基于虛擬仿真技術(shù)的食品毒理學(xué)理論與實(shí)踐研究

海丹　宋蓮軍　喬明武　馬燕　黃現(xiàn)青　高曉平

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是食品毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要部分，而在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使用大量動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)工程量大、成本較高和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)倫理等問題。在飛速發(fā)展的信息時(shí)代背景下，各種新型教學(xué)技術(shù)手段極大地改變了高校實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)形態(tài)。其中，虛擬仿真技術(shù)能夠輔助完成食品毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高教學(xué)效率，最大程度地減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用量，從而提高學(xué)生對(duì)于食品毒理學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的興趣，提升教學(xué)效率和質(zhì)量。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)類教學(xué)具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

一、食品毒理學(xué)實(shí)踐教學(xué)存在的問題

新工科的改革要落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，聚焦人才培養(yǎng)的核心要素、關(guān)鍵環(huán)節(jié)，立足當(dāng)前、著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，使理論與實(shí)際相結(jié)合，切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。面對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中出現(xiàn)的熱點(diǎn)、難點(diǎn)、重點(diǎn)問題，高校教師應(yīng)利用自己的專業(yè)知識(shí)，結(jié)合新技術(shù)、新手段、新模式，探索培養(yǎng)學(xué)生的新舉措，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和整體素質(zhì)。

食品毒理學(xué)課程是研究并分析毒物等物質(zhì)作用機(jī)理的一門重要學(xué)科，實(shí)踐性和應(yīng)用性均較強(qiáng)，可以為食品安全性評(píng)估和監(jiān)控提供詳細(xì)和確鑿的理論依據(jù)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在食品毒理學(xué)實(shí)踐教學(xué)中占有很大部分，以往學(xué)生只能通過教材或視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，教學(xué)效果不是很理想。總的來看，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在四方面的問題。

首先，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)需要購(gòu)買實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，在嚴(yán)格的飼養(yǎng)環(huán)境下給藥、飼養(yǎng)，后期會(huì)進(jìn)行解剖分析等，這些都需要大量的經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)試劑耗材、設(shè)備場(chǎng)所等，導(dǎo)致傳統(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)往往開展規(guī)模較小，學(xué)生不能一一進(jìn)行操作。其次，某些毒物毒性較小，進(jìn)行慢性毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)往往耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，若學(xué)生在實(shí)驗(yàn)期間操作出現(xiàn)失誤，實(shí)驗(yàn)周期將被迫延長(zhǎng)。再次，學(xué)生如果心理素質(zhì)較差或不具備良好的實(shí)踐操作能力，進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)因?yàn)檫^度緊張對(duì)動(dòng)物造成機(jī)械性損傷甚至致死。而且動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中往往會(huì)接觸乙醚等易揮發(fā)毒性化合物，操作不當(dāng)就會(huì)出現(xiàn)問題，因此需要準(zhǔn)備較多實(shí)驗(yàn)動(dòng)物以保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。最后，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不但成本高、操作復(fù)雜，而且越來越多的研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)動(dòng)物模型和人類疾病模型存在較大差異，臨床實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)模型標(biāo)準(zhǔn)化與人類疾病存在差異、劑量與人群實(shí)際接觸劑量存在差異、動(dòng)物反應(yīng)與人群易感性存在差異。

總之，食品毒理學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的傳統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不能滿足目前的教學(xué)目標(biāo)，亟需解決這一問題。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)被引進(jìn)到高校的教學(xué)過程中，包括3D打印/快速成型、電子出版、云計(jì)算、虛擬仿真和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室、可視化數(shù)據(jù)分析、立體顯示和全息顯示、虛擬助手等在內(nèi)的很多新技術(shù)、新方法都已得到了廣泛利用，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

其中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種新型的教學(xué)形式，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，建立起高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，會(huì)有身臨其境之感，更加容易理解實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)。同時(shí)，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)能在很大程度上降低實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用量，解決食品毒理學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一大難點(diǎn)。

總之，虛擬仿真技術(shù)通過信息技術(shù)、智能技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，可以破解高等學(xué)校特別是高等工科院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中許多“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題，是一種新型的“實(shí)踐+智能+全面教育”的教學(xué)形式。

三、虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.具有完備的食品毒理學(xué)數(shù)據(jù)庫。針對(duì)食品中可能出現(xiàn)的各種化學(xué)物質(zhì)的安全性問題，國(guó)家食品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中心先后建立了我國(guó)常用的食品添加劑毒理學(xué)數(shù)據(jù)庫、有毒有害物質(zhì)毒性數(shù)據(jù)庫，后又把藥食同源以及中藥成分的毒理學(xué)數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，建立完成了“國(guó)家食品毒理學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”。數(shù)據(jù)庫的建立為食品毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了第一手的參考資料，為相關(guān)優(yōu)先物質(zhì)的毒理學(xué)安全性評(píng)價(jià)提供了依據(jù)，為應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了技術(shù)支持，有利于虛擬仿真技術(shù)的構(gòu)建及實(shí)踐。

2.讓學(xué)生有身臨其境之感。學(xué)生通過觀看虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中的動(dòng)畫視頻可以了解動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的真實(shí)環(huán)境，以第一視角學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的原理、探索實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟和注意事項(xiàng)，會(huì)有身臨其境的感覺，從而提高學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，學(xué)生在多次練習(xí)的過程中會(huì)掌握各種小細(xì)節(jié)，加深對(duì)細(xì)節(jié)的印象，防止日后在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)出現(xiàn)失誤。

3.溝通方式更加便捷。傳統(tǒng)的食品毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師一般要面對(duì)三十多位學(xué)生，受上課時(shí)間的限制，很難及時(shí)回應(yīng)學(xué)生提出的各種問題。而在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，師生可隨時(shí)在線進(jìn)行溝通，學(xué)生提出提問后，后臺(tái)的所有教師都可以回答，從而幫助學(xué)生解決問題。

4.有利于幫助學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生進(jìn)行食品毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的目的是掌握實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)，為今后自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。虛擬仿真系統(tǒng)可以展示詳細(xì)、清晰的實(shí)驗(yàn)思路與設(shè)計(jì)步驟，能夠幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟、整理設(shè)計(jì)思路，提升學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性，為日后自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在食品毒理學(xué)中的應(yīng)用

1.整合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源。建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是采用虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，根據(jù)教學(xué)需求設(shè)計(jì)出虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、虛擬環(huán)境、虛擬儀器設(shè)備等。因此，高校要充分整合本校食品、生物、醫(yī)學(xué)等不同專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提高教學(xué)能力，降低實(shí)驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

2.搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為核心，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果良好、開放共享有效的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，努力建設(shè)統(tǒng)一且具有開放性、擴(kuò)展性、兼容性、前瞻性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)省內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，滿足多學(xué)科專業(yè)、多學(xué)校和多地區(qū)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

3.提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教師的水平。堅(jiān)持德才統(tǒng)一、引培并重的原則，打造熱愛教學(xué)、知識(shí)豐富、能力過硬的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。健全完善教學(xué)隊(duì)伍考核、獎(jiǎng)勵(lì)、監(jiān)督機(jī)制，鼓勵(lì)和支持教師參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的項(xiàng)目研發(fā)和教學(xué)實(shí)踐，不斷提高業(yè)務(wù)水平。通過組建專家團(tuán)隊(duì)、開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，推動(dòng)虛擬仿真教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)與創(chuàng)新。

綜上，在食品毒理學(xué)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真技術(shù)，可以突破時(shí)間、地點(diǎn)和設(shè)備數(shù)量等的限制，讓學(xué)生在一個(gè)更“安全”的環(huán)境下做實(shí)驗(yàn)，并且可以反復(fù)操作，不必?fù)?dān)心所消耗的動(dòng)物數(shù)量以及動(dòng)物福利等問題，同時(shí)能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性，提高學(xué)生的積極性，最終提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本。

基金項(xiàng)目：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（2022XJGLX037）；河南省研究生課程思政示范課程項(xiàng)目（YJS2023SZ14）。

作者簡(jiǎn)介：海丹（1987-），女，河南鄭州人，講師，博士，研究方向?yàn)槭称窢I(yíng)養(yǎng)與安全控制。

通信作者：高曉平（1976-），男，河南安陽人，副教授，研究方向?yàn)樾螽a(chǎn)品加工與質(zhì)量安全控制。