虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究**

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虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究**

廣州市教育科學(xué)規(guī)劃課題(11A038)；2012年廣州醫(yī)學(xué)院教育科學(xué)規(guī)劃課題(6)；2013年廣東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(2013JK142) 。通訊作者：朱曉琴

趙元淑1鄧鎮(zhèn)1雷水生2胡景鑫3朱曉琴31廣州醫(yī)科大學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)中心，廣東省廣州市511436；

2廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院皮膚美容科；3廣州醫(yī)科大學(xué)生理教研室

摘要將虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性和自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。

關(guān)鍵詞虛擬仿真系統(tǒng)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是一門將醫(yī)學(xué)生理學(xué)、藥理學(xué)、病理生理學(xué)等基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)課程。由于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)中有很大的難度，實(shí)驗(yàn)課可以增加理論知識(shí)的直觀性，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。但是目前傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段由于教學(xué)資源有限、教學(xué)模式單一等弊端，不能完全適應(yīng)新時(shí)期醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)的要求。為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、自主分析解決問題能力，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量，廣州醫(yī)科大學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)中心從2006年開始將自主研發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)，同傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方式相結(jié)合，取得了一定的效果。本文將對(duì)虛擬系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用及應(yīng)用效果做以分析，并將新型教學(xué)模式實(shí)施過程中的教學(xué)感想做以總結(jié)。

1機(jī)能虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生基本技能、綜合能力和創(chuàng)新能力起著至關(guān)重要的作用[1]。隨著醫(yī)學(xué)競爭的日益激烈，學(xué)生們都希望能夠在學(xué)校學(xué)習(xí)期間盡量多的掌握醫(yī)學(xué)實(shí)踐技能，所以醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課越來越受到學(xué)生們的歡迎和重視。學(xué)生希望在實(shí)驗(yàn)課上能夠反復(fù)操作實(shí)驗(yàn)，熟練實(shí)驗(yàn)的過程。但是由于近些年高校學(xué)生不斷擴(kuò)招，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)不足等原因限制了機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的深入開展。并且，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)方式也不能滿足學(xué)生動(dòng)手能力學(xué)習(xí)鍛煉的需求。為了適應(yīng)形勢的變化，更好的完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，我校機(jī)能實(shí)驗(yàn)中心應(yīng)用最新的計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，自行設(shè)計(jì)開發(fā)出BL-420E生物機(jī)能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，軟件包括家兔、青蛙和人體實(shí)驗(yàn)三大平臺(tái)的16個(gè)模塊，涵蓋了一些在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課上無法開展的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，極大的豐富了機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供了更多實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，同時(shí)也節(jié)省了教學(xué)成本，可以讓教師從繁重的講課任務(wù)中解放出來，有更多的時(shí)間對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

興趣是最好的老師，能夠最大程度地發(fā)揮個(gè)人學(xué)習(xí)的主管能動(dòng)性[2]。我校機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為一開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以選修課的形式出現(xiàn)，學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人興趣自主選擇。此外，我校虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，將各實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)成3D動(dòng)畫游戲的形式，學(xué)生在游戲的各階段要選擇正確的“游戲武器”——實(shí)驗(yàn)用品，進(jìn)行正確的實(shí)驗(yàn)操作，游戲才能通關(guān)。以《青蛙立體在位心臟灌流》實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)入一個(gè)三維的仿真的實(shí)驗(yàn)室后，在手術(shù)臺(tái)上出現(xiàn)了一只剪開皮膚、暴露出心臟的青蛙以及各種可供選擇的手術(shù)工具，有眼科鑷、線、眼科剪、靜脈插管，先選擇正確的工具才能進(jìn)入下一步的操作，如果選擇不正確的話工具圖標(biāo)不予反應(yīng)。接下來操作者選取眼科鑷，將鼠標(biāo)移動(dòng)到心臟相應(yīng)位置，用眼科剪剪一小口，選取靜脈插管工具，用鼠標(biāo)拖住將其插入血管口，并點(diǎn)擊棉線結(jié)扎固定；如果操作者忘記結(jié)扎固定靜脈插管，則操作無法繼續(xù)進(jìn)行并且系統(tǒng)會(huì)彈出提示對(duì)話框：“插管未固定，請(qǐng)先固定插管”。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后操作者通過點(diǎn)擊操作界面右上方的“查看”按鈕可以看到此次操作犯錯(cuò)的次數(shù)以及操作所用的時(shí)間，如果犯錯(cuò)次數(shù)多則此關(guān)不能通過，系統(tǒng)會(huì)顯示“遺憾，繼續(xù)努力”，同學(xué)可以重新玩游戲爭取順利通關(guān)。把實(shí)驗(yàn)操作以游戲通關(guān)的形式呈現(xiàn)，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，學(xué)生可以在趣味游戲中學(xué)到實(shí)驗(yàn)的原理，掌握實(shí)驗(yàn)過程，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)課還為傳統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)課的開展做好準(zhǔn)備——在虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生在已經(jīng)充分掌握實(shí)驗(yàn)原理、過程的情況下胸有成竹的進(jìn)行實(shí)際操作，更有助于提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的深入理解。

新時(shí)期素質(zhì)教育的要求不單單是看學(xué)生期末考了多少分，而是注重要提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生能力。我校機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)課程期末采用調(diào)查問卷的形式，讓學(xué)生評(píng)價(jià)參加本課程的學(xué)習(xí)感受，對(duì)本課程需要改進(jìn)的內(nèi)容提出意見和建議。

2在機(jī)能學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

2.1虛擬實(shí)驗(yàn)課程提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣虛擬動(dòng)物實(shí)驗(yàn)課程采用了學(xué)生們樂于接受的“打游戲”的形式開展，整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)畫設(shè)計(jì)生動(dòng)有趣，仿真度高、直觀性強(qiáng)，對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)的整體和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)詳細(xì)合理，學(xué)生在操作的過程中可以通過系統(tǒng)預(yù)置的干擾因素了解錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)方法帶來的后果，拓展學(xué)生的知識(shí)面，使學(xué)生全面掌握實(shí)驗(yàn)操作過程；并且，通過對(duì)虛擬系統(tǒng)的反復(fù)操作加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)全面了解對(duì)正確實(shí)驗(yàn)方法的記憶。在虛擬的環(huán)境中，通過人機(jī)交互，學(xué)生在玩游戲的過程中掌握了實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)的過程，規(guī)范了實(shí)驗(yàn)技術(shù)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣足、效率高，教學(xué)效果良好。

2.2培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力自主學(xué)習(xí)能力是新時(shí)期教學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要培養(yǎng)目標(biāo)，自主學(xué)習(xí)的過程包括：自我觀察、自我判斷、自我反應(yīng)[3]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式為教師講授實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)、示教、指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)及時(shí)糾正學(xué)生操作中的錯(cuò)誤，這種模式的弊端就是學(xué)生對(duì)老師有依賴心理[4]。學(xué)生在選修機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)課伊始，可能是受到以往傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的影響，遇到不會(huì)的內(nèi)容馬上問老師，比如家兔麻醉要使用的劑量、插管的位置等，自己不會(huì)主動(dòng)的去查資料解決問題，缺乏自主學(xué)習(xí)的能力，這也與筆者應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力的宗旨相沖突。為了使學(xué)生養(yǎng)成主動(dòng)學(xué)習(xí)的好習(xí)慣，教師在最初的幾堂實(shí)驗(yàn)課上注重引導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)解決問題，而不是直接告訴學(xué)生正確的答案。比如學(xué)生在家兔頸部正中切開術(shù)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生遇到提起家兔頸部皮膚手術(shù)切口后游戲無法繼續(xù)進(jìn)行的問題時(shí)，自己不去查找問題的原因，直接問老師正確答案，這時(shí)教師并不直接解答學(xué)生的問題，而是引導(dǎo)學(xué)生嘗試試一下其他的方法。幾堂實(shí)驗(yàn)課后，學(xué)生基本適應(yīng)了虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，再遇到游戲中存在的問題會(huì)先自己嘗試解決，或者和同學(xué)討論解決方案，逐漸養(yǎng)成了自主學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。學(xué)生在期末的調(diào)查問卷中也多次提到：“機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)課就像自己是實(shí)驗(yàn)的主宰者，責(zé)任巨大，需要用心完成”，甚至有的同學(xué)在課前主動(dòng)預(yù)習(xí)做預(yù)習(xí)報(bào)告，課后寫實(shí)驗(yàn)心得！

2.3虛擬動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)節(jié)省了教學(xué)資源，增加了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)近些年由于醫(yī)學(xué)生不斷的擴(kuò)招，給機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來很大的挑戰(zhàn)：教師人手不足、實(shí)驗(yàn)資源有限，學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室課上，教師忙于對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的講授，無暇對(duì)學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)的指導(dǎo)，嚴(yán)重影響了學(xué)生動(dòng)手能力的提高和創(chuàng)造性。隨著計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)模擬的虛擬環(huán)境與人體的反應(yīng)進(jìn)行交互完成，虛擬動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不需要購買實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和實(shí)驗(yàn)藥品，不需要購買大量的實(shí)驗(yàn)器械，也不需要擴(kuò)建實(shí)驗(yàn)室，沒有實(shí)驗(yàn)器械的損耗，學(xué)生可以通過虛擬動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，大大節(jié)約了教育成本，增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會(huì)；并且由于不需要使用一些有毒的藥品，增加了實(shí)驗(yàn)的安全性和成功率；教師也可以從繁重的講課任務(wù)中解放出來，有更多的時(shí)間對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，提高學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

2.4教學(xué)效果突出我校的機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)課歷來都是很受學(xué)生們歡迎的課程，每年選修的人數(shù)都很多。筆者對(duì)2011-2012年選修機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)課程的臨床、影像、護(hù)理專業(yè)3個(gè)年級(jí)20個(gè)班共計(jì)600名同學(xué)進(jìn)行問卷調(diào)查。其中91.4%的學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)比較感興趣，98.6%的學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)基本滿意，97.4%的學(xué)生認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)可以避免手術(shù)操作過程中常犯的錯(cuò)誤，23.1%的同學(xué)希望能增加虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)。通過虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用，明顯豐富了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)手段，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，生動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生對(duì)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)中增加虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)滿意度很高。

機(jī)能學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用也提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，2009年在孔天翰老師的指導(dǎo)下學(xué)生自主設(shè)計(jì)完成的科研項(xiàng)目分別獲得全國大學(xué)生學(xué)術(shù)科技作品競賽二等獎(jiǎng)、廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎(jiǎng)；2011年、2012年朱曉琴等老師指導(dǎo)的學(xué)生設(shè)計(jì)性課題獲得了廣州醫(yī)學(xué)院大學(xué)生課外科技競賽二、三等獎(jiǎng)；機(jī)能學(xué)課外興趣小組的學(xué)生在2009-2012年間先后參與完成了2項(xiàng)國自然、2項(xiàng)省自然課題，在國家核心期刊發(fā)表論文10余篇。

3虛擬仿真系統(tǒng)在教學(xué)應(yīng)用中有待改進(jìn)的方面

3.1機(jī)能實(shí)驗(yàn)不能替代傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。目前的機(jī)能綜合實(shí)驗(yàn)是通過對(duì)動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)操作鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)的技能技巧，比如：蛙坐骨神經(jīng)的分離實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生手術(shù)操作的技術(shù)水平，而這些能力是通過虛擬仿真系統(tǒng)完成不了的。此外，機(jī)能綜合實(shí)驗(yàn)以小組的形式進(jìn)行，通過小組各位成員間互相協(xié)調(diào)、溝通、合作完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、協(xié)作精神、溝通能力[5]；學(xué)生應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)可以掌握實(shí)驗(yàn)原理、規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、分析問題解決問題的能力；但是，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是學(xué)生通過計(jì)算機(jī)完成的，每名學(xué)生一臺(tái)計(jì)算機(jī)，同學(xué)之間缺乏溝通和協(xié)作。為了解決這些問題，我們將虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課的同時(shí)，我們在實(shí)驗(yàn)課上另設(shè)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可以根據(jù)個(gè)人意愿進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。虛實(shí)并存，實(shí)為主體，以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)雙促[6]，虛擬實(shí)驗(yàn)是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的預(yù)演,與真實(shí)實(shí)驗(yàn)互為補(bǔ)充[7]。結(jié)果證明，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)后已經(jīng)熟悉了實(shí)驗(yàn)原理、過程，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)事半功倍。

3.2進(jìn)一步完善虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)的問題多種多樣，而筆者虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候不可能想每名學(xué)生之所想，把學(xué)生所有能夠出現(xiàn)的問題都反映在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。因此，學(xué)生在期末調(diào)查問卷的時(shí)候也會(huì)給我們提出這一方面的問題，希望筆者能夠完善。對(duì)此，在以后的設(shè)計(jì)中，盡可能貼近學(xué)生的實(shí)際操作需要，把虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做到更加完善。當(dāng)然，一定不可能達(dá)到每名同學(xué)的理想狀態(tài)，這也是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比較起來不理想的地方。針對(duì)這一弊端，筆者采用教師輔助學(xué)生，及時(shí)解答學(xué)生問題的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。

總之，將虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加生動(dòng)有趣，極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)新性，符合新時(shí)期教學(xué)改革的要求。因此，全面推進(jìn)和深化虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)教育界的共識(shí)。未來，我校將繼續(xù)根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，開發(fā)出更多、更全面細(xì)致的機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模塊，應(yīng)用于教學(xué)，為培養(yǎng)出更多的醫(yī)學(xué)人才做貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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(編輯雅文)

收稿日期2015-03-09

中圖分類號(hào)：G420

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1001-7585(2015)17-2410-03