海丹　宋蓮軍　喬明武　馬燕　黃現(xiàn)青　高曉平

動物實驗是食品毒理學(xué)實驗教學(xué)中的重要部分，而在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，使用大量動物進行實驗存在實驗工程量大、成本較高和動物實驗倫理等問題。在飛速發(fā)展的信息時代背景下，各種新型教學(xué)技術(shù)手段極大地改變了高校實驗課的教學(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)實驗教學(xué)，提高教學(xué)效率，最大程度地減少實驗動物使用量，從而提高學(xué)生對于食品毒理學(xué)動物實驗的興趣，提升教學(xué)效率和質(zhì)量。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，基于虛擬仿真實驗的實驗類教學(xué)具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

一、食品毒理學(xué)實踐教學(xué)存在的問題

新工科的改革要落實立德樹人根本任務(wù)，聚焦人才培養(yǎng)的核心要素、關(guān)鍵環(huán)節(jié)，立足當前、著眼長遠，使理論與實際相結(jié)合，切實提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。面對傳統(tǒng)教學(xué)實踐中出現(xiàn)的熱點、難點、重點問題，高校教師應(yīng)利用自己的專業(yè)知識，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)作用機理的一門重要學(xué)科，實踐性和應(yīng)用性均較強，可以為食品安全性評估和監(jiān)控提供詳細和確鑿的理論依據(jù)。動物實驗在食品毒理學(xué)實踐教學(xué)中占有很大部分，以往學(xué)生只能通過教材或視頻進行學(xué)習(xí)，教學(xué)效果不是很理想?？偟膩砜?，動物實驗教學(xué)主要存在四方面的問題。

首先，動物實驗需要購買實驗動物，在嚴格的飼養(yǎng)環(huán)境下給藥、飼養(yǎng)，后期會進行解剖分析等，這些都需要大量的經(jīng)費、實驗試劑耗材、設(shè)備場所等，導(dǎo)致傳統(tǒng)的動物實驗往往開展規(guī)模較小，學(xué)生不能一一進行操作。其次，某些毒物毒性較小，進行慢性毒理學(xué)實驗往往耗費時間較長，若學(xué)生在實驗期間操作出現(xiàn)失誤，實驗周期將被迫延長。再次，學(xué)生如果心理素質(zhì)較差或不具備良好的實踐操作能力，進行動物實驗時會因為過度緊張對動物造成機械性損傷甚至致死。而且動物實驗中往往會接觸乙醚等易揮發(fā)毒性化合物，操作不當就會出現(xiàn)問題，因此需要準備較多實驗動物以保證實驗的順利進行。最后，動物實驗不但成本高、操作復(fù)雜，而且越來越多的研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)動物模型和人類疾病模型存在較大差異，臨床實驗后發(fā)現(xiàn)模型標準化與人類疾病存在差異、劑量與人群實際接觸劑量存在差異、動物反應(yīng)與人群易感性存在差異。

總之，食品毒理學(xué)實踐教學(xué)中的傳統(tǒng)動物實驗不能滿足目前的教學(xué)目標，亟需解決這一問題。

二、虛擬仿真實驗教學(xué)的重要性

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的先進技術(shù)被引進到高校的教學(xué)過程中，包括3D打印/快速成型、電子出版、云計算、虛擬仿真和遠程實驗室、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，取得了不錯的教學(xué)效果。

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

總之，虛擬仿真技術(shù)通過信息技術(shù)、智能技術(shù)與實驗教學(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驗教學(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

1.具有完備的食品毒理學(xué)數(shù)據(jù)庫。針對食品中可能出現(xiàn)的各種化學(xué)物質(zhì)的安全性問題，國家食品安全風(fēng)險評估中心先后建立了我國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)實驗教學(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)安全性評價提供了依據(jù)，為應(yīng)急風(fēng)險評估提供了技術(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)中的動畫視頻可以了解動物實驗的真實環(huán)境，以第一視角學(xué)習(xí)實驗的原理、探索實驗的具體操作步驟和注意事項，會有身臨其境的感覺，從而提高學(xué)習(xí)熱情。同時，學(xué)生在多次練習(xí)的過程中會掌握各種小細節(jié)，加深對細節(jié)的印象，防止日后在真實環(huán)境下進行實驗操作時出現(xiàn)失誤。

3.溝通方式更加便捷。傳統(tǒng)的食品毒理學(xué)實驗教學(xué)中，教師一般要面對三十多位學(xué)生，受上課時間的限制，很難及時回應(yīng)學(xué)生提出的各種問題。而在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，師生可隨時在線進行溝通，學(xué)生提出提問后，后臺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)計實驗。學(xué)生進行食品毒理學(xué)實驗學(xué)習(xí)的目的是掌握實驗操作技術(shù)，為今后自主設(shè)計實驗打下基礎(chǔ)。虛擬仿真系統(tǒng)可以展示詳細、清晰的實驗思路與設(shè)計步驟，能夠幫助學(xué)生掌握實驗設(shè)計步驟、整理設(shè)計思路，提升學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性，為日后自己設(shè)計實驗打下堅實的基礎(chǔ)。

四、虛擬仿真實驗教學(xué)

在食品毒理學(xué)中的應(yīng)用

1.整合虛擬仿真實驗資源。建立虛擬仿真實驗的關(guān)鍵是采用虛擬現(xiàn)實、人機交互、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，根據(jù)教學(xué)需求設(shè)計出虛擬實驗場景、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)的實驗教學(xué)資源，提高教學(xué)能力，降低實驗成本和風(fēng)險。

2.搭建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。虛擬仿真實驗項目要以提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神為核心，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以實驗教學(xué)項目為基礎(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驗教學(xué)新體系，努力建設(shè)統(tǒng)一且具有開放性、擴展性、兼容性、前瞻性的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，實現(xiàn)省內(nèi)的虛擬實驗教學(xué)資源共享，滿足多學(xué)科專業(yè)、多學(xué)校和多地區(qū)開展虛擬仿真實驗教學(xué)的需要。

3.提高虛擬仿真實驗教師的水平。堅持德才統(tǒng)一、引培并重的原則，打造熱愛教學(xué)、知識豐富、能力過硬的教學(xué)團隊，保障虛擬仿真實驗教學(xué)的效果。健全完善教學(xué)隊伍考核、獎勵、監(jiān)督機制，鼓勵和支持教師參與虛擬仿真實驗教學(xué)的項目研發(fā)和教學(xué)實踐，不斷提高業(yè)務(wù)水平。通過組建專家團隊、開展虛擬仿真實驗教學(xué)研究，推動虛擬仿真教學(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)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真技術(shù)，可以突破時間、地點和設(shè)備數(shù)量等的限制，讓學(xué)生在一個更“安全”的環(huán)境下做實驗，并且可以反復(fù)操作，不必擔(dān)心所消耗的動物數(shù)量以及動物福利等問題，同時能增強實驗教學(xué)的趣味性，提高學(xué)生的積極性，最終提高實驗教學(xué)效果、節(jié)省實驗成本。

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

作者簡介：海丹（1987-），女，河南鄭州人，講師，博士，研究方向為食品營養(yǎng)與安全控制。

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