虚拟仿真实验融入“卫生毒理学”实验教学的应用探索

孙 倩，唐焕文，刘小山，陈玉婷

（广东医科大学公共卫生学院 广东 东莞 523808）

“卫生毒理学”是研究环境化学、物理和生物因素对生物体和生物系统损害作用及其生物学机制的科学，是公共卫生与预防医学专业的重要支撑学科和基础课程[1]。预防医学专业的学生在大一到大三的学习过程中，已经学习了生理学、生物化学、药理学和病理学等基础课程知识，具有一定的专业知识和实践经验。学习“卫生毒理学”可为后续专业核心课程“营养与食品卫生学”“职业卫生与职业医学”“环境卫生学”和“卫生监督学”打下理论基础。本课程以学生能力提升为中心，学生需掌握外源化学物对机体的毒作用及其机制，能运用相应的研究方法去调查研究影响人群健康的因素、制订预防疾病及增进人群健康的策略与措施。通过该课程的学习，树立学生“大卫生”“大健康”的观念，培养具有扎实理论基础、较强的实践技能、适合社会需求的预防医学人才[2]。

“卫生毒理学”内容涉及相关理论和机制研究，理论知识繁杂且需要记忆的内容很多，常出现教师在课堂上讲课，学生不能跟上教师的进度，出现“开小差”甚至逃课的现象，导致课堂的参与度不高。再加上不是考研科目，学生理论联系实际的能力较欠缺，往往缺乏学习的主动性。因此，当下探讨并推行创新型教育方式方法，突出培养学生的学习主动能力、创造性思维和创新能力显得尤为重要。实验教学作为毒理学教学过程中最重要的一环，在提高学生的学习主动性，培养学生观察、分析、实践操作能力以及综合创新能力方面起着关键作用[3]。

1 微核试验教学中遇到的痛点

目前广东医科大学（以下简称“我校”）在开展毒理学试验教学遇到以下痛点，以微核试验为例：其一，学生学习的主动性差。“外源化学物致突变作用”章节内容晦涩难懂，学习效率低下，导致学生对实验课的学习积极性不高。实验课前学生如果没有提前预习，被动参与到实验中，缺乏主动思考，短时间内难以掌握实验原理、意义以及技术要点。其二，学生不能熟练掌握动物实验的基本技能。鉴于实验仪器和现有条件的局限，实验过程中部分学生对动物有惧怕或担心动物不干净等原因，不愿意动手操作，或者实验操作上敷衍了事。其三，创新能力的训练不足。目前毒理学实验教学模式主要是教师讲授实验目的、原理、步骤、注意事项等，学生依据教师提供的实验步骤进行实验并撰写实验报告。在此过程中，学生被动接受知识，实验课上机械完成操作，学生未深入思考实验内容之间的逻辑性和系统性，面对问题不能分析其原因。此外，有限的实验课时内难以开展复杂综合性的毒理学试验，如完整的细菌回复突变试验。因此，学生未能宏观了解毒理学试验的全过程及涉及的实践意义，不能锻炼学生的实验设计、知识应用能力，不利于其科研思维和创新能力的提高和培养。其四，课堂评价方法单一。“卫生毒理学”课程的成绩主要由期末理论考试和平时实验报告成绩组成，一般为7∶3。通常实验报告成绩仅由实验报告分数决定，部分学生参考教师的实验方案和其他同学的报告完成实验报告，也可以完成实验课的考核。单凭报告成绩进行评价，不能体现其在课程中的参与度，严重影响学生参与的积极性。

2 微核试验的教学目标

本次实验应达到以下教学目标：①知识目标：掌握小鼠骨髓嗜多染红细胞微核测定方法、应用及其评价标准。②能力目标：学会骨髓液的制备和涂片方法，掌握微核试验的基本步骤。③素质目标：学生有耐心、细心和仁爱之心，尊重生命、关爱生命、理解生命，具有医学伦理道德情操。④价值目标：激发学生学习兴趣，提高学生实践操作能力、独立思考能力、沟通和团队合作能力。

3 微核实验虚拟仿真实验的应用

3.1 应用方法

研究对象：选取我校2019 级预防医学专业大四学生共计194 名。理论教材选用姜岳明、唐焕文、刘起展主编的《毒理学》（人民卫生出版社，2017 年8 月，第2 版），实验教材选用唐焕文、靳曙光主编的《毒理学基础实验指导》（科学出版社，2010 年8 月，第1 版）。虚拟仿真实验教学平台：广西医科大学细胞生物学与遗传学教研室和上海梦之路数字科技有限公司制作的微核实验教学平台。该实验教学模式包含实验目的、实验原理、实验视频和思考题，学生可以详细了解实验的理论知识。学生在虚拟仿真操作过程中可以进行模拟步骤的考试测试，检测自身对技能掌握的熟练程度，教师可以通过平台了解学生的实验进展以及掌握情况。

教学过程：课前一周学生登录虚拟仿真实验中心，依次学习实验目的、原理、视频，再进行虚拟仿真操作，最后完成考核。课中教师讲解实验原理、材料方法和实验对象，再结合系统中的实验视频讲解实验步骤和注意事项，然后学生进行微核实验的实操。课后学生提交实验报告，给出实验结论。教师结合考勤、技能操作、虚拟仿真操作成绩以及实验报告对学生进行综合评价。

3.2 效果评价

参考刘小山、邵士昌等文献设计调查问卷对卫生毒理学虚拟仿真教学应用进行评价[4-5]。通过问卷星软件设计和发放问卷，共回收194 份问卷，有效问卷194 份。

3.3 结果

对虚拟仿真的了解程度及在线操作的难易程度均影响学生的认知、兴趣以及学习积极性。如表1 所示（p66），对此次虚拟仿真实验满意度的调查中，超过92.27%的学生对虚拟仿真有一定的了解，因前期其他课程学习过程中接触过虚拟仿真实验。平均96.50%的学生认为本次微核实验的虚拟仿真实验设计逼真、操作过程逼真、反馈及时、系统操作容易以及对操作系统感兴趣。这在一定程度上表明，简单、逼真的系统操作有助于提高学生对实验操作的关注度，提高操作的积极性。

表1 学生对虚拟仿真实验感兴趣影响因素的评价[n=194，n（%）]

教学效果的评价可以体现课程的实施能否衔接知识点和实验教学内容，达到教学目的。平均78.52%的学生认为虚拟仿真教学方式对实践技能的提高、学习思考能力、巩固微核试验的理论知识、锻炼实验操作能力、提高微核试验的实践兴趣和动力、拓宽相关的知识层面等方面具有积极作用，而平均18.22%的学生保持中立态度（表2，p66）。

表2 学生对教学效果的评价[n=194，n(%)]

本次调查发现，91.24%的学生认为虚拟仿真实验完成度很好，因在虚拟仿真实验过程中，学生可以不断重复实验来掌握实验原理、步骤和操作技能，为实际的实验操作提供帮助。85.57%的学生认同虚拟仿真与传统实验相结合的授课模式，同时希望线下操作过程中，实验带教老师能增加与学生的互动交流、解答操作过程中的困惑和纠正不规范的动作。83.5%的学生认为该虚拟仿真实验可以解决实境教学难题，如线下操作后对实验原理不理解，还可以重复多次操作进行补充学习、克服操作过程中对动物的害怕心理，可以更快获得实验数据。76.81%的学生实操后对虚拟仿真感兴趣，但同时有学生认为单纯的虚拟仿真存在不足，如虚拟仿真操作的趣味性不及实际动手操作、虚拟仿真实验过程中部分步骤仍需要优化或者设置为跳过，避免浪费时间（表3）。

表3 学生对教学方式的评价[n=194，n(%)]

4 讨论

虚拟仿真实验教学项目拓展了实验内容的广度和深度，将涉及高危或极端环境、高成本、高消耗、不可逆操作的实验项目，以及大型综合训练引入实验教学。保证了实验内容，缩短了实验时长，适应经济社会发展对高质量人才培养的需求，达到立德树人的教学目的[6]。卫生毒理学实验因涉及化学物高危（剧毒、麻醉药品等）以及高成本、高消耗、耗时长（亚慢性、慢性、致突变、致癌和致畸实验）等因素，尤其适合构建“虚—实”结合的实验教学项目，满足新时代对公共卫生创新人才培养的需求[7]。如张丽等制作外源化合物经呼吸道致遗传毒性虚拟仿真实验，并对该外源化学物进行安全性评价，实现实验设计、实验操作和实验结果融为一体，有利于学生理论与实践相结合，提升实验教学改革效果和质量，提高学生的学习主动性以及实验创新能力等[7]。

本次“虚—实”结合的微核试验，学生通过虚拟仿真实验反复练习，提前完成预习，同时可以系统全面地对细节进行操作，加深对实验原理和步骤的印象，从而提高学生实际操作的成功率和自信心，在一定程度上衔接了教师的理论讲解和学生的实际操作。但不可避免的是，该虚拟仿真实验在设计上仍有欠缺，学生反馈缺乏实际操作的真实感，且虚拟仿真的交互方式比较简单，主要以动画演示、选择题的形式出现，学生通过不断的尝试，选出正确答案才能进行下一步，降低了学生的操作兴趣。因此，仍然需要增加更多有效的交互方式，及时反馈，调动学生操作的积极性和兴趣。

针对虚拟仿真实验存在真实感缺乏和影响学生积极性的缺陷，笔者认为可以通过以下方式进行改进。建立毒理学常用的动物实验操作视频库，增加实验的真实性。本实验实操过程中，学生常取材错误，误将胫骨认为是股骨；涂片手法不规范，染色效果不佳，影响阅片；显微镜使用不当，容易压碎玻片或者损伤显微镜镜头。因此，录制动物的染毒方式、处死、股骨头取材、涂片、固定、染色、显微镜使用等操作非常必要，可以让学生反复观察，按照视频进行操作。

还可开展综合设计实验调动学生的学习主动性，该教学方法在毒理学、中药药理学、药理学等实验教学中均取得了良好的教学效果[8-10]。如开展肝脏毒理学实验设计，在教师的指导下，让学生寻找可能对肝损伤有保护作用的物质，使学生真正体验到科学研究的思路和过程。学生查阅资料、设计实验、制订实施方案、开展实验和总结汇报，让学生了解小鼠肝损伤发生机制与干预的实验设计全过程，优化设计流程和强化基本技能，激发学生的主观能动性，增强学生的团队协作意识和自主创新意识，同时提高学生对结果数据的统计分析能力和结果表达能力[11]。

提高毒理学基础教学质量是一个循序渐进的过程，如何有针对性地让学生有机结合课堂所学的理论知识和实践操作，调动学生的学习兴趣、提高学生综合素质，较好地培养学生分析问题、解决问题的能力和对于科研工作的兴趣，培养学生的实践操作能力，培养出高素质的公共卫生人才，还需在今后的教学过程中不断总结经验，逐步思考与探索。