3R原则与虚拟实验室在预防医学实验教学中的应用

2013-09-08冷言冰

实验技术与管理 2013年8期

韩琴，冷言冰，贾皓，刘新

（成都医学院公共卫生系，四川成都 610083）

随着医学教育的不断发展和科技水平的不断提高，现代预防医学实验技术的发展也日新月异，很多新兴概念也逐渐应用于专业教学实践中，如3R原则（reduction、replacement、refinement，减少、替代、优化）和虚拟实验室（virtual laboratory）。预防医学作为一级学科，在实验教学过程中所涉及的学科门类多、动物数量多、仪器种类多，而这些问题往往是影响实验教学质量与效果的重要因素。预防医学实验课程综合了各学科的基本技能与方法，是实验教学体系的重要组成部分，是增强学生实践技能的重要途径。如何在有限的实验室资源条件下提高教学质量，一直是诸多专业人士关注的重点。预防医学实验内容主要包括流行病学现场调查、实验室检测和数据整理与分析等，其中以实验室检测为主体，这其中又可分为理化分析、微生物检验、消杀灭技术等。鉴于预防医学实验中的多样性和复杂性，很多实验项目虽然具有较好的理论意义，但因条件所限不能开设实施，这非常不利于培养学生的专业技能知识和创新思维能力。为此，我们在本专业学生的实践教学过程中尝试对实验课程体系进行改革，从实验教学思维和实验方法的不断创新和尝试，将3R原则这一传统实验理念和现代成熟的虚拟实验室这一技术手段引入到预防医学实验教学中来，以提高实验教学质量。

1 预防医学实验教学现状分析

现代预防医学实验教学的目的在于培养学生实践操作技能和创新思维能力，是学生从课堂理论转换为工作能力的有效途径，是理论联系实际的重要手段［1］。但预防医学实验教学方式基本上还是以传统实验教学方式进行。传统的实验教学模式多采用教师理论讲授、学生操作验证的形式，这样的方式必须靠学生课前预习和课后总结分析才能取得较好的效果，特别是课前预习，而如今很多学生没有真正做到这一点，这就很难保证实验效果。还有，预防医学实验教学中的现场调查部分也常常因为不能深入现场而受限，数据处理及统计部分也需要专业软件和技术来分析，这使学生在知识面的拓展和加深方面不能受益，可见传统的实验教学模式方法已不能适应当前医学发展和社会对应用型预防医学人才的要求，需要寻求更有效的方法、手段来改善实验教学方法［2－3］。本着对实验资源的“减少、替代、优化”（3R原则）这样的思想，我们同时引入了虚拟实验室这一技术手段来构建新的预防医学实验教学课程体系。

2 3R原则和虚拟实验室在预防医学实验中的分析及应用

2.1 3R原则内容

1959年Russell和Burch在人道主义实验动物原理中第一次提出了3R原则［4］。经过近50年的发展，3R原则已逐渐被接受并运用于生命科学，特别是医学研究中，并在实践中进一步发展。所谓3R即减少（reduction）、替代（replacement）和优化（refinement）的原则。具体讲，“减少”指在实验中使用少量的实验材料，如动物和实验药品试剂，获得同样多的实验数据或更多的实验数据的方法；“替代”就是不再利用活体动物进行实验而是以组织细胞培养等各种体外实验或计算机模型以及统计分析等方法来加以替代，或者用无知觉的实验材料代替神志清醒的脊椎动物；“优化”指通过改进和完善实验程序，减轻动物的痛苦和不安以及减少实验材料的使用量，提高动物福利的方法［4－5］。

2.2 3R原则在预防医学实验中的应用

预防医学实验具有种类多、范围广的特点，包括卫生毒理学、环境卫生与劳动卫生学、营养与食品卫生学等，按照传统的实验教学模式与理念，能够开设的实验课程数量相当有限且有重复。这些经典的实验项目有的依旧具有很高的教学价值，然而从整体看已不能适应现代预防医学专业实践需求［6］。为保证学生的实验能力的锻炼和培养，预防医学实验课程改革正需要3R这一理论性的思想。减少，可以将开设的实验项目数量控制在一定范围内，并尽量减少使用高值易耗试剂和其他实验材料。例如，在卫生毒理学实验中的动物数量的应用比较常见，同时也使用各类有毒化合物，我们在进行毒物半数致死剂量测定时可以用基于生物统计学的急性毒性分级法或USEPA（US Environmental Protection Agency美国环境保护局）验证的固定剂量法代替传统的LD50实验。在环境监测类的实验教学中，一种化合物的检测可以用成本低或方法简单的技术来替代，如空气中甲醛的测定，如果现有的实验教学仪器不能满足实验教学质量，可以将甲醛的仪器分析法替代为酚试剂比色法。预防医学实验中所涉及到的实验项目，从国家卫生标准角度考虑也有一种化合物通过几种方法进行测定的情况，可供选择的方法较多，通过改善实验程序和实验方法，可以选择易操作、效果好的实验方法［7］。根据3R原则，将预防医学实验课程体系进行“减少，替代，优化”，我们发现网络虚拟实验室的应用能够起到很好的“3R”作用。

2.3 虚拟实验室的特点和意义

虚拟（网络）实验室是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化，是指由网络技术、计算机技术、虚拟现实技术等生成的一类适于进行虚拟实验的软件，包括实验环境、仪器设备、实验对象以及实验资源等内容，基于校园网来构建虚拟实验系统，营造出模拟的仪器性能、实验条件和环境［8－9］。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验或实验案例，这一点是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要特征。

与传统实验室相比较，虚拟实验室具有自由度大、安全性高、灵活性强和节省资源等特点［10］，在虚拟实验室中，学生不受实验场地和实验时间的限制，既可以在虚拟实验台上动手操作，又可以在宿舍或家里根据自己的时间自主设计实验，进行实验操作，并且不会有仪器损坏和药物安全等问题发生。针对虚拟实验开设的必要性，我们在我校预防医学本科专业的学生中进行了传统实验和虚拟实验优势比较的问卷调查（表1），并将我系自行设计的虚拟实验项目应用于实验教学中。本次调查包括3个年级的学生共计182人，问卷回收率百分之百。从调查结果分析，虚拟实验比较传统实验，更有利于培养学生的操作能力、设计能力和创新意识，学生更易获得相关的知识、科学的指导和快速的反馈，虚拟实验室是未来实验室建设的发展方向。

表1 虚拟实验与传统实验优势比较问卷调查统计表

2.4 虚拟实验室在预防医学实验中的应用

目前，虚拟实验室在预防医学实验中应用得较少，随着现代科学技术的发展，将虚拟实验室应用到预防医学实验中，有很大的意义，具体表现在：

首先，能促进预防医学实验开展的多元化，传统实验数量不能满足日新月异的科技更新的需要，在预防医学实验中使用的高端仪器越来越多，如原子吸收仪、液相色谱、气相色谱等，这些仪器昂贵，在学生教学实验中开展，成本太高，而应用虚拟实验室可以解决这样的问题。

第二，虚拟实验室可以强化学生预习实验和对实验结果的分析。预防医学实验方法多，有的化合物在国家卫生标准与卫生规范中会提到多种测定方法，需要课前充分预习，甚至只有经过预实验才能较好地完成实验。如测定食品中的某种营养元素，可以通过色谱的方法，也可以通过分光光度法来检测。采用虚拟实验就可以方便学生分别用不同的方法来完成实验预习和模拟训练，便于区分比较方法之间的优缺点，并可对实验结果进行比对和分析，不会造成任何实验资源浪费或安全隐患。

第三，虚拟实验项目的开设可以减轻实验教师的工作力度，并节省人力资源。学生经过网络虚拟实验室的培训过关后，已对要实际操作的实验项目有了理论基础和感性认识，教师有更多的时间和精力辅导学生更深层次的实践问题，避免了传统实验操作中仪器使用及试剂制备等现场带来的低级错误和紧急问题［11］。

最后，虚拟实验室可以提高学生的实验创新技能和实验设计能力。在虚拟实验中，打破了传统实验的束缚，学生可以自主设计实验程序和实验步骤，对实验进行优化，并提高学生对计算机和虚拟软件的使用，为远程课程提供新的教学方法，充分培养学生的综合能力［12］。

3 3R原则与虚拟实验室的关系

虚拟实验室是近年来较受关注的新兴概念，将3R原则应用于预防医学实验教学，其目标与虚拟实验室有相同之处，也存在着差异。其共同之处在于二者都是本着提高实验效率、强化学生综合能力并节约实验资源和减少实验成本为目的。3R原则中的“优化”就在于实验程序的改进以提高实验结果并能够避免实验资源的浪费，虚拟实验室也是利用计算机和网络技术完成实验操作并更好地完成实验分析和报告，这样也很好地节约了实验资源。两者的差异之处在于二者的性质不同。3R原则的“减少、替代、优化”是理论上的思维性的概念，是理论上的分析总结，而虚拟实验室是一种实验技术手段和方法的改革创新，是技术的改变。在预防医学实验改革中，虚拟实验室可以说是以3R原则为指导思想，是实验技术改革的一种形式，它是3R原则与现代科学技术相结合的具体展现，是3R原则在预防医学实验教学工作中的完美体现，两者相互依托、相辅相成。在预防医学实验中充分应用3R原则和虚拟实验室，更能体现实验教学的宗旨，提高教学质量，培养学生的实验思维和动手操作能力。

4 结束语

基于3R原则中“优化、替代、减少”这样的基本思想，建设预防医学专业虚拟实验室，将预防医学实验教学中某些因实验难度大或成本高且浪费大的实验项目替代，并优化成虚拟实验项目，这为构建新的预防医学实验课程体系开辟了新的途径，并对学生计算机应用和实验设计创新思维的培养提供了有效的锻炼空间，也适应现代社会“低耗能、高产出”的趋势，为培养现代社会新的医疗卫生一专多能人才奠定了基础。

（References）

［1］张文昌.预防医学基本技能训练实验教程［M］.北京：人民卫生出版社，2007.

［2］陈国元，杨克敌，刘烈刚，等.国家级预防医学实验教学示范中心的建设与展望［J］.实验室研究与探索，2011，30（9）：248－251.

［3］刘新，宋庆雄，徐洁.预防医学实验教学改革构想［J］.卫生职业教育，2008，26（7）：115－116.

［4］Russell W M S，Burch R L.The Principles of Humane Experimental Technique［M］.London：Methuen，1959.

［5］韩琴，刘新，冷言冰.3R原则在大学生开放性实验项目中的应用分析［J］.中国医学伦理学，2012，25（3）：182－184.

［6］余琦，杨佩刚，张春芳，等.3R原则在医学实验动物学教学中的应用［J］.西北医学教育，2007，15（6）：1128－1130.

［7］高英俊，张首龙，胡薇，等.完善医学实验动物伦理教育浅谈［J］.中国高等医学教育，2010（5）：8－13.

［8］谢炜，居颂光，葛彦，等.虚拟实验室在免疫学实验教学中的应用［J］.实验教学，2011（36）：113－115.

［9］朱敏，张际平.虚拟实验室及其教学应用［J］.实验室研究与探索，2006，25（5）：626－627.

［10］刘泽良.发挥虚拟实验室建设对实验教学的促进作用［J］.实验技术与管理，2011，28（7）：193－194.

［11］尚作萍，杜成斌，张宏兵，等.虚拟现实技术在理论力学实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2007，24（10）：297－299.