3R原則與虛擬實(shí)驗(yàn)室在預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

韓 琴，冷言冰，賈 皓，劉 新

（成都醫(yī)學(xué)院 公共衛(wèi)生系，四川 成都 610083）

隨著醫(yī)學(xué)教育的不斷發(fā)展和科技水平的不斷提高，現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展也日新月異，很多新興概念也逐漸應(yīng)用于專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中，如3R原則（reduction、replacement、refinement，減少、替代、優(yōu)化）和虛擬實(shí)驗(yàn)室（virtual laboratory）。預(yù)防醫(yī)學(xué)作為一級學(xué)科，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中所涉及的學(xué)科門類多、動物數(shù)量多、儀器種類多，而這些問題往往是影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效果的重要因素。預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程綜合了各學(xué)科的基本技能與方法，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的重要組成部分，是增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐技能的重要途徑。如何在有限的實(shí)驗(yàn)室資源條件下提高教學(xué)質(zhì)量，一直是諸多專業(yè)人士關(guān)注的重點(diǎn)。預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括流行病學(xué)現(xiàn)場調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室檢測和數(shù)據(jù)整理與分析等，其中以實(shí)驗(yàn)室檢測為主體，這其中又可分為理化分析、微生物檢驗(yàn)、消殺滅技術(shù)等。鑒于預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的多樣性和復(fù)雜性，很多實(shí)驗(yàn)項目雖然具有較好的理論意義，但因條件所限不能開設(shè)實(shí)施，這非常不利于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能知識和創(chuàng)新思維能力。為此，我們在本專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)過程中嘗試對實(shí)驗(yàn)課程體系進(jìn)行改革，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)方法的不斷創(chuàng)新和嘗試，將3R原則這一傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)理念和現(xiàn)代成熟的虛擬實(shí)驗(yàn)室這一技術(shù)手段引入到預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

1 預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作技能和創(chuàng)新思維能力，是學(xué)生從課堂理論轉(zhuǎn)換為工作能力的有效途徑，是理論聯(lián)系實(shí)際的重要手段［1］。但預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式基本上還是以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式進(jìn)行。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式多采用教師理論講授、學(xué)生操作驗(yàn)證的形式，這樣的方式必須靠學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后總結(jié)分析才能取得較好的效果，特別是課前預(yù)習(xí)，而如今很多學(xué)生沒有真正做到這一點(diǎn)，這就很難保證實(shí)驗(yàn)效果。還有，預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的現(xiàn)場調(diào)查部分也常常因?yàn)椴荒苌钊氍F(xiàn)場而受限，數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計部分也需要專業(yè)軟件和技術(shù)來分析，這使學(xué)生在知識面的拓展和加深方面不能受益，可見傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式方法已不能適應(yīng)當(dāng)前醫(yī)學(xué)發(fā)展和社會對應(yīng)用型預(yù)防醫(yī)學(xué)人才的要求，需要尋求更有效的方法、手段來改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法［2－3］。本著對實(shí)驗(yàn)資源的“減少、替代、優(yōu)化”（3R原則）這樣的思想，我們同時引入了虛擬實(shí)驗(yàn)室這一技術(shù)手段來構(gòu)建新的預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系。

2 3R原則和虛擬實(shí)驗(yàn)室在預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的分析及應(yīng)用

2.1 3R原則內(nèi)容

1959年Russell和Burch在人道主義實(shí)驗(yàn)動物原理中第一次提出了3R原則［4］。經(jīng)過近50年的發(fā)展，3R原則已逐漸被接受并運(yùn)用于生命科學(xué)，特別是醫(yī)學(xué)研究中，并在實(shí)踐中進(jìn)一步發(fā)展。所謂3R即減少（reduction）、替代（replacement）和優(yōu)化（refinement）的原則。具體講，“減少”指在實(shí)驗(yàn)中使用少量的實(shí)驗(yàn)材料，如動物和實(shí)驗(yàn)藥品試劑，獲得同樣多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法；“替代”就是不再利用活體動物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而是以組織細(xì)胞培養(yǎng)等各種體外實(shí)驗(yàn)或計算機(jī)模型以及統(tǒng)計分析等方法來加以替代，或者用無知覺的實(shí)驗(yàn)材料代替神志清醒的脊椎動物；“優(yōu)化”指通過改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)程序，減輕動物的痛苦和不安以及減少實(shí)驗(yàn)材料的使用量，提高動物福利的方法［4－5］。

2.2 3R原則在預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)具有種類多、范圍廣的特點(diǎn)，包括衛(wèi)生毒理學(xué)、環(huán)境衛(wèi)生與勞動衛(wèi)生學(xué)、營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)等，按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與理念，能夠開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程數(shù)量相當(dāng)有限且有重復(fù)。這些經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)項目有的依舊具有很高的教學(xué)價值，然而從整體看已不能適應(yīng)現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)實(shí)踐需求［6］。為保證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ腻憻捄团囵B(yǎng)，預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革正需要3R這一理論性的思想。減少，可以將開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項目數(shù)量控制在一定范圍內(nèi)，并盡量減少使用高值易耗試劑和其他實(shí)驗(yàn)材料。例如，在衛(wèi)生毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)中的動物數(shù)量的應(yīng)用比較常見，同時也使用各類有毒化合物，我們在進(jìn)行毒物半數(shù)致死劑量測定時可以用基于生物統(tǒng)計學(xué)的急性毒性分級法或USEPA（US Environmental Protection Agency美國環(huán)境保護(hù)局）驗(yàn)證的固定劑量法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LD50實(shí)驗(yàn)。在環(huán)境監(jiān)測類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一種化合物的檢測可以用成本低或方法簡單的技術(shù)來替代，如空氣中甲醛的測定，如果現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，可以將甲醛的儀器分析法替代為酚試劑比色法。預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中所涉及到的實(shí)驗(yàn)項目，從國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)角度考慮也有一種化合物通過幾種方法進(jìn)行測定的情況，可供選擇的方法較多，通過改善實(shí)驗(yàn)程序和實(shí)驗(yàn)方法，可以選擇易操作、效果好的實(shí)驗(yàn)方法［7］。根據(jù)3R原則，將預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系進(jìn)行“減少，替代，優(yōu)化”，我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用能夠起到很好的“3R”作用。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)和意義

虛擬（網(wǎng)絡(luò)）實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化，是指由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的軟件，包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對象以及實(shí)驗(yàn)資源等內(nèi)容，基于校園網(wǎng)來構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，營造出模擬的儀器性能、實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境［8－9］。虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)臺、虛擬器材庫和開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成。虛擬實(shí)驗(yàn)室為開設(shè)各種虛擬實(shí)驗(yàn)課程提供了全新的教學(xué)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)臺與真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺類似，可供學(xué)生自己動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。教師利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的典型實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)案例，這一點(diǎn)是虛擬實(shí)驗(yàn)室有別于一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件的重要特征。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比較，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有自由度大、安全性高、靈活性強(qiáng)和節(jié)省資源等特點(diǎn)［10］，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生不受實(shí)驗(yàn)場地和實(shí)驗(yàn)時間的限制，既可以在虛擬實(shí)驗(yàn)臺上動手操作，又可以在宿舍或家里根據(jù)自己的時間自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并且不會有儀器損壞和藥物安全等問題發(fā)生。針對虛擬實(shí)驗(yàn)開設(shè)的必要性，我們在我校預(yù)防醫(yī)學(xué)本科專業(yè)的學(xué)生中進(jìn)行了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢比較的問卷調(diào)查（表1），并將我系自行設(shè)計的虛擬實(shí)驗(yàn)項目應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本次調(diào)查包括3個年級的學(xué)生共計182人，問卷回收率百分之百。從調(diào)查結(jié)果分析，虛擬實(shí)驗(yàn)比較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新意識，學(xué)生更易獲得相關(guān)的知識、科學(xué)的指導(dǎo)和快速的反饋，虛擬實(shí)驗(yàn)室是未來實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展方向。

表1 虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢比較問卷調(diào)查統(tǒng)計表

2.4 虛擬實(shí)驗(yàn)室在預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

目前，虛擬實(shí)驗(yàn)室在預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用得較少，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用到預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中，有很大的意義，具體表現(xiàn)在：

首先，能促進(jìn)預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)開展的多元化，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)量不能滿足日新月異的科技更新的需要，在預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的高端儀器越來越多，如原子吸收儀、液相色譜、氣相色譜等，這些儀器昂貴，在學(xué)生教學(xué)實(shí)驗(yàn)中開展，成本太高，而應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室可以解決這樣的問題。

第二，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以強(qiáng)化學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)和對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)方法多，有的化合物在國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)與衛(wèi)生規(guī)范中會提到多種測定方法，需要課前充分預(yù)習(xí)，甚至只有經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)才能較好地完成實(shí)驗(yàn)。如測定食品中的某種營養(yǎng)元素，可以通過色譜的方法，也可以通過分光光度法來檢測。采用虛擬實(shí)驗(yàn)就可以方便學(xué)生分別用不同的方法來完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和模擬訓(xùn)練，便于區(qū)分比較方法之間的優(yōu)缺點(diǎn)，并可對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對和分析，不會造成任何實(shí)驗(yàn)資源浪費(fèi)或安全隱患。

第三，虛擬實(shí)驗(yàn)項目的開設(shè)可以減輕實(shí)驗(yàn)教師的工作力度，并節(jié)省人力資源。學(xué)生經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的培訓(xùn)過關(guān)后，已對要實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)項目有了理論基礎(chǔ)和感性認(rèn)識，教師有更多的時間和精力輔導(dǎo)學(xué)生更深層次的實(shí)踐問題，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作中儀器使用及試劑制備等現(xiàn)場帶來的低級錯誤和緊急問題［11］。

最后，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新技能和實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的束縛，學(xué)生可以自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)程序和實(shí)驗(yàn)步驟，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，并提高學(xué)生對計算機(jī)和虛擬軟件的使用，為遠(yuǎn)程課程提供新的教學(xué)方法，充分培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力［12］。

3 3R原則與虛擬實(shí)驗(yàn)室的關(guān)系

虛擬實(shí)驗(yàn)室是近年來較受關(guān)注的新興概念，將3R原則應(yīng)用于預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其目標(biāo)與虛擬實(shí)驗(yàn)室有相同之處，也存在著差異。其共同之處在于二者都是本著提高實(shí)驗(yàn)效率、強(qiáng)化學(xué)生綜合能力并節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源和減少實(shí)驗(yàn)成本為目的。3R原則中的“優(yōu)化”就在于實(shí)驗(yàn)程序的改進(jìn)以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果并能夠避免實(shí)驗(yàn)資源的浪費(fèi)，虛擬實(shí)驗(yàn)室也是利用計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)操作并更好地完成實(shí)驗(yàn)分析和報告，這樣也很好地節(jié)約了實(shí)驗(yàn)資源。兩者的差異之處在于二者的性質(zhì)不同。3R原則的“減少、替代、優(yōu)化”是理論上的思維性的概念，是理論上的分析總結(jié)，而虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段和方法的改革創(chuàng)新，是技術(shù)的改變。在預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)改革中，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以說是以3R原則為指導(dǎo)思想，是實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革的一種形式，它是3R原則與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的具體展現(xiàn)，是3R原則在預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中的完美體現(xiàn)，兩者相互依托、相輔相成。在預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中充分應(yīng)用3R原則和虛擬實(shí)驗(yàn)室，更能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的宗旨，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維和動手操作能力。

4 結(jié)束語

基于3R原則中“優(yōu)化、替代、減少”這樣的基本思想，建設(shè)預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，將預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中某些因?qū)嶒?yàn)難度大或成本高且浪費(fèi)大的實(shí)驗(yàn)項目替代，并優(yōu)化成虛擬實(shí)驗(yàn)項目，這為構(gòu)建新的預(yù)防醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系開辟了新的途徑，并對學(xué)生計算機(jī)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)設(shè)計創(chuàng)新思維的培養(yǎng)提供了有效的鍛煉空間，也適應(yīng)現(xiàn)代社會“低耗能、高產(chǎn)出”的趨勢，為培養(yǎng)現(xiàn)代社會新的醫(yī)療衛(wèi)生一專多能人才奠定了基礎(chǔ)。

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