虛擬仿真實驗系統(tǒng)在預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

呂慧慧 喬漫潔 伍盼盼 李 光

（河南中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)合格公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)人才的重要使命，預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗課程綜合了預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)各學(xué)科的基本技能與方法，實驗教學(xué)目的不僅在于培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作技能，更要使學(xué)生具備突發(fā)公共衛(wèi)生事件的流行病學(xué)調(diào)查、現(xiàn)場應(yīng)急判斷及處理、現(xiàn)場組織協(xié)調(diào)等熟練應(yīng)對及解決問題的綜合應(yīng)變和處理能力[1-2]。從目前我校預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)情況來看，預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)方式基本還是以傳統(tǒng)實驗教學(xué)為主，教學(xué)思路陳舊、教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實案例連接不夠緊密，教學(xué)形式基本都是通過案例分析及討論的形式來完成的問題較為突出。故而遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法適應(yīng)當(dāng)前醫(yī)學(xué)發(fā)展和達(dá)到國家提出的“培養(yǎng)實用性預(yù)防醫(yī)學(xué)人才”的要求[3]。

結(jié)合預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)的特點，如何貼近實戰(zhàn)進(jìn)行教學(xué)，已經(jīng)成為我校預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)教學(xué)工作者迫切需要解決的問題。虛擬仿真實驗系統(tǒng)通過計算機虛擬現(xiàn)實和數(shù)碼仿真技術(shù)的應(yīng)用，突破傳統(tǒng)實驗的時空限制，虛擬情景模擬，讓實驗者像在真實的環(huán)境中一樣運用各種虛擬實驗設(shè)備，完成預(yù)定的實驗項目[4]。有效地解決實驗場地及設(shè)備不足的問題，拓展了教學(xué)空間，實現(xiàn)了實驗與現(xiàn)場相結(jié)合。因此，充分利用現(xiàn)代科技發(fā)展成果，大力構(gòu)建虛擬防真實驗系統(tǒng)是優(yōu)化預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)過程，提高實驗教學(xué)質(zhì)量的新趨勢。

1 預(yù)防醫(yī)學(xué)傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 實驗教學(xué)形式單一 傳統(tǒng)的預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗項目大部分為驗證性實驗，實驗教學(xué)方式多采用教師理論講授、學(xué)生操作驗證的形式進(jìn)行。教師將實驗的原理、目的、操作方法及注意事項等對學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)地講解和示范，學(xué)生只需要按照實驗操作步驟按部就班地操作，就可以得出實驗結(jié)果。這種“填鴨式”教學(xué)，教學(xué)方法單一，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，致使學(xué)生并不能深刻理解設(shè)計原理，并從中發(fā)現(xiàn)問題，分析問題。忽視了學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中的主體地位，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和獨立解決問題的能力，嚴(yán)重地束縛了學(xué)生主觀能動性的發(fā)揮和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

1.2 實驗教學(xué)內(nèi)容局限性 預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗課程大多重視實驗室檢測技能的訓(xùn)練，而對樣本采集現(xiàn)場環(huán)境基本資料的獲取能力培養(yǎng)卻鮮有涉及，在實驗教學(xué)中，只有將二者有機地結(jié)合起來，才能體現(xiàn)預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)的價值和意義。由于現(xiàn)有教學(xué)資源有限，實驗室不具備公共衛(wèi)生突發(fā)事件現(xiàn)場模擬條件，同時突發(fā)公共事件的發(fā)生具有緊急性和不確定性，因此實驗課上組織學(xué)生親臨突發(fā)事件現(xiàn)場進(jìn)行實習(xí)的可行性較低[5]?，F(xiàn)實條件無法滿足學(xué)生在實踐教學(xué)過程中親身經(jīng)歷公共衛(wèi)生突發(fā)事件現(xiàn)場處理的愿望和要求，致使一些公共衛(wèi)生突發(fā)事件綜合實訓(xùn)課難以開展，即使開展也只是通過觀看影片和案例分析及討論的形式來完成，使學(xué)生在知識面的拓展和實踐運用等方面不能受益，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到綜合能力培養(yǎng)和思維訓(xùn)練的目的，導(dǎo)致實驗教學(xué)水平無法滿足預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)高素質(zhì)人才的培養(yǎng)需求。

1.3 實驗教學(xué)資源短缺 隨著近年來高校的擴招，學(xué)生人數(shù)增加與實驗教學(xué)資源短缺的矛盾日益突出。實驗教學(xué)經(jīng)費投入不足，實驗場地受限，實驗設(shè)備缺乏，尤其是一些大型儀器設(shè)備，生均實驗設(shè)備擁有量少。例如，預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗課程中經(jīng)常要使用原子吸收分光光度計、氨基酸分析儀等大型精密儀器，這些實驗儀器價格昂貴，耗材及維護(hù)成本較高，導(dǎo)致學(xué)生動手實踐機會少，只能粗略地了解，難以獨立、熟練地完成相關(guān)實驗項目，極大地制約著學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時，實驗儀器設(shè)備的更新相對滯后，致使實驗教學(xué)中一些新的實驗技術(shù)和實驗方法不能及時地被學(xué)生吸收和利用，違背了實驗技能方法的適時性和前瞻性。

2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)在預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 改進(jìn)教學(xué)方式和手段 提高實驗教學(xué)效果 預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)是學(xué)生從課堂理論轉(zhuǎn)換為工作能力的有效途徑，是理論聯(lián)系實際的重要手段。虛擬仿真實驗系統(tǒng)的應(yīng)用，為預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)改革提供了有利條件，為教師可以采取靈活多樣的教學(xué)方法打下基礎(chǔ)。運用虛擬仿真技術(shù)，刺激學(xué)生的視覺和聽覺等各種感官系統(tǒng)，將實驗以直觀和形象的形式向?qū)W生展現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。教師通過自主控制的人機交互開展啟發(fā)式、研究式和互動式的實驗教學(xué)，學(xué)生由單純的模仿者向探求者和創(chuàng)造者轉(zhuǎn)換，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中主動參與、自我探究，從以教師為中心的授課形式改變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的個性化教學(xué)，極大地促使了教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變，達(dá)到由培養(yǎng)經(jīng)驗型人才向培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的轉(zhuǎn)變。同時，虛擬仿真實驗平臺也為學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)提供了豐富的資源，便于學(xué)生取得更好的教學(xué)效果，獲取更大的收益。

2.2 擴大實驗教學(xué)范圍 提高實驗教學(xué)效率 虛擬仿真實驗是真實實驗的有益補充。虛擬仿真實驗系統(tǒng)的運用，拓展了預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)實驗項目，擴大了實驗教學(xué)范圍，使得在真實實驗條件下難以完成的一些實驗項目，尤其是公共衛(wèi)生突發(fā)事件的綜合實訓(xùn)課。例如，“營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)”實驗課程中食物中毒實驗項目，能夠利用多媒體技術(shù)通過虛擬情景模擬和數(shù)碼仿真的方式，模擬對一起群體性食物中毒事件的應(yīng)急處置，進(jìn)行設(shè)計編排綜合實訓(xùn)案例，將突發(fā)公共衛(wèi)生事件的相關(guān)信息和材料，包括：⑴核實報告；⑵準(zhǔn)備工作及指派專業(yè)隊伍赴現(xiàn)場處置；⑶醫(yī)療機構(gòu)救治；⑷衛(wèi)生監(jiān)督和疾病預(yù)防控制中心現(xiàn)場處置等程序引入到案例中來，按照標(biāo)準(zhǔn)客觀結(jié)構(gòu)化對案例進(jìn)行架構(gòu)和解析[5]。讓學(xué)生像在真實的環(huán)境中一樣運用各種虛擬實驗設(shè)備，對突發(fā)公共衛(wèi)生事件的現(xiàn)場進(jìn)行模擬訓(xùn)練，豐富學(xué)生的感性認(rèn)識，提高學(xué)生對突發(fā)公共衛(wèi)生事件的應(yīng)急處置能力，提升學(xué)生的主觀能動性和就業(yè)競爭力。并通過案例中穿插的基礎(chǔ)知識考核和綜合決策思維能力的訓(xùn)練，幫助學(xué)生查漏補缺，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解，提高實驗教學(xué)效果。

2.3 突破時空限制 彌補實驗教學(xué)條件不足 虛擬仿真實驗系統(tǒng)的應(yīng)用，彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中容易受實驗設(shè)備、實驗空間、實驗時間和實驗內(nèi)容等方面限制的不足，豐富實驗教學(xué)資源。學(xué)生可以根據(jù)自己的時間和需要通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地進(jìn)行虛擬實驗學(xué)習(xí)和反復(fù)地練習(xí)，更好地強化基本實驗技能并激發(fā)求知欲。最大限度地擴展實驗教學(xué)的時間和空間，真正實現(xiàn)了以學(xué)生為中心、促進(jìn)自主學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)理念。虛擬仿真實驗極強的沉浸感，能夠使學(xué)生深入了解大型儀器設(shè)備的操作方法，為實際使用復(fù)雜的儀器設(shè)備打下基礎(chǔ)。同時，也可以將現(xiàn)代科學(xué)研究與發(fā)展的前沿技術(shù)以及現(xiàn)實生活中出現(xiàn)的一些最新公共衛(wèi)生問題及時通過虛擬仿真技術(shù)充實到實驗教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，便于學(xué)生了解和掌握新知識、新技術(shù)和新觀念。開拓學(xué)生的視野、提升學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

2.4 降低實驗危害 實現(xiàn)實驗教學(xué)綠色化 實驗安全、環(huán)保問題和昂貴的實驗教學(xué)成本，一直困擾著高校預(yù)防醫(yī)學(xué)的實驗教學(xué)。預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗內(nèi)容以實驗室檢測為主體，在實驗過程中所用到的試劑或排放物不乏為毒性強、甚至致突變、致畸和致癌等化學(xué)物，嚴(yán)重地危害周圍環(huán)境和人體（包括實驗者）的健康。而虛擬仿真實驗的開設(shè)，既滿足了培養(yǎng)學(xué)生實驗技能的要求，又避免了實驗動物、器材和試劑的消耗，為學(xué)生搭建起一個低成本、無風(fēng)險、可調(diào)控的綠色化實驗技能訓(xùn)練平臺，使得實驗經(jīng)費大為壓縮，節(jié)約成本的同時又實現(xiàn)了實驗動物、器材和試劑的“零投入”和廢棄物的“零排放”，有效地緩解了實驗過程對環(huán)境所造成的污染，實現(xiàn)預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)的綠色化，促進(jìn)環(huán)境和預(yù)防醫(yī)學(xué)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 今后努力的方向

信息時代的到來，促使現(xiàn)代化教學(xué)手段迅速進(jìn)入教學(xué)領(lǐng)域，虛擬仿真實驗教學(xué)已然成為高等教育信息化建設(shè)、高校實驗室建設(shè)與實驗教學(xué)改革發(fā)展的必然趨勢[6]。虛擬仿真實驗系統(tǒng)在預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，使虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗教學(xué)“虛”“實”結(jié)合，優(yōu)勢互補，相輔相成，作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一種有效補充，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供了先進(jìn)手段、開放平臺和優(yōu)質(zhì)資源，增強了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新思維綜合能力的培養(yǎng)，極大地提升了實驗教學(xué)質(zhì)量，開創(chuàng)了新的實驗教學(xué)模式。在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的同時，也為實驗教學(xué)改革和實驗室建設(shè)增添了活力，注入了動力，適應(yīng)了信息時代高等教育開放辦學(xué)、資源共享的變革要求。隨著科學(xué)研究的不斷深入，虛擬仿真實驗系統(tǒng)必將不斷完善，將其與真實實驗有機結(jié)合，為培養(yǎng)具有科研能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)綜合型預(yù)防人才搭建更好的平臺。爭取為我校的預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)開辟一片嶄新的天地，創(chuàng)建廣闊的發(fā)展前景。

[1]陶華明，殷勇冠，朱全紅.3R原則與虛擬實驗室在預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（8）：152-154.

[2]郭靜，劉曉燕，朱學(xué)江，等.虛擬仿真教學(xué)平臺在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].南京醫(yī)科大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2014，14（6）：498-500.

[3]劉新，李茂全，陳衛(wèi)中，等.預(yù)防醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)存在的問題及其網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室構(gòu)建思路[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2013，31（19）：94-95.

[4]劉慧萍，張國民，陽力爭，等.基于虛擬仿真實驗技術(shù)的生化實驗教學(xué)初探[J].中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2014，12（14）：85-87.

[5]王少康，孫桂菊，楊立剛，等.營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)食物中毒虛擬仿真實驗的構(gòu)建初探[J].教育教學(xué)論壇，2015（44）：233-234.

[6]李平，毛昌杰，徐進(jìn)，等.開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.