虚拟仿真技术在卫生检验与检疫理化实验教学中的应用与探讨

邓敬桓，邹云锋，苏 莉，农清清，黄东萍，阮 冲，黄明立，陈 星

(1. 广西医科大学公共卫生学院虚拟仿真实验教学中心；2. 广西医科大学公共卫生学院卫生检验与检疫系，广西 南宁 530021)

卫生检验与检疫是一门实践性很强的学科，整个专业的教学分为理化检验和微生物检验两大部分[1]。理化检验包括分析化学、仪器分析两门专业基础课程，水质理化检验、空气理化检验、生物材料检验、化妆品理化检验和食品理化检验等专业必修课程。实验教学是理化检验教学过程中不可或缺的教学环节，是培养实用型、应用型人才的重要途径。通过实验教学使学生加深对理论知识的理解，培养学生在理化检验实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力，培训学生基本的操作技能和理化实验室必备的工作素养[2-4]。目前，大多数医学类高等院校的理化实验是采用传统的教学模式，但随着信息技术的飞速发展，虚拟仿真技术被引入实验教学中，逐渐成为一种新的教学途径[5-8]。为使虚拟仿真充分发挥其技术优势，更好融入理化实验教学中，我们依据理化检验课程的实验教学目标和虚拟仿真技术特点，结合本教研组多年来使用虚拟仿真技术的教学经验，以及当前虚拟仿真实验教学的应用现状，对卫生检验与检疫专业理化检验实验教学改革进行初步探讨和分析，以期让虚拟仿真技术更好地服务于实验教学，打造卫生检验与检疫信息化实验教学新模式。

1 虚拟仿真的发展和技术优势

虚拟仿真的概念由美国沃尔夫教授在20世纪80年代首先提出，它是指用计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等综合集成技术模拟现实世界(甚至是不存在)的事物和环境，从而构建出具有感知性、沉浸感、自主性和交互性的虚拟系统[9]。用户可以对来自虚拟环境中的对象所反馈的实时感知数据(如：听觉、视觉和触觉等)进行交互性操作和自主性处理，并能如同在真实世界中一样，采取相同的方式应对接收到的信息，从而沉浸其中。虚拟仿真技术能突破时间限制，运用人工交互技术自主性地改变虚拟系统中事物的发生发展过程。借助计算机图形学技术模仿现实世界的事物和环境，从而打破空间的约束。通过操作虚拟仿真系统节约现实成本，同时规避可能存在的安全隐患[10-13]。

2 卫生检验与检疫理化实验教学的特点

实验教学是高等院校教育教学的重要组成部分，卫生检验与检疫技术专业理化实验教学在该专业的实验教学中占有十分重要的地位。专业基础课程修完后，才能进入到专业课程的学习。专业课程的修学包含：水质理化检验、空气理化检验、化妆品理化检验、生物材料检验和食品理化检验，这些课程教学目标的侧重点有所不同。由于空气和水质样本基体相对简单，前处理过程不复杂，主要涉及消化法、溶剂解吸法和热解析法[1]，所以水质和空气理化检验学习的重点在于样品采集、不同化学物质的化学检测方法和原理。化妆品、生物材料和食品的样品种类繁多，组成基体非常复杂，既含有大分子的天然有机化合物如蛋白质、糖类、脂肪和维生素等[1]，也可能含有多种人为添加的物质如色素、防腐剂等，故化妆品、生物材料和食品理化检验着重于样品保存和前处理、不同化学物质定量分析检测方法和原理。在实验课中，要求学生进一步巩固分析化学中酸碱滴定分析法、配位滴定法和氧化还原滴定法等分析化学基本原理和方法，同时还需进一步熟悉分光光度法、原子吸收光谱法、气相色谱法、高效液相色谱法及色谱质谱联用法等仪器分析和检测操作，以及较为全面地掌握样品前处理常用方法[1]。

3 虚拟仿真技术在理化实验中的应用

“能实不虚，以虚补实”一直是虚拟仿真技术应用于实验教学的设计原则。遵循该原则，借助虚拟仿真的技术特点，目前虚拟仿真技术在卫生检验与检疫理化实验中的应用主要体现在三个方面：①涉及有毒、有放射性、易燃易爆试剂相关的实验项目，如氰化物、重金属和苯系物等，这些实验操作存在一定的实验安全隐患。②使用大型贵重仪器检测分析的实验项目，如：电感耦合等离子体质谱、原子吸收分光光度计、气相色谱仪、高效液相色谱仪，这些仪器价格昂贵、耗材且维护成本高，在传统教学中以演示教学为主，学生只能粗略了解，难以熟练、独立、完整地完成相关实验项目。③耗时长或操作空间要求较大的实验项目，如：脂肪的测定、土壤化学成分分析和乘用车内空气质量检测等，这些实验很难让学生在有限的实验课时内和课堂实验场所中完成[12]。

虚拟仿真技术可模拟实验试剂，用虚拟操作替代直接接触，规避实验风险，减少实验中的隐患。通过高仿真仪器真实地展示操作，以网络技术实现人机互动，使学生不再拘泥实体机操作的单一学习方法，开启“一人一机”的随时随处学习模式。另外，运用虚拟现实技术构建大型实验场景，虚化实验时间，突破了时间、空间的制约，克服了现场实验室的局限性[14-15]。

4 虚拟仿真实验教学思考与改进

随着数字网络技术和教育信息化技术的发展，虚拟仿真技术的教学应用越来越受到教师青睐，也成为学生喜欢的教学模式。虚拟仿真实验教学采用图片、文字、视频、二维、三维交互动画等多种表现形式将教学中抽象的概念、原理和过程等进行直观生动地演示，有助于学生更好地理解、掌握实验原理和概念，学生对通过互联网的新型方式获取知识更有兴趣，有利于增强学习积极性。运用网络技术和虚拟现实技术把理论知识、实验内容、实验设备、实验操作、实验考核有机地结合在一起，突破了时间、空间的制约，克服了现场实验室的局限性，提高学生自主学习的能力[16]。

本教研组围绕当前公共卫生关注的热点问题，结合卫生检验与检疫理化检验实验教学内容，研发了一批涵盖气相色谱仪、液相色谱仪、毛细管电泳仪和电感耦合等离子体质谱大型贵重仪器的虚拟仿真实验教学项目(乘用车内空气中苯系物的检测、高效液相色谱法测定食品饮料中的添加剂、基于ICP-MS技术的土壤重金属含量测定及健康风险评价和高效毛细管电泳检测酒中塑化剂)(见图1)，依托学校的国家虚拟仿真实验平台在实验教学方面做了有益的尝试。每个项目包含实验目的、实验原理、实验操作演示视频，实训操作、思考题等板块，其中实训过程包含样品准备(采集、保存和前处理)、样品检测和数据分析三个关键阶段，将实验知识要点设计成问题，采用问答方式进行实验操作，学生登录平台选定项目即可进行实验前预习、实验学习和实验后复习。自2017年完成制作以来，这些项目被搭载在校虚拟仿真实验平台，已被多次应用于实验教学、实验竞赛和实验考核等方面，近三年学生的点击率和访问量一直处于高位(见图2)，总体评价是积极和正面的，其中“基于ICP-MS技术的土壤重金属含量测定及健康风险评价”获得省级虚拟仿真实验教学一流本科课程。然而，也发现一些亟待解决的问题，尚存改进空间。不足之处主要体现：①在教学内容编排方面，基础理论和实践操作融合效果欠佳，有关研究也有这方面报道[8,17]。如气相色谱法检测空气中苯系物，如何将塔板理论和速率理论更好体现在操作过程中等。②在教学内容设计方面，由于虚拟仿真实验项目制作成本较高，加上遵循虚拟仿真设计原则“能实不虚”，分析化学和仪器分析基本实验操作较少作为独立项目制作，大多数只作为知识单元插入综合项目中，这不利于学生专题练习和系统学习，如配制标准溶液、滴定操作、天平和酸度计使用。③在教学内容展示方面，不同品牌和型号的仪器在具体操作上存在明显差异，但依据某一品牌型号仪器制作的虚拟仿真项目可能会让学生学习后产生一定的误导性，认为同种仪器操作都是一样的。

2020年初，突如其来的新冠疫情打破了传统实验教学模式，在我国“停课不停学”的号召下，线上教学成了授课的主要方式，虚拟仿真实验成为最佳实验教学线上资源，各高校纷纷响应号召，在制作公司搭建的虚拟仿真云平台上共享虚拟仿真实验教学项目，极大地缓解了当时的实验教学压力，助力全国各院校开展在线远程实验教学。本教研组的项目被搭载在上海梦之路数字科技有限公司的虚拟仿真实验教学云平台上，该平台入选2020年教育部疫情防控期间高校在线教学的课程资源和技术平台，并且是唯一医学实验类平台，供全国各高校选择和使用(见表1)。与此同时，我们在使用其他高校的卫生检验与检疫理化实验虚拟仿真项目时，发现对于同一实验内容各高校做法不一，在实验操作上存在明显差异，一些实验操作细节也尚待规范化，部分实验流程在行内缺乏统一标准。有些涉及高科技信息技术的大型理化实验，网络系统兼容性也不理想，且大多数虚拟仿真实验未能实现在智能手机上操作，只能通过电脑端链接，由于会占据较大的内存空间，极大影响实验项目远程线上教学的使用和普及。

表1 2020年梦之路医学虚拟仿真实验教学云平台中本教研组研发虚拟仿真项目的使用情况一览表

5 结语

尽管虚拟仿真实验应用于卫生检验与检疫理化实验教学还存在很多问题，但不可否认的是信息化教学是高校教学改革的方向，也是教育教学发展的一种趋势。虚拟仿真技术极大地丰富了教学内容，提高教学效率，有助于培养学生的自主学习能力与创新精神。不仅如此，虚拟仿真实验还可以应用于卫生检验与检疫理化检验领域的课外培训和考核，全面促进理化检验实践教学的发展。今后希望业内同行能进一步对理化检验制定出更明确、标准化和规范化的实验操作细则，优化虚拟仿真技术，统筹研发出高质量、高水平的虚拟仿真实验项目，继续探索和创新实验信息化教学新模式，共享教育教学信息化的硕果。

图1 广西医大公卫学院教研组研发的四个虚拟仿真实验教学项目

图2 2017-2020年本教研组研发的四个虚拟仿真项目校内学生点击数