淺談醫(yī)藥院校化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

趙紅梅，包保全，陳建平，張屏

內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院(呼和浩特010110)

淺談醫(yī)藥院?；瘜W(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

趙紅梅，包保全，陳建平，張屏*

內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院(呼和浩特010110)

虛擬實(shí)驗(yàn)作為信息時(shí)代的產(chǎn)物，隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展也得到了廣泛應(yīng)用。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)以其減少實(shí)驗(yàn)成本，突破時(shí)空限制，降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等優(yōu)點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)揮了積極的推動(dòng)作用。本文以醫(yī)藥院校為例，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的概念、理論基礎(chǔ)、必要性進(jìn)行了總結(jié)和闡述，并分析了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)中的注意事項(xiàng)，以期做到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

虛擬實(shí)驗(yàn);醫(yī)藥院校;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)理論學(xué)科的基礎(chǔ)，也是自然科學(xué)發(fā)現(xiàn)、解決問題的重要方法之一。

隨著醫(yī)藥技術(shù)、臨床實(shí)踐的不斷更新，化學(xué)實(shí)驗(yàn)不但承擔(dān)著培養(yǎng)和提高醫(yī)藥學(xué)生動(dòng)手能力的基本技能，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力也起到了非常重要的作用。隨著高校不斷的擴(kuò)招，政府各級(jí)部門和高校都比較重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普遍應(yīng)用，虛擬實(shí)驗(yàn)作為信息時(shí)代的產(chǎn)物應(yīng)運(yùn)而生。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)為各大高校提供了全新的能夠獲得各種實(shí)踐機(jī)會(huì)的輔助性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能夠突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)在空間上和時(shí)間上的限制給學(xué)生提供方便的實(shí)驗(yàn)條件，還能夠在節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的積極性，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和造就創(chuàng)新型人才起到至關(guān)重要的作用。成為提高少數(shù)民族實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)有效途徑。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)概述

1989年美國弗吉尼亞大學(xué)(University of Virginia)威廉·沃爾夫(William Wolf)教授提出虛擬實(shí)驗(yàn)室概念［1］。之后各個(gè)領(lǐng)域的研究者從不同角度對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)給出了相應(yīng)的定義，教育領(lǐng)域也是如此。

虛擬實(shí)驗(yàn)是指用計(jì)算機(jī)作為載體，借助于多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真等技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)軟件和硬件實(shí)現(xiàn)的仿真實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)教育的普及，促進(jìn)了虛擬實(shí)驗(yàn)的形成和逐漸發(fā)展。在計(jì)算機(jī)上通過營造可輔助、部分替代或者全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果能夠正確表征操作對(duì)象的特征，像是在真實(shí)的環(huán)境中實(shí)驗(yàn)者完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一樣。虛擬實(shí)驗(yàn)由于能反向控制實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)對(duì)象中的信號(hào)輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅具有針對(duì)性，能更明確的認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其效果更優(yōu)于在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中所取得的結(jié)果［2］。由于虛擬實(shí)驗(yàn)具有突出的優(yōu)點(diǎn)和強(qiáng)大的功能，因此在各大高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用比較廣泛［3］。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種依據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)的展現(xiàn)特定教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)平臺(tái)，并以虛擬實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容，綜合各種電子資源的教學(xué)系統(tǒng)，能夠反應(yīng)一定的教學(xué)策略。高校虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向是具有交互性和開放性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。為解決教育資源短缺，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提供了有效的方法［4］。

2.1 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

虛擬實(shí)驗(yàn)室是將音頻、圖像、動(dòng)畫和視頻有機(jī)的融合在一起，模擬逼真的實(shí)驗(yàn)場景。因此學(xué)生會(huì)完全沉浸在其中無法與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室分開而成為實(shí)驗(yàn)的參與者，而非旁觀者。通過鍵盤和鼠標(biāo)下達(dá)不同的實(shí)驗(yàn)指令，同時(shí)接受反饋信息，達(dá)到人機(jī)交互的境界。就像游戲的操作程序一樣通過營造一種輕松、愉快、生動(dòng)活潑的教學(xué)氛圍來吸引學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，大大調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

2.2 降低實(shí)驗(yàn)成本，充分發(fā)揮時(shí)間和空間的有效性

在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，因此實(shí)驗(yàn)具有很好的開放性，實(shí)驗(yàn)資源可以達(dá)到共享。以實(shí)驗(yàn)者為中心，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)時(shí)間，可以隨時(shí)地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，安排自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，根據(jù)自己的需求研究自己難理解的部分。例如藥物合成實(shí)驗(yàn)的特殊性，完成完整的一個(gè)合成實(shí)驗(yàn)需要數(shù)天，實(shí)驗(yàn)者可以根據(jù)自己的理解程度只完成其中關(guān)鍵的步驟，從而提高實(shí)驗(yàn)課的效率。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是利用軟件模擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的操作過程，對(duì)于某些比較昂貴的設(shè)備或者具有危險(xiǎn)性的儀器不可能在真實(shí)的情況下讓學(xué)生操作的實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。不僅保證學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)和做實(shí)驗(yàn)的安全性，同時(shí)大量的節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

2.3 避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作所帶來的風(fēng)險(xiǎn)

以前對(duì)于人體健康有危害的實(shí)驗(yàn)或有危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，一般都采用視頻或者示教的方法來避免風(fēng)險(xiǎn)。例如:有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)中不可避免的涉及腐蝕性的物質(zhì)，直接接觸皮膚可產(chǎn)生毒性。學(xué)生對(duì)一些儀器操作不熟練、注意力不集中、容易損壞儀器，導(dǎo)致失誤經(jīng)常發(fā)生。利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以避免這種顧慮。在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以去做各種具有危險(xiǎn)性的或者具有危害人體的實(shí)驗(yàn)。而且，采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以降低真實(shí)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的大量廢棄試劑以及對(duì)環(huán)境造成的污染［5］。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

3.1 為學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)

醫(yī)藥院校的化學(xué)實(shí)驗(yàn)步驟有的比較復(fù)雜，涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，這就需要學(xué)生提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)來了解實(shí)驗(yàn)原理和掌握實(shí)驗(yàn)操作的步驟。傳統(tǒng)的授課方式是通過老師精解講義以及說明書的方式進(jìn)行預(yù)習(xí)，但是有的學(xué)科內(nèi)容比較晦澀難懂，需要老師的再三解釋。虛擬實(shí)驗(yàn)則可以讓學(xué)生在上課之前隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，通過查閱電子資源庫和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)資料，瀏覽圖文并茂的實(shí)驗(yàn)圖片和重復(fù)觀看實(shí)驗(yàn)過程的視頻等相關(guān)資料，為下一步進(jìn)入實(shí)際實(shí)驗(yàn)室的具體操作奠定良好的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)完成后，由于受客觀條件的限制，其再現(xiàn)性比較差，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中的疑難點(diǎn)得不到很好的驗(yàn)證。虛擬實(shí)驗(yàn)則可以讓學(xué)生進(jìn)行多次的模擬重復(fù)實(shí)驗(yàn)，這樣不僅有利于掌握在實(shí)際操作過程中容易被忽略的細(xì)節(jié)和注意事項(xiàng)，而且加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡母行哉J(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的深入理解［6］。

3.2 提供學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的疑惑，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中通過微調(diào)實(shí)驗(yàn)條件或者改變整體設(shè)計(jì)思路來探索實(shí)驗(yàn)結(jié)論。因?yàn)樵谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)流程中，學(xué)生最關(guān)注的是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。在此基礎(chǔ)上，還可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)一些超出常規(guī)的，個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行研究性的學(xué)習(xí)，讓不同能力層次的學(xué)生都能發(fā)揮自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，這更有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和思維能力。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是為開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)而建立的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且最好建立在校園網(wǎng)絡(luò)上。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的主要目的是為了服務(wù)教師的教學(xué)和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作。因此以快捷方式登錄時(shí)，可分為教師入口和學(xué)生入口，也就是分為教師平臺(tái)和學(xué)生平臺(tái)兩個(gè)操作界面。將平臺(tái)分為三層構(gòu)架即客戶層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用服務(wù)層［7-9］?？蛻魧又话蛻舳耍蛻舳耸腔赪indows的操作系統(tǒng)，其界面表現(xiàn)形式分為兩類:一類是網(wǎng)頁，用于設(shè)置和修改參數(shù)，另一類是Activex控件，可以遠(yuǎn)程操作儀器和觀看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還可以從服務(wù)器下載在實(shí)驗(yàn)操作過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和曲線信息等。應(yīng)用服務(wù)層包括應(yīng)用程序服務(wù)器，實(shí)驗(yàn)機(jī)和Web服務(wù)器。應(yīng)用程序服務(wù)器是客戶端，實(shí)驗(yàn)機(jī)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的樞紐［10］。在設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)或初始化實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)用程序服務(wù)器將設(shè)置的參數(shù)從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中讀出并送入實(shí)驗(yàn)機(jī)中，這樣就形成了一個(gè)系統(tǒng)的反饋。

4.1 學(xué)生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

學(xué)生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的服務(wù)對(duì)象是學(xué)生，是學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的主要模塊。該模塊主要包括實(shí)驗(yàn)演示，實(shí)驗(yàn)選擇，實(shí)驗(yàn)素材庫，虛擬實(shí)驗(yàn)庫，實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在線測試題，成績查詢以及在線咨詢和留言系統(tǒng)等。學(xué)生只需要通過平臺(tái)登錄學(xué)生客戶端，即可進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)選擇自己準(zhǔn)備操作的實(shí)驗(yàn)，先觀看實(shí)驗(yàn)操作過程的多媒體演示文稿，之后進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)庫進(jìn)行在線模擬實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，本著以人為本的設(shè)計(jì)理念，界面的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)安排，網(wǎng)頁的操作和內(nèi)容的連接之間都從學(xué)生角度出發(fā)，并且在實(shí)驗(yàn)操作的不同階段給出激勵(lì)性的話語或者提示性的意見，在幫助學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，又提高了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性。

4.2 教師實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

教師實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是管理模塊，即教師不管在哪個(gè)界面都可以查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，回答學(xué)生的問題以及批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告。它的功能主要有:設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告，更改實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，整理留言板等項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可能會(huì)遇到一些問題，這些問題可以通過留言版向老師提問，教師也可以通過留言版回答學(xué)生的問題。教師在批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，要對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程、結(jié)論和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行打分。若為考查性實(shí)驗(yàn)課，則可以不用打分。教師在整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，可以把一些優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)報(bào)告留存下來進(jìn)行展示，刪除一些歷史的實(shí)驗(yàn)報(bào)告來釋放空間。

5 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)的注意事項(xiàng)

5.1 注意與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

經(jīng)過對(duì)大部分學(xué)生的調(diào)查［11］，學(xué)生還是比較喜歡實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作。在虛擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用鼠標(biāo)和鍵盤來完成實(shí)驗(yàn)，還是缺乏操作實(shí)物的手感。雖然虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)的比較完善，但還是不能全面反映真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的復(fù)雜情況，例如一旦在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)試劑不合格而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果異常，由于虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)固化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，因此發(fā)現(xiàn)這種情況會(huì)讓學(xué)生不知所措。所以，教師要準(zhǔn)確的定位虛擬實(shí)驗(yàn)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的位置，讓虛擬實(shí)驗(yàn)發(fā)揮其特殊的作用。例如:一是模擬一些真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作不便的、危險(xiǎn)的、過程復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。二是可以利用計(jì)算機(jī)描述微觀的物質(zhì)世界，有助于提高學(xué)生認(rèn)識(shí)微觀世界的本質(zhì)，改變認(rèn)知結(jié)構(gòu)。因此，必須合理的均衡真實(shí)的實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)，將知識(shí)真正做到融會(huì)貫通［12］。

5.2 結(jié)合一線教師開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的目的是為了彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足，提高學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和動(dòng)手能力。因此在開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)時(shí)，開發(fā)者和開發(fā)公司應(yīng)聯(lián)合一線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師參與軟件的調(diào)試與腳本的編寫，同時(shí)教育技術(shù)水平的能力也是一線教師需要提高的，這樣可以使自己與系統(tǒng)開發(fā)者暢通的交流，使得虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能更好地被教師所利用。

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Discussion on the Chem ical Virtual Experim ents Teaching Construction in M edical Colleges

ZHAO Hongmei，BAO Baoquan，CHEN Jianping，ZHANG Ping*
(School of Pharmaceutical Sciences，Inner Mongolia Medical University，Hohhot 010110，China)

Chemical Virtual Experiment was generated and developed rapidly according to the developmentof information technique and network.Chemical virtual experiment plays a positive role in reducing costs，breaking through time and space limit，decreasing experiment risk and stimulating student interest in learning.This paper elaborated the concept of Chemical Virtual Experiment and its theory，necessity and wariness.Taking an example ofMedical Colleges，experimental teaching has been largely improved by the combination of reality experiment and virtual experiment.

Virtual experiments;Medical colleges;Experimental teaching

2015-02-25。*通信作者:張屏，E-mail:pingzhang@vip．126．com。

2014年中國高等教育學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)教育專業(yè)委員會(huì)藥學(xué)教育研究會(huì)立項(xiàng)課題，編號(hào)201432。