虛擬仿真系統(tǒng)在生理學實驗教學中的探索與實踐

丁潔瓊 唐瓊 孟巍 朱海麗（通訊作者）

（湖北科技學院基礎(chǔ)醫(yī)學院生理教研室 湖北 咸寧 437100）

生理學是研究生物體及其各組成部分正常功能活動規(guī)律的一門重要基礎(chǔ)醫(yī)學課程，它同時也是一門實驗性科學，其所有知識均來自臨床實踐和實驗研究。傳統(tǒng)生理學實驗教學強調(diào)教師為授課主體，醫(yī)學生僅僅被動接受知識，同時教學中動物、手術(shù)器材、藥品等資源的不足會導致部分學生沒有動手操作的機會，以上均會影響學生學習興趣和積極性。為確保實驗教學質(zhì)量，采用新的教學方式迫在眉睫。虛擬仿真實驗于1989年由美國弗吉尼亞大學William Wulf教授首次提出，旨在構(gòu)建一種基于網(wǎng)絡(luò)的實驗教學平臺，從而實現(xiàn)儀器設(shè)備和實驗數(shù)據(jù)等資源的共享[1]。虛擬仿真技術(shù)是在多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，伴隨著此技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，虛擬仿真實驗作為一種新的教學手段得到迅速發(fā)展[2]。本校生理教研室從2016年開始將虛擬仿真實驗應(yīng)用于實驗課教學，通過探索生理學實驗教學新模式，為醫(yī)學生搭建低成本、教學模式多樣化的實訓平臺，用以彌補傳統(tǒng)實驗教學中的不足之處。

1.虛擬仿真系統(tǒng)在生理學實驗教學中的應(yīng)用

當今社會競爭日益激烈，醫(yī)學生希望在基礎(chǔ)醫(yī)學院學習期間盡量多掌握實踐技能。為適應(yīng)教學形式變化，生理教研室近年引入虛擬仿真系統(tǒng)，將其應(yīng)用于實驗教學各個環(huán)節(jié)。

1.1 課前預習

開展實驗教學之前，預留15分鐘給予醫(yī)學生預習相關(guān)內(nèi)容。學生使用電腦訪問局域網(wǎng)，通過虛擬實驗室客戶端進入電子資料室，通過圖片演示原理和實驗操作錄像，初步掌握實驗內(nèi)容。這種主動的學習方式，提升了學生對生理學實驗的興趣。

1.2 實驗教學

生理學實驗教學主要涉及動物手術(shù)操作，以傳統(tǒng)授課方式呈現(xiàn)部分難度較大的實驗，很難使醫(yī)學生真正掌握操作技巧，最終導致手術(shù)失敗。現(xiàn)今以《神經(jīng)體液因素及藥物對家兔心血管活動的影響》為例，教師可依靠虛擬仿真系統(tǒng)，引導學生進入醫(yī)學生理學虛擬實驗室。每個仿真實驗包括：簡介、原理、模擬、實驗錄像和模擬波形5個部分內(nèi)容。通過鼠標點擊實驗簡介和原理模塊，再次鞏固基礎(chǔ)知識；點擊模擬模塊，可以隨時觀看和模擬不同階段的手術(shù)仿真操作，再輔以錄像演示家兔麻醉、氣管插管、頸部神經(jīng)分離術(shù)和頸總動脈插管等過程，使學生詳細的掌握整個操作流程和注意事項；最后學生在虛擬家兔模型上進行不同藥物的注射，觀察動物仿真血壓波形的變化及其對心率的影響。醫(yī)學生以小組為單位，認真記錄虛擬仿真實驗中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，并對其進行分析和討論，同時制定手術(shù)操作流程和規(guī)范，以期提高實驗成功率。在生理學實驗教學中引入虛擬仿真系統(tǒng)，將枯燥抽象的知識轉(zhuǎn)化為生動形象的事物，在一定程度上消除由教師個體差異造成的教學質(zhì)量波動，使實驗教學達到理想的效果[3]。

1.3 實驗考試

常規(guī)的生理學考核源于平時成績、期末實驗操作和理論筆試成績。根據(jù)醫(yī)學生每次所提交的實驗報告確定平時成績，占10分；期末實驗操作考試占20分；理論筆試占70分。針對平時成績，由于任課教師精力受限，僅依靠實驗報告很難客觀評價實驗小組中每位學生的學習態(tài)度等隱性指標；而期末實驗考核僅憑一次操作給予成績，不能形成科學合理的形成性評價方式[4]。由于教學經(jīng)費的限制，少數(shù)班級期末實驗考核曾以筆試的方式進行。在精神衛(wèi)生、眼視光等專業(yè)小班教學中，教師減少學生書寫實驗報告次數(shù)，嘗試運用虛擬仿真系統(tǒng)中的考場模塊進行日?？己?。教師依靠題庫隨機考查學生實驗相關(guān)知識，另外通過模擬實驗考查學生手術(shù)操作，再輔以期末操作考試，通過強化形成性評價以期提高學生的學習效果，為優(yōu)化考評機制提供參考依據(jù)。

2.虛擬仿真系統(tǒng)在生理學實驗教學中的優(yōu)點

在生理學實驗課程中，虛擬仿真實驗教學依托數(shù)據(jù)庫、多媒體資源和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，采取以學生為主體和教師為主導的教學模式。醫(yī)學生在虛擬環(huán)境中運用各種設(shè)備和實驗器械開展操作，以達到學習訓練的目的[5]。與傳統(tǒng)實驗教學比較，其優(yōu)點如下：

2.1 虛擬仿真實驗教學節(jié)省實驗經(jīng)費，降低實驗難度

傳統(tǒng)實驗所用實驗動物和儀器損耗較大，引進虛擬仿真系統(tǒng)后，一套生理實驗多媒體教學軟件可供不同年級和專業(yè)的醫(yī)學生反復開展預實驗，而無需額外消耗實驗資源，節(jié)省了實驗經(jīng)費。例如呼吸、血液循環(huán)等實驗，醫(yī)學生通過人機交互進行模擬操作，真實體驗手術(shù)過程，進而降低了實驗難度，同時節(jié)約了教學成本。

2.2 虛擬仿真實驗教學培養(yǎng)了學生自主學習能力

傳統(tǒng)實驗教學采取“滿堂灌”的教學方法，教師首先示教，然后在實驗過程中糾正學生出現(xiàn)的操作錯誤，其弊病在于造成學生對老師的依賴心理[6]。為培養(yǎng)學生自主學習能力，教師在實驗課上要求醫(yī)學生以小組為單位（人數(shù)控制在3～4人）進行模擬手術(shù)操作。以家兔手術(shù)為例，如果動物未經(jīng)稱重而直接進入麻醉模式時，系統(tǒng)會以紅叉提示進而無法進入下一步操作。出現(xiàn)類似問題時，教師引導學生自行查閱電子資料，然后經(jīng)小組討論以及老師的提示，學生基本可以自行解決各種問題。以虛擬仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，這種開放式的學習方式同時也培養(yǎng)了醫(yī)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

2.3 虛擬仿真實驗教學增強學生操作技能，提高教學效果

應(yīng)用虛擬仿真實驗，可以加深醫(yī)學生對某個實驗原理和方法的感性認知，最終提高該實驗的成功率和實驗教學效果[7]。例如，針對護理專業(yè)學生，可以利用生理學虛擬仿真實驗強化家兔耳緣靜脈注射、氣管插管、導尿等護理常規(guī)操作技術(shù)。這種教學模式表達直觀，允許操作者反復嘗試，且每位學生均可參與其中，最終強化了學生的操作技能。

3.虛擬仿真系統(tǒng)在生理學實驗教學中的不足之處

目前，該套虛擬仿真系統(tǒng)僅在實驗室局域網(wǎng)內(nèi)使用，醫(yī)學生無法在實驗課以外的時間和地點通過移動終端進行訪問。因此后期需要進行技術(shù)升級，將虛擬仿真系統(tǒng)與校園網(wǎng)整合，允許學生隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)進行學習。此外，模擬考場允許同時在線的人數(shù)不能超過30人，當班級人數(shù)較多時，其考核效率不是太高，希望在后期的技術(shù)升級中，考慮到現(xiàn)實情況將系統(tǒng)做得更完善。在計算機環(huán)境中構(gòu)建的虛擬仿真環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境比較，其實驗設(shè)備和器械略有差異，這需要教研室根據(jù)實際情況和醫(yī)學生的反饋意見，制作適合本院學生的虛擬仿真實驗模塊，以彌補其缺陷；同時結(jié)合教研室自身的科研成果，適當增加綜合性實驗，作為選修課內(nèi)容擴展醫(yī)學生知識面。

總之，使用虛擬仿真系統(tǒng)是推進完善現(xiàn)有實踐教學體系、提高實驗教學質(zhì)量的重要舉措。在今后的工作中，教研室教師將不斷完善生理學虛擬仿真實驗教學平臺的功能，為培養(yǎng)高質(zhì)量醫(yī)學人才服務(wù)。

[1] Kouzes RT, Myers JD, Wulf WA. Collaboratories: doing science on the Internet. IEEE Computer[J],1996,29(8):40-46.

[2]楊丹聃,王志飛,王艷玲,等.基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗模式探究[J].實驗技術(shù)與管理,2017,34(3):124-126.

[3]杜鵑,尹艷艷,沈兵.虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)在機能學實驗中的運用[J].基礎(chǔ)醫(yī)學教育,2015,17(2):155-156.

[4]呂慧明.虛擬仿真實驗教學平臺在護理機能學實驗教學中的應(yīng)用[J].教育教學論壇,2016,44:273-274.

[5]周莉.虛擬仿真實驗系統(tǒng)在內(nèi)分泌生理學、病理生理學實習教學中的應(yīng)用研究[J].2017,1(2):255-256.

[6]朱曉琴,雷水生,胡景鑫,等.醫(yī)學機能實驗教學改革探索[J].中華醫(yī)學教育雜志,2012,32(3):441-443.

[7]方振華,王銳萍,傅麗容.虛擬仿真技術(shù)在人體解剖生理學實驗教學中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化,2017,34:150-151.