3R原則與虛擬實驗室在預防醫學實驗教學中的應用

韓 琴，冷言冰，賈 皓，劉 新

（成都醫學院 公共衛生系，四川 成都 610083）

隨著醫學教育的不斷發展和科技水平的不斷提高，現代預防醫學實驗技術的發展也日新月異，很多新興概念也逐漸應用于專業教學實踐中，如3R原則（reduction、replacement、refinement，減少、替代、優化）和虛擬實驗室（virtual laboratory）。預防醫學作為一級學科，在實驗教學過程中所涉及的學科門類多、動物數量多、儀器種類多，而這些問題往往是影響實驗教學質量與效果的重要因素。預防醫學實驗課程綜合了各學科的基本技能與方法，是實驗教學體系的重要組成部分，是增強學生實踐技能的重要途徑。如何在有限的實驗室資源條件下提高教學質量，一直是諸多專業人士關注的重點。預防醫學實驗內容主要包括流行病學現場調查、實驗室檢測和數據整理與分析等，其中以實驗室檢測為主體，這其中又可分為理化分析、微生物檢驗、消殺滅技術等。鑒于預防醫學實驗中的多樣性和復雜性，很多實驗項目雖然具有較好的理論意義，但因條件所限不能開設實施，這非常不利于培養學生的專業技能知識和創新思維能力。為此，我們在本專業學生的實踐教學過程中嘗試對實驗課程體系進行改革，從實驗教學思維和實驗方法的不斷創新和嘗試，將3R原則這一傳統實驗理念和現代成熟的虛擬實驗室這一技術手段引入到預防醫學實驗教學中來，以提高實驗教學質量。

1 預防醫學實驗教學現狀分析

現代預防醫學實驗教學的目的在于培養學生實踐操作技能和創新思維能力，是學生從課堂理論轉換為工作能力的有效途徑，是理論聯系實際的重要手段［1］。但預防醫學實驗教學方式基本上還是以傳統實驗教學方式進行。傳統的實驗教學模式多采用教師理論講授、學生操作驗證的形式，這樣的方式必須靠學生課前預習和課后總結分析才能取得較好的效果，特別是課前預習，而如今很多學生沒有真正做到這一點，這就很難保證實驗效果。還有，預防醫學實驗教學中的現場調查部分也常常因為不能深入現場而受限，數據處理及統計部分也需要專業軟件和技術來分析，這使學生在知識面的拓展和加深方面不能受益，可見傳統的實驗教學模式方法已不能適應當前醫學發展和社會對應用型預防醫學人才的要求，需要尋求更有效的方法、手段來改善實驗教學方法［2－3］。本著對實驗資源的“減少、替代、優化”（3R原則）這樣的思想，我們同時引入了虛擬實驗室這一技術手段來構建新的預防醫學實驗教學課程體系。

2 3R原則和虛擬實驗室在預防醫學實驗中的分析及應用

2.1 3R原則內容

1959年Russell和Burch在人道主義實驗動物原理中第一次提出了3R原則［4］。經過近50年的發展，3R原則已逐漸被接受并運用于生命科學，特別是醫學研究中，并在實踐中進一步發展。所謂3R即減少（reduction）、替代（replacement）和優化（refinement）的原則。具體講，“減少”指在實驗中使用少量的實驗材料，如動物和實驗藥品試劑，獲得同樣多的實驗數據或更多的實驗數據的方法；“替代”就是不再利用活體動物進行實驗而是以組織細胞培養等各種體外實驗或計算機模型以及統計分析等方法來加以替代，或者用無知覺的實驗材料代替神志清醒的脊椎動物；“優化”指通過改進和完善實驗程序，減輕動物的痛苦和不安以及減少實驗材料的使用量，提高動物福利的方法［4－5］。

2.2 3R原則在預防醫學實驗中的應用

預防醫學實驗具有種類多、范圍廣的特點，包括衛生毒理學、環境衛生與勞動衛生學、營養與食品衛生學等，按照傳統的實驗教學模式與理念，能夠開設的實驗課程數量相當有限且有重復。這些經典的實驗項目有的依舊具有很高的教學價值，然而從整體看已不能適應現代預防醫學專業實踐需求［6］。為保證學生的實驗能力的鍛煉和培養，預防醫學實驗課程改革正需要3R這一理論性的思想。減少，可以將開設的實驗項目數量控制在一定范圍內，并盡量減少使用高值易耗試劑和其他實驗材料。例如，在衛生毒理學實驗中的動物數量的應用比較常見，同時也使用各類有毒化合物，我們在進行毒物半數致死劑量測定時可以用基于生物統計學的急性毒性分級法或USEPA（US Environmental Protection Agency美國環境保護局）驗證的固定劑量法代替傳統的LD50實驗。在環境監測類的實驗教學中，一種化合物的檢測可以用成本低或方法簡單的技術來替代，如空氣中甲醛的測定，如果現有的實驗教學儀器不能滿足實驗教學質量，可以將甲醛的儀器分析法替代為酚試劑比色法。預防醫學實驗中所涉及到的實驗項目，從國家衛生標準角度考慮也有一種化合物通過幾種方法進行測定的情況，可供選擇的方法較多，通過改善實驗程序和實驗方法，可以選擇易操作、效果好的實驗方法［7］。根據3R原則，將預防醫學實驗課程體系進行“減少，替代，優化”，我們發現網絡虛擬實驗室的應用能夠起到很好的“3R”作用。

2.3 虛擬實驗室的特點和意義

虛擬（網絡）實驗室是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化，是指由網絡技術、計算機技術、虛擬現實技術等生成的一類適于進行虛擬實驗的軟件，包括實驗環境、儀器設備、實驗對象以及實驗資源等內容，基于校園網來構建虛擬實驗系統，營造出模擬的儀器性能、實驗條件和環境［8－9］。虛擬實驗室由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和開放式實驗室管理系統組成。虛擬實驗室為開設各種虛擬實驗課程提供了全新的教學環境。虛擬實驗臺與真實實驗臺類似，可供學生自己動手配置、連接、調節和使用實驗儀器設備。教師利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的典型實驗或實驗案例，這一點是虛擬實驗室有別于一般實驗教學課件的重要特征。

與傳統實驗室相比較，虛擬實驗室具有自由度大、安全性高、靈活性強和節省資源等特點［10］，在虛擬實驗室中，學生不受實驗場地和實驗時間的限制，既可以在虛擬實驗臺上動手操作，又可以在宿舍或家里根據自己的時間自主設計實驗，進行實驗操作，并且不會有儀器損壞和藥物安全等問題發生。針對虛擬實驗開設的必要性，我們在我校預防醫學本科專業的學生中進行了傳統實驗和虛擬實驗優勢比較的問卷調查（表1），并將我系自行設計的虛擬實驗項目應用于實驗教學中。本次調查包括3個年級的學生共計182人，問卷回收率百分之百。從調查結果分析，虛擬實驗比較傳統實驗，更有利于培養學生的操作能力、設計能力和創新意識，學生更易獲得相關的知識、科學的指導和快速的反饋，虛擬實驗室是未來實驗室建設的發展方向。

表1 虛擬實驗與傳統實驗優勢比較問卷調查統計表

2.4 虛擬實驗室在預防醫學實驗中的應用

目前，虛擬實驗室在預防醫學實驗中應用得較少，隨著現代科學技術的發展，將虛擬實驗室應用到預防醫學實驗中，有很大的意義，具體表現在：

首先，能促進預防醫學實驗開展的多元化，傳統實驗數量不能滿足日新月異的科技更新的需要，在預防醫學實驗中使用的高端儀器越來越多，如原子吸收儀、液相色譜、氣相色譜等，這些儀器昂貴，在學生教學實驗中開展，成本太高，而應用虛擬實驗室可以解決這樣的問題。

第二，虛擬實驗室可以強化學生預習實驗和對實驗結果的分析。預防醫學實驗方法多，有的化合物在國家衛生標準與衛生規范中會提到多種測定方法，需要課前充分預習，甚至只有經過預實驗才能較好地完成實驗。如測定食品中的某種營養元素，可以通過色譜的方法，也可以通過分光光度法來檢測。采用虛擬實驗就可以方便學生分別用不同的方法來完成實驗預習和模擬訓練，便于區分比較方法之間的優缺點，并可對實驗結果進行比對和分析，不會造成任何實驗資源浪費或安全隱患。

第三，虛擬實驗項目的開設可以減輕實驗教師的工作力度，并節省人力資源。學生經過網絡虛擬實驗室的培訓過關后，已對要實際操作的實驗項目有了理論基礎和感性認識，教師有更多的時間和精力輔導學生更深層次的實踐問題，避免了傳統實驗操作中儀器使用及試劑制備等現場帶來的低級錯誤和緊急問題［11］。

最后，虛擬實驗室可以提高學生的實驗創新技能和實驗設計能力。在虛擬實驗中，打破了傳統實驗的束縛，學生可以自主設計實驗程序和實驗步驟，對實驗進行優化，并提高學生對計算機和虛擬軟件的使用，為遠程課程提供新的教學方法，充分培養學生的綜合能力［12］。

3 3R原則與虛擬實驗室的關系

虛擬實驗室是近年來較受關注的新興概念，將3R原則應用于預防醫學實驗教學，其目標與虛擬實驗室有相同之處，也存在著差異。其共同之處在于二者都是本著提高實驗效率、強化學生綜合能力并節約實驗資源和減少實驗成本為目的。3R原則中的“優化”就在于實驗程序的改進以提高實驗結果并能夠避免實驗資源的浪費，虛擬實驗室也是利用計算機和網絡技術完成實驗操作并更好地完成實驗分析和報告，這樣也很好地節約了實驗資源。兩者的差異之處在于二者的性質不同。3R原則的“減少、替代、優化”是理論上的思維性的概念，是理論上的分析總結，而虛擬實驗室是一種實驗技術手段和方法的改革創新，是技術的改變。在預防醫學實驗改革中，虛擬實驗室可以說是以3R原則為指導思想，是實驗技術改革的一種形式，它是3R原則與現代科學技術相結合的具體展現，是3R原則在預防醫學實驗教學工作中的完美體現，兩者相互依托、相輔相成。在預防醫學實驗中充分應用3R原則和虛擬實驗室，更能體現實驗教學的宗旨，提高教學質量，培養學生的實驗思維和動手操作能力。

4 結束語

基于3R原則中“優化、替代、減少”這樣的基本思想，建設預防醫學專業虛擬實驗室，將預防醫學實驗教學中某些因實驗難度大或成本高且浪費大的實驗項目替代，并優化成虛擬實驗項目，這為構建新的預防醫學實驗課程體系開辟了新的途徑，并對學生計算機應用和實驗設計創新思維的培養提供了有效的鍛煉空間，也適應現代社會“低耗能、高產出”的趨勢，為培養現代社會新的醫療衛生一專多能人才奠定了基礎。

（References）

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［2］陳國元，楊克敵，劉烈剛，等.國家級預防醫學實驗教學示范中心的建設與展望［J］.實驗室研究與探索，2011，30（9）：248－251.

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［4］Russell W M S，Burch R L.The Principles of Humane Experimental Technique［M］.London：Methuen，1959.

［5］韓琴，劉新，冷言冰.3R原則在大學生開放性實驗項目中的應用分析［J］.中國醫學倫理學，2012，25（3）：182－184.

［6］余琦，楊佩剛，張春芳，等.3R原則在醫學實驗動物學教學中的應用［J］.西北醫學教育，2007，15（6）：1128－1130.

［7］高英俊，張首龍，胡薇，等.完善醫學實驗動物倫理教育淺談［J］.中國高等醫學教育，2010（5）：8－13.

［8］謝煒，居頌光，葛彥，等.虛擬實驗室在免疫學實驗教學中的應用［J］.實驗教學，2011（36）：113－115.

［9］朱敏，張際平.虛擬實驗室及其教學應用［J］.實驗室研究與探索，2006，25（5）：626－627.

［10］劉澤良.發揮虛擬實驗室建設對實驗教學的促進作用［J］.實驗技術與管理，2011，28（7）：193－194.

［11］尚作萍，杜成斌，張宏兵，等.虛擬現實技術在理論力學實驗教學中的應用［J］.實驗技術與管理，2007，24（10）：297－299.

［12］韓芝俠，魏遼博，韓宏博，等.仿真虛擬實驗教學的研究與實踐［J］.實驗技術與管理，2006，23（2）：63－65.