浅谈虚拟实验室技术在理化检验课程中的应用

孙建楠, 杨金玲,公维磊, 张 凯

(济宁医学院，山东 济宁 272000)

卫生检验与检疫专业是隶属于医学技术类一级学科下的，公共卫生和预防的二级学科理学专业[1]，是为评估公众健康、食品安全、卫生监督提供定量依据的重要技术支持。近年来，随着我国经济社会的快速发展，公共安全和卫生监督要求不断提高，对从事卫生检验的专业人员提出了更高的要求和新的挑战。在此大背景下，各医学院校对于卫生检验专业人才的培养不断与时俱进，跟随社会的新需求，进行了多方面的改革和调整。目前，卫生检验专业主要涉及十门专业课程，大致可分为理化检验和微生物检验两部分，其中理化检验课程由分析化学、仪器分析两门基础课程，以及水质、空气、生物材料和食品理化检验四门专业核心课程构成。而其中，四门理化检验课程被认为是卫检专业人才培养计划中的核心内容，是学生获得将来进行检验工作的理论基础、实验操作以及常见分析仪器的使用技能的主要来源。所以理化检验课程的理论和实验课程的教学效果对培养符合国家社会需要的检验人才尤为重要。

1 理化检验课程教学中存在的问题

目前，理化检验课程中，涉及环境、生物、食品和化学等学科交叉知识较多，且理论教材中即包含大量繁杂的仪器构成、检验操作等实践内容，单纯的师生面对面教学，往往造成学生的理解困难，枯燥无味。目前，四门理化检验课程教学中，主要存在以下问题：

1.1 内容庞杂，知识点枯燥

大多院校的四门课程多依照水质、空气、生物材料和食品的顺序进行开设。以基质较为简单的水质检验开始，侧重讲解经典分析化学方法和常见仪器构成；随后的课程，随着分析对象基质的越来越复杂，教学重点侧重于样品前处理环节，涉及多种样品处理方法和步骤。所以教材在编排时，有大量篇幅集中于讲解仪器条件和具体前处理、检验步骤。但是仅依靠单纯的师生面对面讲解，会造成教学效率较低。原因有二：一是本身仪器组成、条件枯燥无味，难以引起学生兴趣；二是仪器组成、各种实验步骤太过抽象，教师讲解不清，造成知识的模糊。尤其是教学经验较浅的教师很容易困惑，哪些内容该讲，需要讲到何种程度，造成教学重点不清，同时还会占用大量课堂时间，使教学进度缓慢。如果将仪器使用条件和前处理操作内容全部放到实验课程中，受课时和实验条件的限制，只能完成少数几个实验，大部分的内容无法涉及。

1.2 实验考核方式单一和低效

大部分院校的教师主要通过实验报告的书写和完成情况对学生的实验技能进行评价和考核。考核方式单一且低效。考核的低效主要体现在两个方面：一是对教师而言，仅仅依靠实验报告的书面效果和实验结果的准确性，无法获得学生掌握实验技能的真正水平，对教学效果无法进行正确评估，从而做出相应改进。二是导致部分学生对实验课的轻视和敷衍。认为只要出席实验课程，按部就班的完成实验报告即可获得较高的分数，而忽略了最重要的动手操作过程，过分强调了实验结果的准确性。实际上，实验结果并非实验课程的重点，培养学生的实验技能和科研素养，并将理论知识转化为实践才是该课程的核心目的。这种传统的实验考核方式，无法提高学生实验的积极性，更进一步阻碍学生科研思维和创新意识的形成，最终使学生不具备独立思考和解决实际问题的能力，无法适应将来工作岗位的要求。对此，我们教研室曾尝试进行现场的操作考核，对学生的实验技能，进行更直观的评估。但这种考核，不但需要充足的仪器设备资源，大量的教师资源和大量的评估时间，而且考核技能也仅仅局限于几个有限的操作和实验，且多为基本操作，对于培养学生独立解决问题的能力效果不明显。

为了解决上述问题，提高学生对课程的积极性，增强学习内容的吸引力，很多高校利用混合式教学模式[2]，构建了多种平台的在线课程[3-5]，帮助学生理解课程内容，拓展知识。

在众多网络技术中，随着虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术的快速发展，一种基于虚拟原型构建的虚拟实验室(Virtual Laboratory)技术引起了教育界的关注。该概念在20世纪80年代，由美国沃尔夫教授首次提出[6]；1995年，联合国教科文组织正式定义了虚拟实验室，即：利用分散的信息和通信技术以创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子协作组[7]。作为现实实验室的有效补充，虚拟实验室打破了时间、空间的限制，具有灵活性高、自由度高的优点[8]，学生可自主选择时间、地点在课前进行实验预习、课后进行延伸训练和复习，有效的提高了实验效率，降低了实验操作的危险性和不确定性。作为一种线上实验平台，虚拟实验室被认为是混合式教学在实验课程应用中的最常见模式之一。

2 “虚拟实验室”在理化检验课程中的应用

我国很多一流高校都已经建立了相应的虚拟实验室平台，国内教育类期刊也报道了许多针对虚拟实验室应用的文章[9-11]。要解决上文讨论的理化检验课程教学中所存在的问题，发展和构建相对完善的虚拟实验室平台是非常必要的。尤其是针对理化检验这类应用性较强，教材内容含有大量仪器组成及实验操作步骤的课程，虚拟实验室也可以用于理化检验理论课程的混合式教学中，以帮助学生身临其境，将枯燥的文字，转化为具象的情景出现，使学生更好地理解和记录检验过程，提高学生对教材内容的积极性和参与性，改善教学效果。

我教研室正与济南中飞科技有限公司合作开发一系列理化检验的虚拟仿真软件，从代表性实验教学项目的选择、相关实验视频的录制、教学模型及软件系统的开发、实验技能培训的开展等方面探索虚拟实验室平台与理化检验课程联合应用模式，使理论教学形象化、实验教学丰富化，从而改善教学效果，实现教学的高效与实际需要的结合。

2.1 提升实验室硬件水平，保证实验内容的“与时俱进”

随着我国对公共卫生领域监管的加强，卫生检验的对象也日益壮大，检验过程中所需的技术和手段也快速发展。很多院校，包括本校，受经费的限制，实验室仪器配置无法跟随仪器最新发展，或是新型仪器数量有限，学生无法全部接触到；某些配置已经落后于实际检测要求，无法适应检验技术的快速发展。

我教研室就针对卫生检验领域常用仪器，进行了相关虚拟仿真实验项目的软件开发，目前已经完成了火焰原子吸收分光光度法测定水样中金属元素”“石墨炉原子吸收分光光度法测定水样中铜元素”“气相色谱法测定空气中甲苯”“阳极溶出伏安法测定水中铅镉”及“高效液相色谱法测定食品中防腐剂”共5个虚拟仿真实验项目的初步制作(图1)。

图1 虚拟仪器平台

虚拟实验室的引入，可以通过模拟新型仪器和检测手段，在经费相对有限，陈旧仪器无法更新的情况下，将最新的仪器和技术引入教学过程中，帮助学生了解新型仪器，增加操作时间和次数，完成虚拟的检验内容，以开拓学生视野，保证教学内容的实时性和适应性。

2.2 突破时空的限制，增加实验自由度和灵活性

虚拟实验室的存在，使学生可以自主选择时间，登录界面进行实验训练，不受实验室开放时间，实验地点固定的限制。学生可以在课前，提前登录平台，对本次实验过程进行预习，关注实验中易错步骤和重点步骤；实验结束后，学生可利用虚拟平台对实际操作进行反思，查漏补缺，对于错误步骤可精确重复，反复练习。一方面，学生通过多次练习，可加深印象，巩固基本操作，而且可通过多次实验，总结规律，培养创新意识；另一方面，由于学生对实验已提前熟悉，可以避免实验过程中时间和试剂材料的浪费，提高实验课效率，且因为是虚拟的，学生的多次实验也不会额外增加学校在实验课程的投入和资源、仪器损耗。

虚拟实验平台中涉及了基本操作训练模块(图2)，帮助学生熟练掌握基本操作。实验的基本操作是

图2 基本操作训练模块

完成检验的基础，是众多综合实验的基本组成部分。基本操作掌握熟练，才能保证实验的准确性和可靠性。学生在实验过程中，往往忽略基本操作的重要性。我们的基本操作训练模块在设计时，充分考虑了实际的操作性，将操作重点作为考核点，每一个考核点对应分数，学生一次操作完成，会对整个基本操作的要点有全面直观的认识，增加学生操作的熟练度和准确度。另外，该模块用于实验考核时，要点突出，更接近真实的操作状态，实现学生实验技能的量化考核。

2.3 使展示更直观，加深学生对整个仪器构成和实验流程的认识

教师讲授理化检验实验时，首先进行实验步骤和分析仪器的讲授。一是操作步骤往往比较复杂，学生难以记住所有流程，且容易记错，造成实验的失败；二是大型的分析仪器受经费的限制，只有一到两台，站在后面的学生往往无法亲眼看到在仪器内部构造和操作步骤，造成接下来的实验操作困难，甚至打击了学生实验的热情。而虚拟实验室实现了仪器的仿真性和实验操作的实践性，不受实验室条件的限制，每个学生都可以亲眼看到仪器的构造和操作，加深了对仪器的了解。

目前，我教研室已经开放了平台中的7项虚拟仿真实验项目，包括：食品中添加色素的测定、乘用车内空气中苯系物的检测、工作场所空气中锰及其化合物的测定、ICP-MS测定土壤中有害重金属、HIV病毒的检测、甲型H7N9流感疫情、细菌性食物中毒案例等。虚拟实验模块包括实训、实验目的、原理、操作视频和思考题等内容，其中，操作视频以实物视频的形式介绍了各实验的相关仪器的实际操作，实训则以虚拟仿真的形式模拟了样品的采集和前处理、相关仪器检测、数据分析和处理等整个实验过程，模拟过程附有操作提示。实训和操作视频虚实结合，能够让学生直观形象地熟悉并掌握整个实验过程，对实验的注意事项也有了一定了解，可有效解决某些高成本、高消耗及高危的实验实训项目普及率不高、部分课程教学资源相对不足的现象。同时，有利于贯彻我中心“早实验、多实验、反复实验”和“早现场、多现场、反复现场”的实验教学原则，并有利于增加学生对实验的流程和重点的认识，提高了实验操作的成功率和准确度。

2.4 实现教育资源的优化配置，呈现开放性和共享性

虚拟实验室以网络为平台，使得它的使用更为自由，不同院校同一专业之间，同一院校不同专业之间，都可以进行资源的共享，也可以在同一平台下进行建设，取长补短，增加了院校之间的交流合作，实现了资源利用的最大化。

我们的实验课程面向医学检验技术、卫生检验与检疫、法医学、预防医学以及食品质量与安全等5个专业本专科学生开设了20余门实验课。每年开设试验项目193个，年实验教学量达12.62万人学时，而虚拟实验室的建设，使卫生检验与检疫、法医学、医学检验、预防医学、食品质量与安全等5个专业学生可通过这个平台选择课程进行学习。下一步，我们期待能与其他院校的虚拟实验室平台有深入的交流和共建，整合优化各高校的优质资源，实现跨校的学习。

3 展望

我校的卫生检验与检疫专业，一直按照“早实验、多实验、反复实验” 的原则，以全面提高学生能力为宗旨，以共建共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，积极开展实验教学信息化建设。目前，教研室与济南中飞科技有限公司合作开发的虚拟仿真实验平台，为改善教学效果，提高学生理论和实验课程参与度，增强学生科研能力和独立思维，提供了一个有力的工具和选择。下一步，我们将在教学实践中，不断丰富与改进平台，使其更符合学生所需，更期望通过与其他高校的合作，为学生提供更广阔的、更丰富的教学资源。