虛擬實驗室教學(xué)模式在《病原生物學(xué)》實驗教學(xué)中的應(yīng)用探索＊

石新麗，秦 臻，于 琨，劉景利

（1.河北中醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院免疫學(xué)與病原生物學(xué)教研室，河北石家莊 050200；2.四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院，四川成都 610041；3.白求恩醫(yī)務(wù)士官學(xué)校醫(yī)學(xué)技術(shù)系，河北石家莊 050081）

《病原生物學(xué)》是一門重要的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)科，是生命科學(xué)的重要組成部分。《病原生物學(xué)》的實踐性較強(qiáng)，實驗室教學(xué)一直是該學(xué)科的重要部分。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtual reality technology，VRT）的出現(xiàn)為《病原生物學(xué)》的實驗教學(xué)提供了一條新的教學(xué)模式［1］。本文就虛擬實驗室（virtual laboratory，VL）的基礎(chǔ)知識及其在國內(nèi)高校的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行簡要介紹，并利用問卷調(diào)查的方式，對VL模式應(yīng)用于《病原生物學(xué)》的實驗教學(xué)的可行性進(jìn)行探索及效果評估。

1 VRT與VL概念

VRT是基于計算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的現(xiàn)代科技。它綜合了計算機(jī)的圖形圖像處理、模式識別、智能技術(shù)、傳感技術(shù)、語言處理、音響技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門學(xué)科技術(shù)，讓使用者獲得視、聽、觸的三維立體感受，從而產(chǎn)生身臨其境的互動視景仿真體驗［2］。VL是指利用虛擬現(xiàn)實、圖形影像及仿真等技術(shù)，在計算機(jī)上創(chuàng)建一個可視化的虛擬實驗環(huán)境，在該環(huán)境下通過操作鼠標(biāo)、鍵盤來控制每一個代表不同實驗器材的可視化器件從而進(jìn)行各種實驗。VL是基于VRT的應(yīng)用研究，具有教學(xué)模式新穎、實驗成本低、實驗效率高、安全性高及開放性好等優(yōu)點(diǎn)［3］。隨著VRT的逐步發(fā)展，VL在醫(yī)學(xué)實驗教育領(lǐng)域的應(yīng)用價值開始凸顯。

2 VL教學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于VL具有傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)實驗室無法比擬的特點(diǎn)和優(yōu)勢，國內(nèi)一些高校開始嘗試在醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)引進(jìn)VL教學(xué)模式，并取得了良好的教學(xué)效果［4］。VL教學(xué)模式為探索《病原生物學(xué)》實驗教學(xué)模式提供了重要的參考價值，如2003年初第一軍醫(yī)大完成的首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集，醫(yī)生利用遠(yuǎn)程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在虛擬患者模型上進(jìn)行手術(shù)，從而通過網(wǎng)絡(luò)傳送實現(xiàn)對危急患者實施遠(yuǎn)程手術(shù)［5］。20世紀(jì)90年代，第二軍醫(yī)大學(xué)開始建立生理學(xué)及機(jī)能學(xué)VL，成果模擬了蛙心灌流、哺乳動物血壓調(diào)節(jié)、動作電位的產(chǎn)生機(jī)制和記錄方法等實驗。近年來，該校升級原有實驗，初步建成了機(jī)能學(xué) VL［6－7］。南方醫(yī)科大學(xué)附屬第一臨床醫(yī)學(xué)院完成建設(shè)的《病原生物學(xué)》VL，學(xué)生可通過電子文稿學(xué)習(xí)基本理論、觀看動畫放映的操作過程、配有操作細(xì)節(jié)和講說配音，從視、聽、感3個方面達(dá)到身臨其境的感覺［8］。截止2012年止，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院開發(fā)了10個虛擬實驗課件和4個實驗教學(xué)視頻，包括有常壓蒸餾操作、色譜分析、分光光度法測定Fe3＋水平、卵磷脂的提取，以及組成鑒定的Chemdraw視頻教程、解熱鎮(zhèn)痛藥阿司匹林的合成鑒定、水平測定及復(fù)方阿司匹林的成分分析視頻教程等共計51學(xué)時的實驗課程。同時還建立了醫(yī)學(xué)化學(xué)VL，從而以全新的實驗教學(xué)模式拓展了傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式，更好地促進(jìn)了學(xué)生對醫(yī)學(xué)化學(xué)實驗的學(xué)習(xí)［9］。

3 VL教學(xué)與傳統(tǒng)實驗室教學(xué)模式的調(diào)查比較

為了探索VL教學(xué)模式在《病原生物學(xué)》實驗教學(xué)應(yīng)用的可行性及效果，作者對四川大學(xué)2012級預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)的40名本科生進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)VL的體驗調(diào)查，并讓學(xué)生填寫了傳統(tǒng)實驗和虛擬實驗優(yōu)勢與局限比較的調(diào)查問卷（問卷有效回收率100%）。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，VL教學(xué)模式與傳統(tǒng)實驗室教學(xué)模式在《病原生物學(xué)》實驗應(yīng)用中有如下特點(diǎn)。

3.1 《病原生物學(xué)》傳統(tǒng)實驗室教學(xué)模式的特點(diǎn) 作者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，75.0%的學(xué)生認(rèn)為傳統(tǒng)實驗室的兩大優(yōu)勢在于親自動手操作，真實實驗儀器及學(xué)生之間、師生之間能方便地進(jìn)行交流與討論。另外，也有部分學(xué)生認(rèn)為其優(yōu)勢在于能夠接觸真實的實驗材料和近距離觀察實驗結(jié)果等。說明傳統(tǒng)實驗室教學(xué)方式在事物的真實感和情感互動方面具有較大優(yōu)勢。傳統(tǒng)實驗室教學(xué)模式也有不足之處，特別是實驗室開放時間有限和實驗儀器設(shè)備更新慢等客觀條件均在一定程度上限制了學(xué)生進(jìn)行實驗探索能力的培養(yǎng)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)有75.0%的學(xué)生會因為實驗室不能隨意開放，通常會放棄想法。另外，傳統(tǒng)實驗室教學(xué)模式是一種以教師講授為主的單一傳統(tǒng)教學(xué)模式［10］。在此模式中，學(xué)生常處于被動接受狀態(tài)，而不利于學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，不利于提高學(xué)生的設(shè)計能力與創(chuàng)新能力。針對傳統(tǒng)實驗室教學(xué)在時間及教學(xué)場地等方面的不足，VL應(yīng)用于《病原生物學(xué)》實驗課的教學(xué)有廣大的市場需求。有87.5%的學(xué)生非常希望或比較希望能有一個通過網(wǎng)絡(luò)隨時都可以進(jìn)入實驗室的VL，用于設(shè)計相應(yīng)的實驗進(jìn)行驗證并解決學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的疑問。

3.2 VL教學(xué)方式的特點(diǎn) 基于虛擬技術(shù)的VL教學(xué)方式相比傳統(tǒng)實驗具有一定的優(yōu)勢，如不受實驗器材、實驗材料以及實驗時間的限制，可在虛擬實驗中進(jìn)行可重復(fù)操作實驗；學(xué)生可根據(jù)自己的時間來安排通過虛擬實驗軟件預(yù)習(xí)實驗，從而對實驗步驟有更清晰的了解；擺脫傳統(tǒng)實驗室儀器與材料有限的局面，學(xué)生可自行設(shè)計綜合性、創(chuàng)新性實驗；課后學(xué)生可隨時進(jìn)入VL系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證或復(fù)習(xí)。此外，VL可減少生物安全隱患、節(jié)約實驗教學(xué)成本和資源、打破空間限制進(jìn)入物體內(nèi)部進(jìn)行觀察等。作者在調(diào)查VL對提高學(xué)生各方面能力的作用時，發(fā)現(xiàn)有60.0%的學(xué)生認(rèn)為使用VL后，對實驗課的學(xué)習(xí)興趣比以前有所提高；在真實實驗中遇到困難時，80.0%的學(xué)生會聯(lián)系VL過程來解決這個難題；70.0%的學(xué)生認(rèn)為通過VL進(jìn)行實驗提高了獨(dú)立分析問題和解決問題的能力；只有15.0%的學(xué)生認(rèn)為提高了觀察能力和動手能力。故作者認(rèn)為VL教學(xué)模式在《病原生物學(xué)》實驗課教學(xué)的應(yīng)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計實驗?zāi)芰εc創(chuàng)新能力；但由于虛擬實驗缺乏實物感，且受固定程序設(shè)定的影響，依賴于鼠標(biāo)鍵盤的操作有可能在一定程度上不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和觀察能力。另外，VL也存在著一些缺陷，如目前VRT很難完全客觀真實地反映生物學(xué)的復(fù)雜性，且很難精確模擬如空氣濕度、顆粒成分等現(xiàn)實實驗環(huán)境，故實驗結(jié)果難以排除與現(xiàn)實實驗中的差異性。

4 VL教學(xué)模式在《病原生物學(xué)》實驗室教學(xué)中應(yīng)用的建議

雖然VL有著傳統(tǒng)實驗室無法比擬的優(yōu)越性，如可重復(fù)操作、不受環(huán)境和時間限制、節(jié)約資源、安全性高等，但傳統(tǒng)實驗室能親手操作實驗器材從而體驗更客觀、更真實的實驗過程和結(jié)果，這一優(yōu)勢使得VL無法完全替代傳統(tǒng)實驗室。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更喜歡實際操作（占調(diào)查者的47.5%）以及實際操作與虛擬操作相結(jié)合的實驗方式（占調(diào)查者的45.0%）。可能由于單純的虛擬實驗缺乏實物感且很難完全反映生物學(xué)的復(fù)雜性，所以，調(diào)查發(fā)現(xiàn)只有7.5%的學(xué)生喜歡虛擬操作。作者發(fā)現(xiàn)82.5%的學(xué)生認(rèn)為高質(zhì)量的實驗課應(yīng)該達(dá)到提高學(xué)生獨(dú)立設(shè)計實驗、培養(yǎng)學(xué)生動手能力和解決問題能力的教學(xué)效果。要達(dá)到上述的實驗教學(xué)效果，作者認(rèn)為應(yīng)該在《病原生物學(xué)》實驗課的教學(xué)過程中將擬實驗與傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式有機(jī)融合，才能使二者發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。

為了將VL教學(xué)模式更好地應(yīng)用于《病原生物學(xué)》實驗課教學(xué)，作者提出以下建議：（1）提倡學(xué)科交叉。加強(qiáng)《病原生物學(xué)》與電腦信息技術(shù)等學(xué)科之間的交流，使虛擬實驗技術(shù)結(jié)合學(xué)科應(yīng)用特點(diǎn)不斷完善。（2）以實為主，以虛為輔，長短互補(bǔ)，各盡其能。在《病原生物學(xué)》的實驗教學(xué)過程中，在利用VL的諸多優(yōu)點(diǎn)的同時應(yīng)注重發(fā)揮其對傳統(tǒng)實驗室的輔助作用。

VL在《病原生物學(xué)》實驗教學(xué)中具有重要的輔助作用，但其操作客觀真實性等方面還亟待相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行更好的技術(shù)支持。傳統(tǒng)實驗室在擁有現(xiàn)實操作條件的優(yōu)勢的同時也存在著各種不足。只有將VL與傳統(tǒng)實驗室教學(xué)模式有機(jī)結(jié)合，才能提高學(xué)生獨(dú)立設(shè)計實驗、動手能力和解決問題的能力，達(dá)到高質(zhì)量的《病原生物學(xué)》實驗課的教學(xué)效果。

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