虚拟仿真实验在卫生毒理学实验教学中的应用

张 丽，阿依佳肯·阿曼太，邹冠炀，张建华△

(1广东药科大学公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学教研室， 广州 510006； 2喀什大学计算机与技术学院数字媒体技术教研室； 3广州中医药大学公共卫生与管理学院卫生政策研究教研室； △通讯作者)

卫生毒理学是预防医学一门重要的基础课程，是以动物和细胞为实验模型，将其结果外推及人，用于预测和评估化学物对人体危害为目的的学科。毒理学已经成为各国评价化学物质危害性的重要依据，具有很强的科学性、实践性和应用性，并对学习预防医学专业其他课程具有很强的支撑作用[1]。

卫生毒理学实验是预防医学极其重要的组成部分。然而，毒理学传统实验教学模式存在以下问题：①以化学毒物作为受试物，教师与学生在接触中会吸入毒物，进而对身体造成损伤。②受空间和时间的制约，学生仅能做急性染毒实验，无法观察慢性毒作用。③实验以动物活体为实验对象，学生操作不熟练时，容易造成实验动物的意外受伤或者死亡，致使实验失败及违反动物3R原则。④因部分仪器设备昂贵，学生无法进行实际操作。⑤传统实验示教课上，实验教师在进行示教时，外围学生无法看清楚操作过程[2]。

虚拟仿真实验通过模拟出符合要求的实验环境、实验仪器和实验操作，获得接近甚至优于真实环境的教学效果，使学生在沉浸式互动中从多种空间视角感受感官和心理体验[3，4]。卫生毒理学实验因外源化合物高危实验、高消耗及亚急性亚慢性、慢性实验等，尤其适合借助虚拟仿真技术[5]。

1 外源化合物经呼吸道染毒致遗传毒性实验设计和3D动态虚拟软件制作

1.1 实验设计

外源化合物具有高毒、高危险的特点。在毒理学动物染毒实验中，师生存在经呼吸道意外吸入的风险。为了消除这种高危性，同时满足动物实验学中的“3R”原则，我们制作虚拟仿真实验，以模拟外源化合物中毒致遗传损伤为主线，将毒理学与遗传学相结合，并制作模拟中毒动物模型，实验包括动物称重分组、按体重均衡法分组、编号，静式染毒柜进行染毒，染毒后进行微核试验，外源化合物安全性评价。

1.2 技术开发

我们采用C4D进行基础模型及动画的制作，基础模型制作好使用RS对模型进行渲染，完成动画部分，再使用C4D与unity3d结合，完成交互部分(练习模式与考核模式)。

1.3 实验内容

实验内容包括熟悉动物体重称重方法、动物正确的抓握方法、动物标记标号方法、体重均衡法分组方法等；掌握剂量设计：剂量设计是毒理学以及动物实验的核心，通过查阅文献以及预实验，确定染毒剂量；掌握静式染毒柜操作方法，将动物置于一个染毒柜，加入受试物，接触4小时，观察动物的中毒反应。微核试验是用于染色体损伤和干扰细胞有丝分裂的化学毒物的快速检测方法。经过染毒后，学生取实验动物骨髓中的多染红细胞，涂片后观察结果，通过线下讨论进行实验结果评价。

1.4 操作系统要求

虚拟实验要求计算机Win7 32位以上操作系统，客户端到服务器的带宽要求为10 M及以上。

2 模拟外源化合物致遗传毒性实验室场景

虚拟实验分为3个模块。第一模块为实验动物的一般操作技术，包括小鼠的抓取方法，实验动物称重、编号和体重均衡分组法。第二模块为经呼吸道毒性实验。学生采用静式染毒柜，将实验小鼠放入染毒柜，加入受试化合物，开启电风扇，30 min后断电，染毒时间4 h。第三模块为微核试验。学生麻醉处死小鼠，取股骨头，用多染红细胞制片，观察不同剂量组小鼠微核数。

3 课程实施

3.1 项目学习模式

学习模式采用动画模式，将实验制作成动画，并对实验过程配有讲解和文字说明。学生通过观看学习模式，掌握毒理学动物实验一般动物操作技能，静式染毒柜使用以及骨髓多染红细胞微核试验的原理和方法。

3.2 全交互式练习模式

进入练习模式后，学生在虚拟实验室中按照语音提示，与各类实验操作实施互动，完成操作练习。若学生操作错误，系统可提示正确操作，并具有评分功能。学生通过人机交互的形式，实现对实验内容的熟悉和掌握。

3.3 考核模式

系统对操作人员进行计时计分，并对操作时间、操作次数、交互操作要点等进行多维度考核，自动记录实验过程与操作步骤得分及错误情况。学生能够回看自己的操作记录，从而熟练操作该实验。平台建立完善的反馈机制，对学生实验操作结果进行全面、系统的统计分析，为了解学生对实验掌握的程度、指导教师改进和完善实验提供参考，以提高教学效果。

3.4 线下互动

虚拟仿真实验结束后，学生根据采集到的线上数据，线下完成统计分析和问题讨论(教师课堂引导讨论，小组讨论表现占30%)，并按照卫生毒理学实验报告要求完成实验报告，提交到虚拟仿真实验教学平台。线下实验的所有报告完成后，学生进行答辩。

4 讨论

毒理学是研究化学、物理和生物对生物体和生物系损害作用及生物系机制的学科，兼有基础学科和应用学科的特性。因此毒理学实验教学在卫生毒理学教学中尤为重要。但是受到医学伦理、实验资源、实验条件的影响，传统的实验教学无法满足全部实训要求[6]。例如，致突变的成组实验包括基因突变、染色体畸变、染色体数目改变，教师在实际教学中很难将四种成套实验全部实现，在讲授细菌回复实验、彗星实验原理时，学生又难以理解。因此，虚拟仿真技术的应用不仅能弥补传统实验教学的短板，同时能提高学生的学习兴趣。目前，国家虚拟仿真实验教学平台卫生毒理学实验项目为零，卫生毒理学亟待建立虚拟仿真实验，以帮助预防医学生理解、加强实验课程[7]。

本教研室与喀什大学计算机学院合作设计制作了外源化合物经呼吸道致遗传毒性虚拟仿真实验。预防医学部分同学使用该软件后，评价效果良好。学生普遍认为，该软件在学习模式应用动画效果更能让同学们对实验感兴趣，在实验过程中巩固了理论知识。毒理学教学改革亟待进行，教学方法、效果和质量需要改进[8]。本虚拟仿真实验融实验设计、实验操作、结果评价为一体，将学生理论与实验相结合，提升了毒理学实验教学改革效果和质量，调动学生的主观能动性，培养学生的毒理学实验设计等综合能力。同时，本虚拟仿真实验还融入课程思政(在虚拟实验室墙上展示“3R”原则)。我们将在后期丰富实验动画学习模式教学资源、优化操作界面，并开展VR模式[9]。