虛擬仿真實驗系統在醫學留學生毒理學課程中的應用

馬焜，靖雪妍，李百祥

（哈爾濱醫科大學公共衛生學院，黑龍江 哈爾濱 150081）

隨著“一帶一路”建設的不斷深入，我國目前同許多國家、地區及國外機構間的教育合作程度日漸加深，來華留學生的數量也在不斷增加[1]。留學生教育已成為我國教育體系中極為重要的一部分。然而，隨著2019 年底新冠肺炎疫情的發生，使許多留學生滯留在國外，無法按時返校學習。為響應教育部“停課不停教，停課不停學”的號召，本校積極開展線上教學活動。但在此種情況下，留學生很難進入緊張的學習狀態，同時，教師在線上教學中對課堂監控相對較弱，留學生學習效率不高，教學效果得不到保證。在這種情況下，如何保證留學生教學質量，推動我國留學生教育工作持續健康發展，就變得尤為重要。本文以毒理學課程為例，通過研究以往理論教學與實驗教學的不足，引入虛擬仿真實驗系統，給留學生提供創新的教學思想和實踐方法，以充分調動其積極性與創造力。

1 傳統醫學留學生毒理學理論教學及實驗教學的不足

1.1 留學生學習積極性不高

毒理學屬于預防醫學的專業基礎學科，具有較強的實驗性和理論性，涉及遺傳學、分子生物學、生物化學以及衛生管理學等，是聯系基礎研究和臨床醫學的重要學科[2]。毒理學研究環境因素（化學、物理和生物因素）對機體的損害作用及其主要機制，并對其進行風險評估與控制，主要目的是預測外源化學物對人類健康與自然環境的影響，為確定接觸者的安全限值、制訂預防措施提供充分的科學依據。分子生物學和信息技術研究的深入促進了毒理學的發展，目前毒理學已成為促進人群健康、環境安全、職業健康、食品安全、醫藥安全，預防、控制和消除威脅人類生存環境危險因素的重要支撐學科?，F階段，醫學留學生毒理學理論教學仍然采用傳統的灌輸式教學方式，即“教師不斷講，學生不停記”，留學生被動機械地接受教師講授的課程知識點，這種“填鴨式”教學導致留學生缺乏學習熱情，不能積極主動地參與課堂教學活動。同時，一些毒理學的機制研究往往需要留學生根據教師的講解、相關圖片或視頻進行學習和理解，對留學生的學習能力和邏輯思維能力要求較高[3]。而毒理學的專業術語和操作規范內容繁雜、知識點多、專業性很強，在授課過程中一旦留學生出現注意力不集中的情況，后續的內容就會很難跟上，理解難度較大，教學效果也會大打折扣。

1.2 留學生實驗操作不易掌握

毒理學主要包括動物實驗、體外細胞實驗、管理毒理學以及人體器官毒理學等內容，重點闡述了靶器官的毒性反應、劑量影響、毒性-劑量與暴露的相互作用，以及毒性反應的可逆性等，具有很強的實踐性和應用性。目前，留學生毒理學實驗主要包括小鼠急性染毒實驗、小鼠微核實驗、Ames 菌株鑒定實驗、小鼠染色體畸變分析以及大鼠致畸實驗等。毒物毒性檢測和實驗動物模型設計是毒理學實驗教學的關鍵環節，大部分的實驗內容需要使用實驗動物來完成，導致實驗成本高、實驗時間長、實驗風險大等。（1）實驗成本高：留學生需要使用大量的實驗動物來完成毒理學實驗，但由于受實驗教師數量、實驗動物經費、時間安排、儀器數量、耗材經費以及生物安全條件等各種因素的約束，目前還無法滿足所有留學生的實驗需求。（2）實驗時間長：由于毒理學實驗中所用的動物數量多、操作難度大、費時久，導致留學生很難在一次實驗中成功完成，需多次重復實驗，因此耗時較長。（3）實驗風險大：以化學毒物作為受試物，會對教師和留學生的身體健康造成一定傷害，而且多數實驗以動物活體為實驗對象，留學生操作不當易導致動物意外受傷或死亡造成實驗失敗，違反實驗動物的“3R 原則”。

1.3 理論與實驗難以結合

毒理學研究主要探究毒物的毒性作用機理、毒性評價、毒性代謝等內容，為環境治理提供科學依據。通常以哺乳動物或體外細胞作為實驗模型，通過觀察外源化學物對其生理病理的改變，以此預測和評估外源化學物對人體產生的危害，從而為保護生物體的健康和安全提供科學依據。因此，使留學生具備良好的毒理學知識和能力，既有助于其對專業課程的認知和掌握，又能為未來參與疾病預防、健康監測等工作打下基礎。毒理學實驗課在毒理學課程中具有十分重要的地位，不僅能加深留學生對理論內容的理解和掌握，還能培養其實驗操作技能和科研思維。然而，毒理學研究內容廣泛，涉及較多的學科領域，加之其理論性較強，留學生不易理解、掌握。在毒理學實驗課上，教師常常采用實驗指導與示教相結合的方式，留學生按照步驟進行實驗操作，缺乏動腦思考和學習的熱情，創新能力與設計能力也未得到充分訓練。同時，教師在進行實驗示教時，外圍留學生常因距離較遠而無法看清楚實際的操作步驟，因此學習效果不理想。此外，在實驗教學中，實驗教師不熟悉留學生的具體能力，導致課后評估不準確，無法開展針對性和個性化的教學，進而影響教學效果，留學生難以將理論知識靈活應用到實驗中，無法對實驗數據和結果做出合理有效的分析[4]。

2 虛擬仿真實驗系統在醫學留學生毒理學教學中的應用

2.1 問題引導與操作提示

引入虛擬仿真實驗系統，留學生可自主選擇中英文互譯模式，隨后系統會隨機向留學生提出問題，要求其初步了解實驗動物基本生理特征和自然屬性，并掌握涉及毒理學實驗的理論知識。只有在留學生正確回答相關問題后，才能進行下一步的實驗。同時，在操作過程中，系統會根據實驗進展情況隨機提出問題，可以讓留學生更好地將理論與實踐結合起來。在實驗標本觀察環節，留學生與教師可進行高頻次交流，通過互動提問與答題加深對實驗標本的理解。留學生還可以利用虛擬仿真實驗系統進行實驗操作訓練，系統可以針對留學生的不當操作給出錯誤原因提示，并顯示正確的實驗步驟。在實驗完成后，系統會對留學生的實驗操作進行自動評價。通過上述人機交互模式，留學生可以在掌握理論知識的同時提升實驗技能。

2.2 規范實驗與自主設計

在練習環節中，留學生可以根據自己的興趣選擇規范練習模式或自主設計實驗模式。規范練習模式可幫助留學生針對性地練習實驗技能，而自主設計實驗模式則可為留學生提供高自由度的實驗設計空間，增強了實驗教學的設計性和創新性。此外，系統還提供了標準題庫，用于考核留學生對實驗的掌握情況。系統從題庫中隨機抽取一定數量的問題供留學生回答，并自動評價答案正確性。在此基礎上，系統構建了全程實驗操作歷史記錄的數據庫，方便師生全程追溯，以掌握留學生的實驗水平，也方便其及時糾錯。同時，教師可在系統后臺監測留學生的實驗操作，因材施教。教師也可利用系統平臺與留學生交流問題和答疑解惑，并指導留學生的實驗操作。

2.3 實驗記錄與點評反思

實驗完成后，留學生可根據系統自動生成的實驗操作報告了解自己的實驗操作過程，根據報告及時糾正自己的錯誤操作，從而提高實驗水平，并針對個人實驗操作的實際情況做出客觀評價。在此基礎上，留學生可根據自身實驗興趣和需要，嘗試進行多次重復性虛擬仿真實驗，以提升實驗能力。這種“反思式評價”有助于留學生及時認識到自身不足，同時也有助于教師對留學生的實驗操作進行點評，并快速掌握班級整體學習情況，了解留學生的教學內容掌握程度，發現班級整體的優勢和不足，聚焦教學薄弱環節，提出具有針對性的教學改革建議[5]。

3 虛擬仿真實驗系統在醫學留學生毒理學教學中應用的優勢

3.1 激發留學生學習興趣

在醫學留學生毒理學課程中應用虛擬仿真實驗系統，在虛擬環境中，留學生可以直接進行實驗標本制備、觀察以及結果判定。在虛擬環境中，留學生可以針對虛擬小鼠、大鼠和菌株進行操作，既能深化對已有理論知識的理解，又能增強實驗操作能力。這種立體式、交互式、在線式的教學模式不僅能加深留學生對實驗動物的興趣和關愛，還能提供給其進行遷移式學習的機會。同時，虛擬仿真實驗系統符合現代醫學倡導的“3R”原則，要求留學生科學人道地開展動物實驗、尊重生命、善待實驗動物，用實際行動愛護實驗動物。

3.2 提升留學生學習能力

虛擬仿真實驗系統解決了毒理學實驗教學中真實動物實驗不可回溯的問題。留學生可通過虛擬仿真實驗系統對虛擬動物進行反復練習操作，將理論知識轉化為實踐動手能力，充分實現理論和實踐的結合，并培養發現問題、分析問題和解決問題的能力。虛擬仿真實驗系統不僅促進了留學生對實驗相關理論知識的高效掌握，還幫助其養成良好的總結與反思習慣，引導留學生將理論與實際相結合。在實驗過程中，留學生的學習能力不斷得到提升。

3.3 提高留學生學習效率

由于傳統的醫學動物實驗周期長、實驗動物數量多，所以在絕大多數情況下，留學生無法參與整個實驗的操作過程。在留學生毒理學教學中應用虛擬仿真實驗系統可為其提供持續在線的“永恒式虛擬實驗課堂”，可使其學習不受空間和時間限制，隨時隨地進行學習，大幅度壓縮實驗時長。另外，系統的自動評價功能也為留學生提供了實驗反饋的有效渠道，能幫助其及時發現和解決問題，大幅度提高了學習效率。

3.4 提升教學效率

在留學生毒理學教學中應用虛擬仿真實驗系統，相當于創建了一個較真實的實驗環境，避免了現實中留學生無法處理大量的實驗動物的問題，解決了實驗教學無法重復、回溯和加快實驗進程的難題。留學生可以在虛擬環境中對虛擬的實驗動物、試劑和器材進行反復的實驗操作，結合提示信息幫助留學生復習回顧線下理論課程所學知識，并將其靈活應用于虛擬仿真實驗系統實驗操作。這些交互式手段也激發了留學生對毒理學實驗的學習興趣和積極性，大幅度提高了教學質量。同時，虛擬仿真實驗系統的應用也極大地減少了實驗室教師的準備工作，縮短了實驗周期。

3.5 降低教學成本

在留學生毒理學教學中使用虛擬仿真實驗系統，留學生在電腦前即可完成煩冗復雜的實驗過程，節省了實驗動物飼養、運輸和繁殖的成本，同時也減少了標本制備過程中各種實驗儀器和試劑的使用，降低了實驗教學成本。另外，還縮短了實驗教師的實驗準備時間，同時也減少了師生接觸各種有毒有害試劑的機會，保護了師生的健康。

3.6 共享教學資源

醫學留學生毒理學教學中應用虛擬仿真實驗系統實現了資源共享，各大高?？色@取權限并通過互聯網訪問該系統。目前，該系統已經初步實現校內局域網絡化，其他專業的學生也能夠訪問該系統，實現教學資源共享。未來，其他兄弟院校的相關專業也可以共享本虛擬仿真實驗系統的實驗教學項目。

3.7 提高人才培養質量

醫學留學生毒理學課程虛擬仿真實驗系統的應用使其實驗教學不受空間和時間限制。系統提供了提示、評價和記錄等功能，能夠幫助留學生改進實驗操作，提升實驗技能，從而提高留學生預防醫學實驗的科學化和專業化水平。自應用虛擬仿真實驗系統以來，留學生的毒理學知識和實驗操作技能水平不斷提高，在工作中表現得更加得心應手，受到用人單位的好評，大大提高了本校人才培養質量。

4 討論

4.1 虛擬仿真實驗系統能優化教學資源配置、完善考核評價方式

虛擬仿真實驗系統可幫助教師優化教學資源配置[6]。毒理學虛擬仿真實驗系統為留學生提供了泛在化的網絡虛擬實驗室和24 小時在線的“空中課堂”，使留學生能夠在自動化、智能化的虛擬仿真實驗教學平臺上實現人機交互，突破了時間和空間上的客觀壁壘。以留學生為主體，沉浸式的互動能激發其自主學習興趣，培養和鍛煉創新思維和實踐操作能力，并真正做到學以致用。同時，通過“去監控、強指導、重自主”的人機互動交流，促進了留學生醫學理論與實踐技能的結合，使其學習積極性與主動性大大提升。虛擬仿真實驗系統應用虛擬動物替代真實的實驗動物，節約了人力成本、實驗教學成本和社會資源。另外，相較于傳統毒理學實驗教學，虛擬仿真實驗系統還可以有效克服和解決傳統實驗教學缺乏統一、客觀、全面、系統的評價考核過程這一弊端?；谔摂M仿真實驗系統的教學反饋路徑和改進策略，可形成完整的“設計-實施-反饋-評價-改進”教學閉環，使考核方式更加客觀、嚴謹，提高整體教學水平和教學質量。通過對留學生進行問卷調查、訪談等方式，分析留學生的實驗學習情況、掌握情況以及應用虛擬仿真實驗系統的利弊因素等，初步構建毒理學虛擬仿真實驗教學模式。

4.2 虛擬仿真實驗系統能彌補傳統實驗教學的不足

虛擬仿真實驗系統可以減輕留學生理解實驗專業術語的壓力，保證課堂上下師生可以進行有效的溝通。同時，它也彌補了傳統毒理學實驗在時間、空間、儀器設備等客觀因素方面有所限制的不足，改善了課程枯燥和抽象的現狀。采用問題式、自主式、反思式的實驗教學方法，以留學生為主體，采用課堂直播+在線互動、直播、錄播+在線交流、錄播、自主學習+在線交流、自主學習、PPT+在線討論、課程答疑、錄制講解視頻+直播等新型的教學方式，激發了留學生主動學習的積極性，鍛煉了創新性思維。在留學生毒理學課程中應用虛擬仿真實驗系統，從最初的實驗前準備到實際上機模擬仿真實驗操作，應用中英文詞匯互譯，減輕了留學生語言理解的壓力，還可以讓其“真實”參與每一個毒理學實驗操作，實現“虛實互補、教研相長、開放共享”的目的。此外，不僅可按照留學生的實際需求開展更多的毒理學實驗教學內容，創設具有臨場感、沉浸感和交互性的實踐教學情境，還能與其他的醫療教育科學相融合，做到教學服務科學，以科學研究支撐教育。虛擬仿真實驗教學系統可推動留學生將理論知識應用于實踐，教師能根據系統后臺提供的數據，建立留學生實驗教學評價體系，對其學習情況形成客觀反饋，制訂客觀統一的實驗考核標準，消除主觀因素的影響。這樣有助于快速掌握留學生實驗內容的學習情況，明確其學習特點和效果。虛擬仿真實驗系統是對傳統實驗教學模式的重要補充，能有效提升教學質量，培養和強化留學生的創新能力和實踐技能，提高綜合素質，具有重要的實踐應用價值。

4.3 虛擬仿真實驗系統能提升留學生創新實踐能力

在傳統留學生毒理學課程教學中，師徒帶教式的教學模式往往受教師知識儲備的影響，留學生僅能依據教師提供的圖片、視頻、案例與既往經驗進行學習，難以獲取系統、全面的毒理學知識與實驗技能。虛擬仿真實驗系統參照國內外先進的醫學實驗課程教學體系，結合虛擬環境、實驗動物、實驗儀器及數據庫等技術，達到“虛實結合”的現場效果，為留學生呈現醫學實驗中真實的環境，增強教學活動的沉浸性和交互性，保證輸出知識的系統性和全面性[7]，并建立了客觀、統一的實驗考核標準，在掌握每個留學生學習進度和學習質量的基礎上，按照特定的群體劃分，以班級為單位，掌握群體學習特點，盡早發現班級群體存在的學習薄弱環節，為留學生毒理學實驗教學提供了科學合理的改進建議。虛擬仿真實驗系統能夠充分調動留學生的視覺、聽覺，甚至肢體運動等多項感官系統，通過人機交互式教學模式，將被動接受轉變為主動探索，充分激發了留學生的學習興趣和主觀能動性，培養了其實驗設計和創新能力[8]。虛擬仿真實驗系統給留學生提供了更多的自主學習機會，隨著這種教學模式的全面推廣，將培養出兼具創新和實用的醫學人才。虛擬仿真實驗系統為毒理學實驗教學提供了全新的操作平臺，不僅突破了傳統實驗教學的局限性，而且能夠避免大量使用消耗類或易損類實驗材料，節約實驗成本，提升留學生的實踐動手能力。

5 結語

目前，國家級醫學虛擬仿真實驗教學網絡平臺雖然也得到了廣泛發展，但是大多應用于臨床診斷和預后判斷各種疾病。國內醫學虛擬仿真實驗系統的應用還處于起步階段，針對留學生的虛擬仿真實驗系統更是屈指可數。因此，對留學生虛擬仿真實驗系統的開發及其虛擬仿真實驗教學模式的研究顯得十分迫切。虛擬仿真實驗系統在留學生課程教學中應用推動了留學生教育教學方法的改革和創新，轉變了教師的教學理念。在留學生毒理學教學中應用虛擬仿真實驗系統，一方面能提升教學效果，另一方面符合我國培養實用性和創造性醫學領域尖端人才的需求，實現了我國醫學留學生教學領域的革命性改變，提高了留學生對我國醫學教育的認同度，激發了其對醫學專業知識的學習興趣，推動了醫學專業課程教學模式改革。