
2-5实验仪器设备（装置或软件等）
（一）虚拟实验所需实验仪器设备：
1.虚拟实验PC版所需实验仪器设备：
个人电脑终端及网络环境（具体配置要求见第三部分）、肾组织活检标本病理诊断虚拟仿真实验教学PC版。
2.虚拟实验移动版所需实验仪器设备：
装有Android4.0版操作系统的移动电脑设备、肾组织活检标本病理诊断虚拟仿真实验移动端微课版。
3.虚拟实验VR版所需实验仪器设备：
头戴式VR头盔、力回馈仪、定位控制器、手柄、图形服务器、肾脏病理虚拟仿真活检实验VR版。
4.虚拟实验立体环幕版所需实验仪器设备：
工程投影仪、同步器、图形服务器、3D环幕、红外立体眼镜、肾组织活检标本病理诊断虚拟仿真实验3D环幕版。
（二）仿真实验所需要的仪器设备
肾脏活检装置、B超仪、穿刺针、注射器、药品储存柜、染色台、通风橱、解剖镜、包埋机、恒温箱、石蜡切片机、冰冻切片机、捞片机、烤片机、湿盒、光学显微镜、荧光显微镜。
2-6实验材料（或预设参数等）
如进行仿真实验时需要准备以下实验材料：
1.个人防护需要实验材料：
口罩、防护手套、鞋套等其他防护器材
2.肾组织活检病理诊断需要实验材料：
活体肾脏、浸镜油、穿刺包、2%利多卡因、医用酒精、医用纱布、无菌铺巾、记号笔、培养皿、生理盐水、组织包埋盒、10%中性福尔马林、蒸馏水、70%浓度乙醇溶液、80%浓度乙醇溶液、95%浓度乙醇溶液、100%浓度乙醇溶液、二甲苯、石蜡、HE染色相关有机试剂、液氮、OCT包埋剂、中性树胶、载玻片、盖玻片、免疫荧光相关试剂。
2-7实验教学方法（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果）
本实验可使用环幕版进行演示实验，利用PC版、移动端、VR版、力回馈版进行分组实验，利用PC版可以进行远程实验教学。
下面以PC版远程教学为例，说明本实验采用的微课结合PBL教学方法进行教学的过程。
（1）使用目的
使用该教学方法的目的主要在于，围绕以“学生为中心”的教学理念，借助虚拟仿真的手段，使学生有机会开展以往受制于客观条件不能开展的实验；而且能够打破时间和空间的束缚，反复学习，从而培养学生自主学习的能力。
通过这种沉浸式的实验教学，学生可以体验肾活检病理从组织标本取材，切片制备到最后诊断的全过程。
从而，提高学习效率、锻炼动手操作能力、激发学习兴趣。
（2）实施过程
1、课前部分
1.1老师通过在线训练平台上传学习资料，布置思考题及提出实验要求。
包括：
通过网站发布PPT、教案、微课视频、理论测试题目以及导引问题；
1.2学生通过手机端在线训练系统学习相关资料，并可进行虚拟操作，在这过程中系统会记录学生的预习情况，并形成个人和班级的课前训练报告，包括错误点训练成绩、训练次数等内容；
1.3老师通过智能助教可以查看班级的课前训练报告，根据学生预习情况，准备上课资料；
2、课堂部分
2.1根据学生课前浏览相关资料情况，教师交代实验要求及目的，并有针对性地讲解虚拟实验涉及原理的重点和难点部分；教师通过3D环幕版软件，示范虚拟实验流程；
2.2学生通过PC版软件在电脑端登录系统进行实践训练，并分批运用VR版进行VR实践演练，特别通过力回馈仪的互动体验，能让学生真实感受穿刺力度。
2.3教师巡视课堂答疑，查看课堂训练报告后并进行课程总结，布置作业及课后训练内容，通过临床操作、病理技术以及病理图片分析等多维度、多环节的考核评价环节设计，实现对学习全过程的形成性评价；
3、课后部分
3.1系统形成课后训练报告，并对比课前、课后的数据变化；
3.2学生可预约VR版实践时间，完成VR版训练，并提交实验报告。
包括回答课堂问题，记录实验结果，并进行讨论分析；另外，学生在课后可通过肾脏病理资源库随时随地自主反复学习，从而提升肾病的诊断和鉴别诊断能力；
3.3系统形成课后训练报告，教师组织学生完成考核，并对实验报告进行评分。
结合实验报告、系统训练报告以及考核成绩得到该生实验成绩。
（3）教学效果
本实验在南开大学医学院及河北医科大学临床医学专业本科生病理学实验教学中应用，得到师生好评。
通过虚拟仿真肾活检病理诊断实验，学生更直观地了解了组织病理活检取材、制片以及诊断全过程中的各个知识点，更准确地掌握了肾脏病理分型的依据，培养了临床思维、锻炼了动手操作、进一步激发病理学习的兴趣。
2-8实验方法与步骤要求（学生交互性操作步骤应不少于10步）
（一）实验方法概述：
肾组织活检标本病理诊断虚拟仿真实验以计算机技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，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。
学生根据软件提示完成教学模式，而后进行考核模式完成操作，获得成绩。
实现学生灵活自学、在线考试与教师课堂演示与指导考评相结合的教学模式，从而激发学生学习热情，提升教学质量。
（二）步骤要求
本实验分仿真实验和虚拟实验两个部分，共25个步骤，需要学生完成50次以上交互操作，仿真实验包含4个步骤。
虚拟实验包含21个步骤：
B超引导下肾脏穿刺操作（8步），肾脏病理样品石蜡切片操作步骤（6步），肾脏病理样品石蜡切片HE染色操作步骤（5步），肾脏病理样品冰冻切片及免疫荧光操作步骤（2步）。
1.仿真实验步骤
本实验从仿真实验开始，以期给学生直观的认识（远程教学模式可忽略仿真实验）
步骤1.模拟穿刺前物品、抢救药品的准备。
步骤2.模拟肾脏穿刺装置，穿刺包及B超仪正确操作方法。
步骤3.模拟石蜡切片及冰冻切片制备的实验流程。
步骤4.在染色台中合理顺序摆放HE染色相关有机溶剂、载玻片、盖玻片。
2.虚拟实验步骤
（1）B超引导下肾脏穿刺操作
步骤1.术前准备。
要求：
根据患者病情，征求患者做肾脏活检手术意见，告知肾穿刺注意事项。
如患者同意，签订书面同意书，嘱患者练习憋气及在床上排尿，并化验出、凝血时间，血小板计数及疑血酶原时间，以了解有无出血倾向。
查肌酐清除率、血肌酐及尿素氮了解肾功能，查同位素肾图了解分肾功能，并作肾脏彩超检查双肾情况，测量血压，查血型、备血。
同时患者在术前需要自身调整和控制各项生理指标。
图2术前准备
步骤2.准备患者体位并消毒铺巾。
要求：
患者排尿后俯卧位于检查台上，腹部垫一直径10－15cm，长50－60cm的枕头，将肾推向背侧固定，双臂前伸，头偏向一侧。
对背部进行消毒，消毒范围是上至肩胛下线，下至髂后上棘连线，两侧至腋后线。
对穿刺点及
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