淺談虛擬實驗室技術在理化檢驗課程中的應用

孫建楠, 楊金玲,公維磊, 張 凱

(濟寧醫學院，山東 濟寧 272000)

衛生檢驗與檢疫專業是隸屬于醫學技術類一級學科下的，公共衛生和預防的二級學科理學專業[1]，是為評估公眾健康、食品安全、衛生監督提供定量依據的重要技術支持。近年來，隨著我國經濟社會的快速發展，公共安全和衛生監督要求不斷提高，對從事衛生檢驗的專業人員提出了更高的要求和新的挑戰。在此大背景下，各醫學院校對于衛生檢驗專業人才的培養不斷與時俱進，跟隨社會的新需求，進行了多方面的改革和調整。目前，衛生檢驗專業主要涉及十門專業課程，大致可分為理化檢驗和微生物檢驗兩部分，其中理化檢驗課程由分析化學、儀器分析兩門基礎課程，以及水質、空氣、生物材料和食品理化檢驗四門專業核心課程構成。而其中，四門理化檢驗課程被認為是衛檢專業人才培養計劃中的核心內容，是學生獲得將來進行檢驗工作的理論基礎、實驗操作以及常見分析儀器的使用技能的主要來源。所以理化檢驗課程的理論和實驗課程的教學效果對培養符合國家社會需要的檢驗人才尤為重要。

1 理化檢驗課程教學中存在的問題

目前，理化檢驗課程中，涉及環境、生物、食品和化學等學科交叉知識較多，且理論教材中即包含大量繁雜的儀器構成、檢驗操作等實踐內容，單純的師生面對面教學，往往造成學生的理解困難，枯燥無味。目前，四門理化檢驗課程教學中，主要存在以下問題：

1.1 內容龐雜，知識點枯燥

大多院校的四門課程多依照水質、空氣、生物材料和食品的順序進行開設。以基質較為簡單的水質檢驗開始，側重講解經典分析化學方法和常見儀器構成；隨后的課程，隨著分析對象基質的越來越復雜，教學重點側重于樣品前處理環節，涉及多種樣品處理方法和步驟。所以教材在編排時，有大量篇幅集中于講解儀器條件和具體前處理、檢驗步驟。但是僅依靠單純的師生面對面講解，會造成教學效率較低。原因有二：一是本身儀器組成、條件枯燥無味，難以引起學生興趣；二是儀器組成、各種實驗步驟太過抽象，教師講解不清，造成知識的模糊。尤其是教學經驗較淺的教師很容易困惑，哪些內容該講，需要講到何種程度，造成教學重點不清，同時還會占用大量課堂時間，使教學進度緩慢。如果將儀器使用條件和前處理操作內容全部放到實驗課程中，受課時和實驗條件的限制，只能完成少數幾個實驗，大部分的內容無法涉及。

1.2 實驗考核方式單一和低效

大部分院校的教師主要通過實驗報告的書寫和完成情況對學生的實驗技能進行評價和考核?？己朔绞絾我磺业托?。考核的低效主要體現在兩個方面：一是對教師而言，僅僅依靠實驗報告的書面效果和實驗結果的準確性，無法獲得學生掌握實驗技能的真正水平，對教學效果無法進行正確評估，從而做出相應改進。二是導致部分學生對實驗課的輕視和敷衍。認為只要出席實驗課程，按部就班的完成實驗報告即可獲得較高的分數，而忽略了最重要的動手操作過程，過分強調了實驗結果的準確性。實際上，實驗結果并非實驗課程的重點，培養學生的實驗技能和科研素養，并將理論知識轉化為實踐才是該課程的核心目的。這種傳統的實驗考核方式，無法提高學生實驗的積極性，更進一步阻礙學生科研思維和創新意識的形成，最終使學生不具備獨立思考和解決實際問題的能力，無法適應將來工作崗位的要求。對此，我們教研室曾嘗試進行現場的操作考核，對學生的實驗技能，進行更直觀的評估。但這種考核，不但需要充足的儀器設備資源，大量的教師資源和大量的評估時間，而且考核技能也僅僅局限于幾個有限的操作和實驗，且多為基本操作，對于培養學生獨立解決問題的能力效果不明顯。

為了解決上述問題，提高學生對課程的積極性，增強學習內容的吸引力，很多高校利用混合式教學模式[2]，構建了多種平臺的在線課程[3-5]，幫助學生理解課程內容，拓展知識。

在眾多網絡技術中，隨著虛擬現實(Virtual Reality, VR)技術的快速發展，一種基于虛擬原型構建的虛擬實驗室(Virtual Laboratory)技術引起了教育界的關注。該概念在20世紀80年代，由美國沃爾夫教授首次提出[6]；1995年，聯合國教科文組織正式定義了虛擬實驗室，即：利用分散的信息和通信技術以創造及獲取成果為目的，在科研與其他創造性活動中進行遠距離合作和實驗的一種電子協作組[7]。作為現實實驗室的有效補充，虛擬實驗室打破了時間、空間的限制，具有靈活性高、自由度高的優點[8]，學生可自主選擇時間、地點在課前進行實驗預習、課后進行延伸訓練和復習，有效的提高了實驗效率，降低了實驗操作的危險性和不確定性。作為一種線上實驗平臺，虛擬實驗室被認為是混合式教學在實驗課程應用中的最常見模式之一。

2 “虛擬實驗室”在理化檢驗課程中的應用

我國很多一流高校都已經建立了相應的虛擬實驗室平臺，國內教育類期刊也報道了許多針對虛擬實驗室應用的文章[9-11]。要解決上文討論的理化檢驗課程教學中所存在的問題，發展和構建相對完善的虛擬實驗室平臺是非常必要的。尤其是針對理化檢驗這類應用性較強，教材內容含有大量儀器組成及實驗操作步驟的課程，虛擬實驗室也可以用于理化檢驗理論課程的混合式教學中，以幫助學生身臨其境，將枯燥的文字，轉化為具象的情景出現，使學生更好地理解和記錄檢驗過程，提高學生對教材內容的積極性和參與性，改善教學效果。

我教研室正與濟南中飛科技有限公司合作開發一系列理化檢驗的虛擬仿真軟件，從代表性實驗教學項目的選擇、相關實驗視頻的錄制、教學模型及軟件系統的開發、實驗技能培訓的開展等方面探索虛擬實驗室平臺與理化檢驗課程聯合應用模式，使理論教學形象化、實驗教學豐富化，從而改善教學效果，實現教學的高效與實際需要的結合。

2.1 提升實驗室硬件水平，保證實驗內容的“與時俱進”

隨著我國對公共衛生領域監管的加強，衛生檢驗的對象也日益壯大，檢驗過程中所需的技術和手段也快速發展。很多院校，包括本校，受經費的限制，實驗室儀器配置無法跟隨儀器最新發展，或是新型儀器數量有限，學生無法全部接觸到；某些配置已經落后于實際檢測要求，無法適應檢驗技術的快速發展。

我教研室就針對衛生檢驗領域常用儀器，進行了相關虛擬仿真實驗項目的軟件開發，目前已經完成了火焰原子吸收分光光度法測定水樣中金屬元素”“石墨爐原子吸收分光光度法測定水樣中銅元素”“氣相色譜法測定空氣中甲苯”“陽極溶出伏安法測定水中鉛鎘”及“高效液相色譜法測定食品中防腐劑”共5個虛擬仿真實驗項目的初步制作(圖1)。

圖1 虛擬儀器平臺

虛擬實驗室的引入，可以通過模擬新型儀器和檢測手段，在經費相對有限，陳舊儀器無法更新的情況下，將最新的儀器和技術引入教學過程中，幫助學生了解新型儀器，增加操作時間和次數，完成虛擬的檢驗內容，以開拓學生視野，保證教學內容的實時性和適應性。

2.2 突破時空的限制，增加實驗自由度和靈活性

虛擬實驗室的存在，使學生可以自主選擇時間，登錄界面進行實驗訓練，不受實驗室開放時間，實驗地點固定的限制。學生可以在課前，提前登錄平臺，對本次實驗過程進行預習，關注實驗中易錯步驟和重點步驟；實驗結束后，學生可利用虛擬平臺對實際操作進行反思，查漏補缺，對于錯誤步驟可精確重復，反復練習。一方面，學生通過多次練習，可加深印象，鞏固基本操作，而且可通過多次實驗，總結規律，培養創新意識；另一方面，由于學生對實驗已提前熟悉，可以避免實驗過程中時間和試劑材料的浪費，提高實驗課效率，且因為是虛擬的，學生的多次實驗也不會額外增加學校在實驗課程的投入和資源、儀器損耗。

虛擬實驗平臺中涉及了基本操作訓練模塊(圖2)，幫助學生熟練掌握基本操作。實驗的基本操作是

圖2 基本操作訓練模塊

完成檢驗的基礎，是眾多綜合實驗的基本組成部分?；静僮髡莆帐炀殻拍鼙ＷC實驗的準確性和可靠性。學生在實驗過程中，往往忽略基本操作的重要性。我們的基本操作訓練模塊在設計時，充分考慮了實際的操作性，將操作重點作為考核點，每一個考核點對應分數，學生一次操作完成，會對整個基本操作的要點有全面直觀的認識，增加學生操作的熟練度和準確度。另外，該模塊用于實驗考核時，要點突出，更接近真實的操作狀態，實現學生實驗技能的量化考核。

2.3 使展示更直觀，加深學生對整個儀器構成和實驗流程的認識

教師講授理化檢驗實驗時，首先進行實驗步驟和分析儀器的講授。一是操作步驟往往比較復雜，學生難以記住所有流程，且容易記錯，造成實驗的失敗；二是大型的分析儀器受經費的限制，只有一到兩臺，站在后面的學生往往無法親眼看到在儀器內部構造和操作步驟，造成接下來的實驗操作困難，甚至打擊了學生實驗的熱情。而虛擬實驗室實現了儀器的仿真性和實驗操作的實踐性，不受實驗室條件的限制，每個學生都可以親眼看到儀器的構造和操作，加深了對儀器的了解。

目前，我教研室已經開放了平臺中的7項虛擬仿真實驗項目，包括：食品中添加色素的測定、乘用車內空氣中苯系物的檢測、工作場所空氣中錳及其化合物的測定、ICP-MS測定土壤中有害重金屬、HIV病毒的檢測、甲型H7N9流感疫情、細菌性食物中毒案例等。虛擬實驗模塊包括實訓、實驗目的、原理、操作視頻和思考題等內容，其中，操作視頻以實物視頻的形式介紹了各實驗的相關儀器的實際操作，實訓則以虛擬仿真的形式模擬了樣品的采集和前處理、相關儀器檢測、數據分析和處理等整個實驗過程，模擬過程附有操作提示。實訓和操作視頻虛實結合，能夠讓學生直觀形象地熟悉并掌握整個實驗過程，對實驗的注意事項也有了一定了解，可有效解決某些高成本、高消耗及高危的實驗實訓項目普及率不高、部分課程教學資源相對不足的現象。同時，有利于貫徹我中心“早實驗、多實驗、反復實驗”和“早現場、多現場、反復現場”的實驗教學原則，并有利于增加學生對實驗的流程和重點的認識，提高了實驗操作的成功率和準確度。

2.4 實現教育資源的優化配置，呈現開放性和共享性

虛擬實驗室以網絡為平臺，使得它的使用更為自由，不同院校同一專業之間，同一院校不同專業之間，都可以進行資源的共享，也可以在同一平臺下進行建設，取長補短，增加了院校之間的交流合作，實現了資源利用的最大化。

我們的實驗課程面向醫學檢驗技術、衛生檢驗與檢疫、法醫學、預防醫學以及食品質量與安全等5個專業本專科學生開設了20余門實驗課。每年開設試驗項目193個，年實驗教學量達12.62萬人學時，而虛擬實驗室的建設，使衛生檢驗與檢疫、法醫學、醫學檢驗、預防醫學、食品質量與安全等5個專業學生可通過這個平臺選擇課程進行學習。下一步，我們期待能與其他院校的虛擬實驗室平臺有深入的交流和共建，整合優化各高校的優質資源，實現跨校的學習。

3 展望

我校的衛生檢驗與檢疫專業，一直按照“早實驗、多實驗、反復實驗” 的原則，以全面提高學生能力為宗旨，以共建共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，積極開展實驗教學信息化建設。目前，教研室與濟南中飛科技有限公司合作開發的虛擬仿真實驗平臺，為改善教學效果，提高學生理論和實驗課程參與度，增強學生科研能力和獨立思維，提供了一個有力的工具和選擇。下一步，我們將在教學實踐中，不斷豐富與改進平臺，使其更符合學生所需，更期望通過與其他高校的合作，為學生提供更廣闊的、更豐富的教學資源。