虚拟仿真实验系统在医学留学生毒理学课程中的应用

马焜，靖雪妍，李百祥

（哈尔滨医科大学公共卫生学院，黑龙江 哈尔滨 150081）

随着“一带一路”建设的不断深入，我国目前同许多国家、地区及国外机构间的教育合作程度日渐加深，来华留学生的数量也在不断增加[1]。留学生教育已成为我国教育体系中极为重要的一部分。然而，随着2019 年底新冠肺炎疫情的发生，使许多留学生滞留在国外，无法按时返校学习。为响应教育部“停课不停教，停课不停学”的号召，本校积极开展线上教学活动。但在此种情况下，留学生很难进入紧张的学习状态，同时，教师在线上教学中对课堂监控相对较弱，留学生学习效率不高，教学效果得不到保证。在这种情况下，如何保证留学生教学质量，推动我国留学生教育工作持续健康发展，就变得尤为重要。本文以毒理学课程为例，通过研究以往理论教学与实验教学的不足，引入虚拟仿真实验系统，给留学生提供创新的教学思想和实践方法，以充分调动其积极性与创造力。

1 传统医学留学生毒理学理论教学及实验教学的不足

1.1 留学生学习积极性不高

毒理学属于预防医学的专业基础学科，具有较强的实验性和理论性，涉及遗传学、分子生物学、生物化学以及卫生管理学等，是联系基础研究和临床医学的重要学科[2]。毒理学研究环境因素（化学、物理和生物因素）对机体的损害作用及其主要机制，并对其进行风险评估与控制，主要目的是预测外源化学物对人类健康与自然环境的影响，为确定接触者的安全限值、制订预防措施提供充分的科学依据。分子生物学和信息技术研究的深入促进了毒理学的发展，目前毒理学已成为促进人群健康、环境安全、职业健康、食品安全、医药安全，预防、控制和消除威胁人类生存环境危险因素的重要支撑学科。现阶段，医学留学生毒理学理论教学仍然采用传统的灌输式教学方式，即“教师不断讲，学生不停记”，留学生被动机械地接受教师讲授的课程知识点，这种“填鸭式”教学导致留学生缺乏学习热情，不能积极主动地参与课堂教学活动。同时，一些毒理学的机制研究往往需要留学生根据教师的讲解、相关图片或视频进行学习和理解，对留学生的学习能力和逻辑思维能力要求较高[3]。而毒理学的专业术语和操作规范内容繁杂、知识点多、专业性很强，在授课过程中一旦留学生出现注意力不集中的情况，后续的内容就会很难跟上，理解难度较大，教学效果也会大打折扣。

1.2 留学生实验操作不易掌握

毒理学主要包括动物实验、体外细胞实验、管理毒理学以及人体器官毒理学等内容，重点阐述了靶器官的毒性反应、剂量影响、毒性-剂量与暴露的相互作用，以及毒性反应的可逆性等，具有很强的实践性和应用性。目前，留学生毒理学实验主要包括小鼠急性染毒实验、小鼠微核实验、Ames 菌株鉴定实验、小鼠染色体畸变分析以及大鼠致畸实验等。毒物毒性检测和实验动物模型设计是毒理学实验教学的关键环节，大部分的实验内容需要使用实验动物来完成，导致实验成本高、实验时间长、实验风险大等。（1）实验成本高：留学生需要使用大量的实验动物来完成毒理学实验，但由于受实验教师数量、实验动物经费、时间安排、仪器数量、耗材经费以及生物安全条件等各种因素的约束，目前还无法满足所有留学生的实验需求。（2）实验时间长：由于毒理学实验中所用的动物数量多、操作难度大、费时久，导致留学生很难在一次实验中成功完成，需多次重复实验，因此耗时较长。（3）实验风险大：以化学毒物作为受试物，会对教师和留学生的身体健康造成一定伤害，而且多数实验以动物活体为实验对象，留学生操作不当易导致动物意外受伤或死亡造成实验失败，违反实验动物的“3R 原则”。

1.3 理论与实验难以结合

毒理学研究主要探究毒物的毒性作用机理、毒性评价、毒性代谢等内容，为环境治理提供科学依据。通常以哺乳动物或体外细胞作为实验模型，通过观察外源化学物对其生理病理的改变，以此预测和评估外源化学物对人体产生的危害，从而为保护生物体的健康和安全提供科学依据。因此，使留学生具备良好的毒理学知识和能力，既有助于其对专业课程的认知和掌握，又能为未来参与疾病预防、健康监测等工作打下基础。毒理学实验课在毒理学课程中具有十分重要的地位，不仅能加深留学生对理论内容的理解和掌握，还能培养其实验操作技能和科研思维。然而，毒理学研究内容广泛，涉及较多的学科领域，加之其理论性较强，留学生不易理解、掌握。在毒理学实验课上，教师常常采用实验指导与示教相结合的方式，留学生按照步骤进行实验操作，缺乏动脑思考和学习的热情，创新能力与设计能力也未得到充分训练。同时，教师在进行实验示教时，外围留学生常因距离较远而无法看清楚实际的操作步骤，因此学习效果不理想。此外，在实验教学中，实验教师不熟悉留学生的具体能力，导致课后评估不准确，无法开展针对性和个性化的教学，进而影响教学效果，留学生难以将理论知识灵活应用到实验中，无法对实验数据和结果做出合理有效的分析[4]。

2 虚拟仿真实验系统在医学留学生毒理学教学中的应用

2.1 问题引导与操作提示

引入虚拟仿真实验系统，留学生可自主选择中英文互译模式，随后系统会随机向留学生提出问题，要求其初步了解实验动物基本生理特征和自然属性，并掌握涉及毒理学实验的理论知识。只有在留学生正确回答相关问题后，才能进行下一步的实验。同时，在操作过程中，系统会根据实验进展情况随机提出问题，可以让留学生更好地将理论与实践结合起来。在实验标本观察环节，留学生与教师可进行高频次交流，通过互动提问与答题加深对实验标本的理解。留学生还可以利用虚拟仿真实验系统进行实验操作训练，系统可以针对留学生的不当操作给出错误原因提示，并显示正确的实验步骤。在实验完成后，系统会对留学生的实验操作进行自动评价。通过上述人机交互模式，留学生可以在掌握理论知识的同时提升实验技能。

2.2 规范实验与自主设计

在练习环节中，留学生可以根据自己的兴趣选择规范练习模式或自主设计实验模式。规范练习模式可帮助留学生针对性地练习实验技能，而自主设计实验模式则可为留学生提供高自由度的实验设计空间，增强了实验教学的设计性和创新性。此外，系统还提供了标准题库，用于考核留学生对实验的掌握情况。系统从题库中随机抽取一定数量的问题供留学生回答，并自动评价答案正确性。在此基础上，系统构建了全程实验操作历史记录的数据库，方便师生全程追溯，以掌握留学生的实验水平，也方便其及时纠错。同时，教师可在系统后台监测留学生的实验操作，因材施教。教师也可利用系统平台与留学生交流问题和答疑解惑，并指导留学生的实验操作。

2.3 实验记录与点评反思

实验完成后，留学生可根据系统自动生成的实验操作报告了解自己的实验操作过程，根据报告及时纠正自己的错误操作，从而提高实验水平，并针对个人实验操作的实际情况做出客观评价。在此基础上，留学生可根据自身实验兴趣和需要，尝试进行多次重复性虚拟仿真实验，以提升实验能力。这种“反思式评价”有助于留学生及时认识到自身不足，同时也有助于教师对留学生的实验操作进行点评，并快速掌握班级整体学习情况，了解留学生的教学内容掌握程度，发现班级整体的优势和不足，聚焦教学薄弱环节，提出具有针对性的教学改革建议[5]。

3 虚拟仿真实验系统在医学留学生毒理学教学中应用的优势

3.1 激发留学生学习兴趣

在医学留学生毒理学课程中应用虚拟仿真实验系统，在虚拟环境中，留学生可以直接进行实验标本制备、观察以及结果判定。在虚拟环境中，留学生可以针对虚拟小鼠、大鼠和菌株进行操作，既能深化对已有理论知识的理解，又能增强实验操作能力。这种立体式、交互式、在线式的教学模式不仅能加深留学生对实验动物的兴趣和关爱，还能提供给其进行迁移式学习的机会。同时，虚拟仿真实验系统符合现代医学倡导的“3R”原则，要求留学生科学人道地开展动物实验、尊重生命、善待实验动物，用实际行动爱护实验动物。

3.2 提升留学生学习能力

虚拟仿真实验系统解决了毒理学实验教学中真实动物实验不可回溯的问题。留学生可通过虚拟仿真实验系统对虚拟动物进行反复练习操作，将理论知识转化为实践动手能力，充分实现理论和实践的结合，并培养发现问题、分析问题和解决问题的能力。虚拟仿真实验系统不仅促进了留学生对实验相关理论知识的高效掌握，还帮助其养成良好的总结与反思习惯，引导留学生将理论与实际相结合。在实验过程中，留学生的学习能力不断得到提升。

3.3 提高留学生学习效率

由于传统的医学动物实验周期长、实验动物数量多，所以在绝大多数情况下，留学生无法参与整个实验的操作过程。在留学生毒理学教学中应用虚拟仿真实验系统可为其提供持续在线的“永恒式虚拟实验课堂”，可使其学习不受空间和时间限制，随时随地进行学习，大幅度压缩实验时长。另外，系统的自动评价功能也为留学生提供了实验反馈的有效渠道，能帮助其及时发现和解决问题，大幅度提高了学习效率。

3.4 提升教学效率

在留学生毒理学教学中应用虚拟仿真实验系统，相当于创建了一个较真实的实验环境，避免了现实中留学生无法处理大量的实验动物的问题，解决了实验教学无法重复、回溯和加快实验进程的难题。留学生可以在虚拟环境中对虚拟的实验动物、试剂和器材进行反复的实验操作，结合提示信息帮助留学生复习回顾线下理论课程所学知识，并将其灵活应用于虚拟仿真实验系统实验操作。这些交互式手段也激发了留学生对毒理学实验的学习兴趣和积极性，大幅度提高了教学质量。同时，虚拟仿真实验系统的应用也极大地减少了实验室教师的准备工作，缩短了实验周期。

3.5 降低教学成本

在留学生毒理学教学中使用虚拟仿真实验系统，留学生在电脑前即可完成烦冗复杂的实验过程，节省了实验动物饲养、运输和繁殖的成本，同时也减少了标本制备过程中各种实验仪器和试剂的使用，降低了实验教学成本。另外，还缩短了实验教师的实验准备时间，同时也减少了师生接触各种有毒有害试剂的机会，保护了师生的健康。

3.6 共享教学资源

医学留学生毒理学教学中应用虚拟仿真实验系统实现了资源共享，各大高校可获取权限并通过互联网访问该系统。目前，该系统已经初步实现校内局域网络化，其他专业的学生也能够访问该系统，实现教学资源共享。未来，其他兄弟院校的相关专业也可以共享本虚拟仿真实验系统的实验教学项目。

3.7 提高人才培养质量

医学留学生毒理学课程虚拟仿真实验系统的应用使其实验教学不受空间和时间限制。系统提供了提示、评价和记录等功能，能够帮助留学生改进实验操作，提升实验技能，从而提高留学生预防医学实验的科学化和专业化水平。自应用虚拟仿真实验系统以来，留学生的毒理学知识和实验操作技能水平不断提高，在工作中表现得更加得心应手，受到用人单位的好评，大大提高了本校人才培养质量。

4 讨论

4.1 虚拟仿真实验系统能优化教学资源配置、完善考核评价方式

虚拟仿真实验系统可帮助教师优化教学资源配置[6]。毒理学虚拟仿真实验系统为留学生提供了泛在化的网络虚拟实验室和24 小时在线的“空中课堂”，使留学生能够在自动化、智能化的虚拟仿真实验教学平台上实现人机交互，突破了时间和空间上的客观壁垒。以留学生为主体，沉浸式的互动能激发其自主学习兴趣，培养和锻炼创新思维和实践操作能力，并真正做到学以致用。同时，通过“去监控、强指导、重自主”的人机互动交流，促进了留学生医学理论与实践技能的结合，使其学习积极性与主动性大大提升。虚拟仿真实验系统应用虚拟动物替代真实的实验动物，节约了人力成本、实验教学成本和社会资源。另外，相较于传统毒理学实验教学，虚拟仿真实验系统还可以有效克服和解决传统实验教学缺乏统一、客观、全面、系统的评价考核过程这一弊端。基于虚拟仿真实验系统的教学反馈路径和改进策略，可形成完整的“设计-实施-反馈-评价-改进”教学闭环，使考核方式更加客观、严谨，提高整体教学水平和教学质量。通过对留学生进行问卷调查、访谈等方式，分析留学生的实验学习情况、掌握情况以及应用虚拟仿真实验系统的利弊因素等，初步构建毒理学虚拟仿真实验教学模式。

4.2 虚拟仿真实验系统能弥补传统实验教学的不足

虚拟仿真实验系统可以减轻留学生理解实验专业术语的压力，保证课堂上下师生可以进行有效的沟通。同时，它也弥补了传统毒理学实验在时间、空间、仪器设备等客观因素方面有所限制的不足，改善了课程枯燥和抽象的现状。采用问题式、自主式、反思式的实验教学方法，以留学生为主体，采用课堂直播+在线互动、直播、录播+在线交流、录播、自主学习+在线交流、自主学习、PPT+在线讨论、课程答疑、录制讲解视频+直播等新型的教学方式，激发了留学生主动学习的积极性，锻炼了创新性思维。在留学生毒理学课程中应用虚拟仿真实验系统，从最初的实验前准备到实际上机模拟仿真实验操作，应用中英文词汇互译，减轻了留学生语言理解的压力，还可以让其“真实”参与每一个毒理学实验操作，实现“虚实互补、教研相长、开放共享”的目的。此外，不仅可按照留学生的实际需求开展更多的毒理学实验教学内容，创设具有临场感、沉浸感和交互性的实践教学情境，还能与其他的医疗教育科学相融合，做到教学服务科学，以科学研究支撑教育。虚拟仿真实验教学系统可推动留学生将理论知识应用于实践，教师能根据系统后台提供的数据，建立留学生实验教学评价体系，对其学习情况形成客观反馈，制订客观统一的实验考核标准，消除主观因素的影响。这样有助于快速掌握留学生实验内容的学习情况，明确其学习特点和效果。虚拟仿真实验系统是对传统实验教学模式的重要补充，能有效提升教学质量，培养和强化留学生的创新能力和实践技能，提高综合素质，具有重要的实践应用价值。

4.3 虚拟仿真实验系统能提升留学生创新实践能力

在传统留学生毒理学课程教学中，师徒带教式的教学模式往往受教师知识储备的影响，留学生仅能依据教师提供的图片、视频、案例与既往经验进行学习，难以获取系统、全面的毒理学知识与实验技能。虚拟仿真实验系统参照国内外先进的医学实验课程教学体系，结合虚拟环境、实验动物、实验仪器及数据库等技术，达到“虚实结合”的现场效果，为留学生呈现医学实验中真实的环境，增强教学活动的沉浸性和交互性，保证输出知识的系统性和全面性[7]，并建立了客观、统一的实验考核标准，在掌握每个留学生学习进度和学习质量的基础上，按照特定的群体划分，以班级为单位，掌握群体学习特点，尽早发现班级群体存在的学习薄弱环节，为留学生毒理学实验教学提供了科学合理的改进建议。虚拟仿真实验系统能够充分调动留学生的视觉、听觉，甚至肢体运动等多项感官系统，通过人机交互式教学模式，将被动接受转变为主动探索，充分激发了留学生的学习兴趣和主观能动性，培养了其实验设计和创新能力[8]。虚拟仿真实验系统给留学生提供了更多的自主学习机会，随着这种教学模式的全面推广，将培养出兼具创新和实用的医学人才。虚拟仿真实验系统为毒理学实验教学提供了全新的操作平台，不仅突破了传统实验教学的局限性，而且能够避免大量使用消耗类或易损类实验材料，节约实验成本，提升留学生的实践动手能力。

5 结语

目前，国家级医学虚拟仿真实验教学网络平台虽然也得到了广泛发展，但是大多应用于临床诊断和预后判断各种疾病。国内医学虚拟仿真实验系统的应用还处于起步阶段，针对留学生的虚拟仿真实验系统更是屈指可数。因此，对留学生虚拟仿真实验系统的开发及其虚拟仿真实验教学模式的研究显得十分迫切。虚拟仿真实验系统在留学生课程教学中应用推动了留学生教育教学方法的改革和创新，转变了教师的教学理念。在留学生毒理学教学中应用虚拟仿真实验系统，一方面能提升教学效果，另一方面符合我国培养实用性和创造性医学领域尖端人才的需求，实现了我国医学留学生教学领域的革命性改变，提高了留学生对我国医学教育的认同度，激发了其对医学专业知识的学习兴趣，推动了医学专业课程教学模式改革。