虛擬仿真實驗融入“衛生毒理學”實驗教學的應用探索

孫 倩，唐煥文，劉小山，陳玉婷

（廣東醫科大學公共衛生學院 廣東 東莞 523808）

“衛生毒理學”是研究環境化學、物理和生物因素對生物體和生物系統損害作用及其生物學機制的科學，是公共衛生與預防醫學專業的重要支撐學科和基礎課程[1]。預防醫學專業的學生在大一到大三的學習過程中，已經學習了生理學、生物化學、藥理學和病理學等基礎課程知識，具有一定的專業知識和實踐經驗。學習“衛生毒理學”可為后續專業核心課程“營養與食品衛生學”“職業衛生與職業醫學”“環境衛生學”和“衛生監督學”打下理論基礎。本課程以學生能力提升為中心，學生需掌握外源化學物對機體的毒作用及其機制，能運用相應的研究方法去調查研究影響人群健康的因素、制訂預防疾病及增進人群健康的策略與措施。通過該課程的學習，樹立學生“大衛生”“大健康”的觀念，培養具有扎實理論基礎、較強的實踐技能、適合社會需求的預防醫學人才[2]。

“衛生毒理學”內容涉及相關理論和機制研究，理論知識繁雜且需要記憶的內容很多，常出現教師在課堂上講課，學生不能跟上教師的進度，出現“開小差”甚至逃課的現象，導致課堂的參與度不高。再加上不是考研科目，學生理論聯系實際的能力較欠缺，往往缺乏學習的主動性。因此，當下探討并推行創新型教育方式方法，突出培養學生的學習主動能力、創造性思維和創新能力顯得尤為重要。實驗教學作為毒理學教學過程中最重要的一環，在提高學生的學習主動性，培養學生觀察、分析、實踐操作能力以及綜合創新能力方面起著關鍵作用[3]。

1 微核試驗教學中遇到的痛點

目前廣東醫科大學（以下簡稱“我校”）在開展毒理學試驗教學遇到以下痛點，以微核試驗為例：其一，學生學習的主動性差。“外源化學物致突變作用”章節內容晦澀難懂，學習效率低下，導致學生對實驗課的學習積極性不高。實驗課前學生如果沒有提前預習，被動參與到實驗中，缺乏主動思考，短時間內難以掌握實驗原理、意義以及技術要點。其二，學生不能熟練掌握動物實驗的基本技能。鑒于實驗儀器和現有條件的局限，實驗過程中部分學生對動物有懼怕或擔心動物不干凈等原因，不愿意動手操作，或者實驗操作上敷衍了事。其三，創新能力的訓練不足。目前毒理學實驗教學模式主要是教師講授實驗目的、原理、步驟、注意事項等，學生依據教師提供的實驗步驟進行實驗并撰寫實驗報告。在此過程中，學生被動接受知識，實驗課上機械完成操作，學生未深入思考實驗內容之間的邏輯性和系統性，面對問題不能分析其原因。此外，有限的實驗課時內難以開展復雜綜合性的毒理學試驗，如完整的細菌回復突變試驗。因此，學生未能宏觀了解毒理學試驗的全過程及涉及的實踐意義，不能鍛煉學生的實驗設計、知識應用能力，不利于其科研思維和創新能力的提高和培養。其四，課堂評價方法單一。“衛生毒理學”課程的成績主要由期末理論考試和平時實驗報告成績組成，一般為7∶3。通常實驗報告成績僅由實驗報告分數決定，部分學生參考教師的實驗方案和其他同學的報告完成實驗報告，也可以完成實驗課的考核。單憑報告成績進行評價，不能體現其在課程中的參與度，嚴重影響學生參與的積極性。

2 微核試驗的教學目標

本次實驗應達到以下教學目標：①知識目標：掌握小鼠骨髓嗜多染紅細胞微核測定方法、應用及其評價標準。②能力目標：學會骨髓液的制備和涂片方法，掌握微核試驗的基本步驟。③素質目標：學生有耐心、細心和仁愛之心，尊重生命、關愛生命、理解生命，具有醫學倫理道德情操。④價值目標：激發學生學習興趣，提高學生實踐操作能力、獨立思考能力、溝通和團隊合作能力。

3 微核實驗虛擬仿真實驗的應用

3.1 應用方法

研究對象：選取我校2019 級預防醫學專業大四學生共計194 名。理論教材選用姜岳明、唐煥文、劉起展主編的《毒理學》（人民衛生出版社，2017 年8 月，第2 版），實驗教材選用唐煥文、靳曙光主編的《毒理學基礎實驗指導》（科學出版社，2010 年8 月，第1 版）。虛擬仿真實驗教學平臺：廣西醫科大學細胞生物學與遺傳學教研室和上海夢之路數字科技有限公司制作的微核實驗教學平臺。該實驗教學模式包含實驗目的、實驗原理、實驗視頻和思考題，學生可以詳細了解實驗的理論知識。學生在虛擬仿真操作過程中可以進行模擬步驟的考試測試，檢測自身對技能掌握的熟練程度，教師可以通過平臺了解學生的實驗進展以及掌握情況。

教學過程：課前一周學生登錄虛擬仿真實驗中心，依次學習實驗目的、原理、視頻，再進行虛擬仿真操作，最后完成考核。課中教師講解實驗原理、材料方法和實驗對象，再結合系統中的實驗視頻講解實驗步驟和注意事項，然后學生進行微核實驗的實操。課后學生提交實驗報告，給出實驗結論。教師結合考勤、技能操作、虛擬仿真操作成績以及實驗報告對學生進行綜合評價。

3.2 效果評價

參考劉小山、邵士昌等文獻設計調查問卷對衛生毒理學虛擬仿真教學應用進行評價[4-5]。通過問卷星軟件設計和發放問卷，共回收194 份問卷，有效問卷194 份。

3.3 結果

對虛擬仿真的了解程度及在線操作的難易程度均影響學生的認知、興趣以及學習積極性。如表1 所示（p66），對此次虛擬仿真實驗滿意度的調查中，超過92.27%的學生對虛擬仿真有一定的了解，因前期其他課程學習過程中接觸過虛擬仿真實驗。平均96.50%的學生認為本次微核實驗的虛擬仿真實驗設計逼真、操作過程逼真、反饋及時、系統操作容易以及對操作系統感興趣。這在一定程度上表明，簡單、逼真的系統操作有助于提高學生對實驗操作的關注度，提高操作的積極性。

表1 學生對虛擬仿真實驗感興趣影響因素的評價[n=194，n（%）]

教學效果的評價可以體現課程的實施能否銜接知識點和實驗教學內容，達到教學目的。平均78.52%的學生認為虛擬仿真教學方式對實踐技能的提高、學習思考能力、鞏固微核試驗的理論知識、鍛煉實驗操作能力、提高微核試驗的實踐興趣和動力、拓寬相關的知識層面等方面具有積極作用，而平均18.22%的學生保持中立態度（表2，p66）。

表2 學生對教學效果的評價[n=194，n(%)]

本次調查發現，91.24%的學生認為虛擬仿真實驗完成度很好，因在虛擬仿真實驗過程中，學生可以不斷重復實驗來掌握實驗原理、步驟和操作技能，為實際的實驗操作提供幫助。85.57%的學生認同虛擬仿真與傳統實驗相結合的授課模式，同時希望線下操作過程中，實驗帶教老師能增加與學生的互動交流、解答操作過程中的困惑和糾正不規范的動作。83.5%的學生認為該虛擬仿真實驗可以解決實境教學難題，如線下操作后對實驗原理不理解，還可以重復多次操作進行補充學習、克服操作過程中對動物的害怕心理，可以更快獲得實驗數據。76.81%的學生實操后對虛擬仿真感興趣，但同時有學生認為單純的虛擬仿真存在不足，如虛擬仿真操作的趣味性不及實際動手操作、虛擬仿真實驗過程中部分步驟仍需要優化或者設置為跳過，避免浪費時間（表3）。

表3 學生對教學方式的評價[n=194，n(%)]

4 討論

虛擬仿真實驗教學項目拓展了實驗內容的廣度和深度，將涉及高危或極端環境、高成本、高消耗、不可逆操作的實驗項目，以及大型綜合訓練引入實驗教學。保證了實驗內容，縮短了實驗時長，適應經濟社會發展對高質量人才培養的需求，達到立德樹人的教學目的[6]。衛生毒理學實驗因涉及化學物高危（劇毒、麻醉藥品等）以及高成本、高消耗、耗時長（亞慢性、慢性、致突變、致癌和致畸實驗）等因素，尤其適合構建“虛—實”結合的實驗教學項目，滿足新時代對公共衛生創新人才培養的需求[7]。如張麗等制作外源化合物經呼吸道致遺傳毒性虛擬仿真實驗，并對該外源化學物進行安全性評價，實現實驗設計、實驗操作和實驗結果融為一體，有利于學生理論與實踐相結合，提升實驗教學改革效果和質量，提高學生的學習主動性以及實驗創新能力等[7]。

本次“虛—實”結合的微核試驗，學生通過虛擬仿真實驗反復練習，提前完成預習，同時可以系統全面地對細節進行操作，加深對實驗原理和步驟的印象，從而提高學生實際操作的成功率和自信心，在一定程度上銜接了教師的理論講解和學生的實際操作。但不可避免的是，該虛擬仿真實驗在設計上仍有欠缺，學生反饋缺乏實際操作的真實感，且虛擬仿真的交互方式比較簡單，主要以動畫演示、選擇題的形式出現，學生通過不斷的嘗試，選出正確答案才能進行下一步，降低了學生的操作興趣。因此，仍然需要增加更多有效的交互方式，及時反饋，調動學生操作的積極性和興趣。

針對虛擬仿真實驗存在真實感缺乏和影響學生積極性的缺陷，筆者認為可以通過以下方式進行改進。建立毒理學常用的動物實驗操作視頻庫，增加實驗的真實性。本實驗實操過程中，學生常取材錯誤，誤將脛骨認為是股骨；涂片手法不規范，染色效果不佳，影響閱片；顯微鏡使用不當，容易壓碎玻片或者損傷顯微鏡鏡頭。因此，錄制動物的染毒方式、處死、股骨頭取材、涂片、固定、染色、顯微鏡使用等操作非常必要，可以讓學生反復觀察，按照視頻進行操作。

還可開展綜合設計實驗調動學生的學習主動性，該教學方法在毒理學、中藥藥理學、藥理學等實驗教學中均取得了良好的教學效果[8-10]。如開展肝臟毒理學實驗設計，在教師的指導下，讓學生尋找可能對肝損傷有保護作用的物質，使學生真正體驗到科學研究的思路和過程。學生查閱資料、設計實驗、制訂實施方案、開展實驗和總結匯報，讓學生了解小鼠肝損傷發生機制與干預的實驗設計全過程，優化設計流程和強化基本技能，激發學生的主觀能動性，增強學生的團隊協作意識和自主創新意識，同時提高學生對結果數據的統計分析能力和結果表達能力[11]。

提高毒理學基礎教學質量是一個循序漸進的過程，如何有針對性地讓學生有機結合課堂所學的理論知識和實踐操作，調動學生的學習興趣、提高學生綜合素質，較好地培養學生分析問題、解決問題的能力和對于科研工作的興趣，培養學生的實踐操作能力，培養出高素質的公共衛生人才，還需在今后的教學過程中不斷總結經驗，逐步思考與探索。