虛擬仿真實驗在基礎醫(yī)學概論實驗教學中的應用

孫雪蓮　劉淵　彭岳

【摘 要】本文論述虛擬仿真實驗在基礎醫(yī)學概論實驗教學中的運用，分析基礎醫(yī)學概論課程的特點及實驗課的意義，以及該課程實驗教學中存在的不足之處，探討了應用虛擬仿真實驗教學改革基礎醫(yī)學概論實驗課的必要性和可行性，提出利用虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，在驗證性實驗的基礎上增加綜合性、設計性實驗，以優(yōu)化實驗教學的內(nèi)容，引入PBL教學法改革實驗教學的方法和手段，建立多元化的實驗考核方式，以加強實驗教學改革。

【關鍵詞】虛擬仿真實驗? 基礎醫(yī)學概論? 實驗教學改革

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）11C-0082-03

隨著信息化時代的到來，以網(wǎng)絡為基礎的各種知識學習逐漸成為全世界教學發(fā)展的一種趨勢。虛擬仿真實驗教學應運而生，它是利用計算機創(chuàng)建一個虛擬仿真的實驗操作環(huán)境，通過模擬現(xiàn)實的實驗環(huán)境，對仿真試劑、人體組織器官、實驗動物或標本等進行虛擬操作，實現(xiàn)對學習操作人員的各種感官反饋的模擬，以達到與真實實驗一致的教學目的和要求。與傳統(tǒng)的實驗相比，虛擬仿真實驗不受教學資源的限制，具有開放性、資源共享性、交互性、先進性、安全性、內(nèi)容豐富、體驗逼真等特點，是未來理論教學的有益補充和實驗室建設的主要發(fā)展方向。

基礎醫(yī)學概論是供護理學、藥學、法學、心理學、醫(yī)藥營銷、公共衛(wèi)生、社會保障、醫(yī)療保險、醫(yī)學信息工程等醫(yī)學相關專業(yè)類人才培養(yǎng)設置的一門基礎課程，涵蓋了人體解剖學、組織胚胎學、生物化學與分子生物學、生理學、遺傳學、病原生物學、免疫學、病理學等多門課程的內(nèi)容。為適應教學發(fā)展的需要，幫助學生了解醫(yī)學全貌，掌握必要的醫(yī)學基礎知識，自2009年以來，廣西中醫(yī)藥大學護理學、藥學、中藥學、口腔醫(yī)學、醫(yī)藥營銷等專業(yè)開設了此門課程。由于課程知識跨度大，涵蓋的內(nèi)容廣，學生基礎知識薄弱，在學習過程中普遍感到理解困難，所以通過實驗教學鞏固基礎知識，加深學生對相關知識的理解，掌握醫(yī)學實驗、檢驗及基本診療方法，就顯得特別重要。

一、基礎醫(yī)學概論實驗課的意義和存在的問題

（一）基礎醫(yī)學概論實驗課在教學中的意義。醫(yī)學基礎的各類課程大多實驗性很強，許多學術理論，各種學說、設想和結論都是從實驗結果得出的，并不斷通過重復實驗得到驗證?；A醫(yī)學概論作為一門將基礎醫(yī)學領域里的多個學科密切聯(lián)系起來的綜合性課程，實驗課的開設是為了加強多學科知識間的相互關聯(lián)性，使形態(tài)與功能、基礎與臨床之間的內(nèi)容有機結合，這不僅是提高教學質量的重要手段，也是一個培養(yǎng)學生的思維能力、實踐操作能力和科研創(chuàng)新能力的重要平臺。

（二）基礎醫(yī)學概論實驗課存在的問題。目前，我?；A醫(yī)學概論實驗課的授課量只占20學時，相比起其豐富的理論教學內(nèi)容來說，實驗課時偏少，造成部分實驗課的內(nèi)容得不到學習，學生學得不精，教學質量難以保證。實驗內(nèi)容主要以人體解剖學、生化學和生理學等學科的基礎性、驗證性實驗為主，缺少綜合性、設計性實驗，不利于學生職業(yè)技能的培養(yǎng)。實驗教學的手段和形式比較單一，一般都是教師先講解實驗步驟，然后學生機械式地照做，缺乏對實驗設計的思考，這在培養(yǎng)學生自主學習的能力與創(chuàng)新能力方面存在缺陷。另外，隨著高校招生規(guī)模的擴大，實驗儀器、設備耗材等教學資源相對不足的問題逐漸凸顯，使得一些有特殊生物安全要求的實驗沒有機會進行，造成學生對這方面知識的掌握薄弱。

基于上述基礎醫(yī)學概論實驗教學中存在的問題，構建一個既能節(jié)約成本、降低實驗資源消耗，又能豐富拓展實驗教學內(nèi)容的虛擬仿真實驗教學平臺，對減輕高校教學資源的壓力、豐富實驗教學的內(nèi)容、提高學生對實驗課的興趣和增強學生實踐能力的培養(yǎng)具有重要的意義。

二、基于虛擬仿真實驗改革基礎醫(yī)學概論實驗教學

（一）廣西中醫(yī)藥大學開展虛擬仿真實驗教學的基礎。2016年，廣西中醫(yī)藥大學整合解剖學虛擬實驗、機能學虛擬實驗、病原微生物學虛擬實驗、形態(tài)學虛擬實驗、細胞與分子生物學、醫(yī)學化學、護理學虛擬實驗、中醫(yī)學虛擬實驗、藥學虛擬實驗、生命科學、臨床前基礎醫(yī)學綜合案例思維訓練等教學資源，建立了涵蓋基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學、護理學、中醫(yī)學、藥學等多學科的自治區(qū)級中（壯）醫(yī)藥虛擬仿真實驗教學中心。該中心是廣西中醫(yī)藥大學中西部高?；A能力建設項目—— 中醫(yī)藥壯瑤醫(yī)藥實驗教學中心的重要組成部分，也是作為醫(yī)學院校真實實驗的有力補充，它豐富了實驗教學資源，有效地補充了學校部分真實實驗暫不具備的條件，提供了可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目，并可突破時間和空間的限制，便于學生安排好自己的學習時間，強化了學生對醫(yī)藥學實驗知識的學習，搭建了共享的實驗資源平臺，值得推廣應用。

（二）優(yōu)化基礎醫(yī)學概論實驗教學的內(nèi)容。傳統(tǒng)的實驗課教學主要以驗證醫(yī)學理論、演示實驗現(xiàn)象為主要內(nèi)容，缺乏系統(tǒng)性，制約了各學科之間知識的交叉融合，與大學生素質教育的培養(yǎng)不符合。因此，根據(jù)醫(yī)學相關類專業(yè)人才培養(yǎng)的專業(yè)特點和教學要求，以培養(yǎng)學生的素質和能力為目標，我們把基礎醫(yī)學概論實驗設計為從基礎到前沿、從接受知識到能力培養(yǎng)的教學內(nèi)容，包括基礎性實驗、綜合性實驗與設計性實驗。

1.基礎性實驗。主要包括各學科最基本的實驗操作和技能，由觀察與驗證實驗組成，要求學生掌握解剖學形態(tài)和組織學結構，然后在掌握形態(tài)結構的基礎上理解各系統(tǒng)的機能及其調(diào)節(jié)，根據(jù)我校中（壯）醫(yī)藥虛擬仿真實驗教學中心不同學科的實驗分類，挑選以下內(nèi)容開展虛擬實驗教學：①進入解剖學虛擬實驗室，進行三維人體觀察（包括皮膚、肌肉、關節(jié)、骨骼、內(nèi)臟、心血管、淋巴、神經(jīng)等）以及大體標本觀察（包括脊柱、關節(jié)、肌組織、各系統(tǒng)器官等），掌握正常人體各系統(tǒng)組織器官的基本形態(tài)結構。②進入細胞與分子生物學虛擬實驗室，學習細胞基本結構的普通光鏡觀察和分析，為光學顯微鏡的使用打下基礎;學習移液槍的使用，掌握正確使用移液槍進行移液的方法。③進入形態(tài)學虛擬實驗室，從微觀層面認識人體各系統(tǒng)器官的組織結構，為將來的病理學、診斷學、內(nèi)科學、外科學等知識的學習打好基礎。④進入機能學虛擬實驗室，學習家兔的基本操作綜合實驗：包括術前準備，氣管、頸動脈、頸外靜脈插管，中心靜脈壓測定，頸部迷走神經(jīng)、交感神經(jīng)、降壓神經(jīng)的分離等技術;學習大鼠手術實驗操作：包括大鼠的抓取與固定、分組與編號、給藥方法、麻醉、取血、主要臟器識別、處死等方法;學習蟾蜍手術實驗操作：包括術前準備、離體心臟制備、神經(jīng)肌肉標本制備、神經(jīng)干標本制備等方法。只有掌握好以上動物實驗操作的基本技術，才能進行下一步機能類動物實驗的學習。接下來我們選擇幾個代表性好、理論知識典型、內(nèi)容比較重要，學生也普遍感興趣的呼吸、心血管及神經(jīng)系統(tǒng)的相關實驗內(nèi)容，主要包括：呼吸運動的調(diào)節(jié)，心血管活動的調(diào)節(jié)，動脈血壓的調(diào)節(jié)及減壓神經(jīng)放電實驗，中樞神經(jīng)系統(tǒng)實驗等。通過這些實驗的學習，達到鞏固理論知識，掌握機能學基本的實驗操作技術，也為今后診斷、外科的各項操作打下良好的實踐基礎。

2.綜合性實驗。實驗設計體現(xiàn)綜合性，內(nèi)容涉及一門課程的兩個主要章節(jié)以上的多個知識點或兩門以上相關課程的綜合知識，學生需要應用這些不同的知識和技能方可完成實驗。比如機能學虛擬實驗室里的多因素對呼吸功能調(diào)節(jié)的綜合實驗，實驗目的有兩個，一是通過模擬氣道阻力與死腔氣量增加、吸入氮氣和二氧化碳、酸與堿的中毒、氣胸、肺水腫、藥物等影響外呼吸功能;二是觀察與分析多種因素對呼吸運動的影響，以及呼吸運動改變時血氣變化與心血管系統(tǒng)的相應改變。這項綜合性實驗涉及實驗動物學、解剖學、生理學、生物化學、藥理學等多個學科的相關知識，多學科的知識綜合在一起，為完成共同的實驗目的服務。又如機能學虛擬實驗室里的離體心臟灌流綜合實驗、微循環(huán)灌流與血液動力學綜合實驗、坐骨神經(jīng)—— 縫匠肌綜合實驗、影響尿液的生成綜合實驗等都屬于這一類實驗。對于醫(yī)學相關專業(yè)的學生，我們建議學生選三項自己感興趣的實驗進行學習，這些綜合性實驗能進一步強化學生的實驗操作技能，提高學生綜合運用知識和技能分析問題、解決問題的能力。

3.設計性實驗。是對擬定的研究目標進行的一種具有新見解或創(chuàng)新性的實驗，它體現(xiàn)了“以學生為主體，教師為主導，以知識傳授為基礎，學生能力培養(yǎng)為核心”的教學理念。根據(jù)我校中（壯）醫(yī)藥虛擬仿真實驗教學中心已有的虛擬實驗教學資源，我們擬定幾個仿真虛擬實驗讓學生自學，然后學生根據(jù)自學內(nèi)容自選題目、查閱文獻資料、設計實驗方案、分組參與實驗討論。比如教師擬定的仿真虛擬實驗有：大蒜素體外抑菌實驗、ABO血型的鑒定、用PH計測定醋酸的電離常數(shù)的實驗操作。學生利用校園網(wǎng)在線學習細胞與分子生物學虛擬實驗：大蒜素體外抑菌實驗，掌握細菌培養(yǎng)基的制備方法、細菌的密集劃線接種方法以及大蒜素抑菌環(huán)的敏感度判斷方法，然后根據(jù)所學的實驗知識舉一反三，觸類旁通，自己設計“不同中藥的抑菌作用”實驗方案。通過學習機能學虛擬實驗：ABO血型的鑒定，掌握血型測定、消毒采血的操作方法以及正確判讀血型鑒定結果的方法，然后根據(jù)這些知識設計“同學間ABO血型的鑒定”實驗。通過學習醫(yī)學化學虛擬實驗：用PH計測定醋酸的電離常數(shù)的實驗操作，掌握PH法測定醋酸電離常數(shù)的原理和方法，學會使用PH計，根據(jù)所學的實驗知識設計“唾液淀粉酶最適PH值的測定”實驗等。有問題或有困難可以查閱文獻資料，在線上詢問老師，線下分組討論解決。設計性實驗讓學生通過自選題目、查閱相關文獻資料、設計實驗方案、分組參與討論等，提高了學生的自學能力和創(chuàng)造性思維能力，同時，設計性實驗以實驗小組為單位，共同參與討論實施，使學生在學習知識的同時也培養(yǎng)了團隊協(xié)作的精神，增強了溝通合作及協(xié)調(diào)能力。

（三）改革實驗教學的方法和手段。傳統(tǒng)的基礎醫(yī)學概論實驗教學方法是教師先講授實驗內(nèi)容，然后學生按照老師的操作重復實驗即可，這種教學方法形式較單一，造成學生過于依賴老師，普遍缺乏興趣，不利于學生創(chuàng)造性思維和能力的培養(yǎng)。為此，我們在傳統(tǒng)教學方法的基礎上引入“以問題為基礎”的學習方法（Problem-based learning，PBL），比如在學習組織胚胎學的相關知識時，要從微觀層面認識人體各系統(tǒng)器官的組織結構，這就要求學生首先要學會使用顯微鏡，教師可以在相關理論課講授結束時提出幾個問題：同學們，你們了解顯微鏡的構造及其正確的使用方法嗎？假如給你人體某一器官的組織切片，你能用顯微鏡觀察它的結構并準確判斷出它是什么器官的組織嗎？然后讓同學們帶著這些問題，利用課余時間登錄我校中（壯）醫(yī)藥虛擬仿真實驗教學中心系統(tǒng)，自學相關實驗內(nèi)容，獲得一個感性的綜合的認識，這樣在后期真實的實驗課過程當中，就可以縮減教師示教的時間，教師可以騰出更多的時間指導實驗有困難或有問題的同學，參與指導學生實驗小組的實驗討論，促進師生之間的互動交流，調(diào)動學習氣氛，培養(yǎng)學生團隊合作的精神。此外，教師還可以及時引導學生思考總結實驗原理、優(yōu)化時間條件、甚至設計新的實驗，使實驗教學進一步向縱深拓展，這樣培養(yǎng)了學生獨立思考、舉一反三的創(chuàng)新能力。

（四）改革實驗教學的考核。實驗考核是對實驗教學效果的檢驗和反饋，改革舊的、教條的、單一的考核方式，建立多元化的考核方式，是“以學生為中心”的教育理念的需要。我們將學生所學的相關虛擬仿真實驗的章節(jié)測試成績，納入平時實驗成績，加上實驗報告、實驗技能操作以及實驗設計方案等，從這幾個方面綜合評價學生的實驗成績，并且提高實驗成績的比重，實驗成績應至少占到期末總成績的30%。

三、虛擬仿真實驗教學的運用所取得的初步成效

我們將2016級藥學專業(yè)的236名學生的基礎醫(yī)學概論實驗采用了改革后的課程內(nèi)容設置。改革后的實驗教學內(nèi)容涉及解剖學、組織胚胎學、生物化學、機能學、微生物與免疫學等各個學科，遵循了從基礎到前沿、由淺入深、從接受知識到運用能力培養(yǎng)的學習過程，整體實驗安排循序漸進，全面性、綜合性和實用性更強。

學生利用虛擬仿真實驗系統(tǒng)反復模擬實驗操作，對實驗原理的理解和掌握得到加強，提高了實驗教學的質量。學生可不受時間和空間的限制，在課后或假期進行實驗，減少了真實實驗儀器操作前的準備和檢測時間，把有限的時間留給具體的實驗操作，提高了實驗效率。實驗項目虛擬化后，使得教學效果不變，卻不消耗實驗資源，大大節(jié)約了實驗成本。虛擬仿真實驗補充了真實實驗不具有的新技能和新技術項目，豐富拓展了實驗教學的內(nèi)容，提高了學生對實驗課的興趣。學生在實驗知識學習過程中的主體性有所加強，其自學能力、理解能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和團隊合作能力均有顯著的提高。教師在課堂上擔任的角色也發(fā)生了翻轉，由知識的傳授者變成了教學資源的開發(fā)者、教學的指導者和幫助者。師生之間得到良好的互動交流，活躍了課堂氣氛，增強了學生的學習興趣。

隨著信息化時代的發(fā)展，虛擬仿真實驗教學必將成為高校實驗教學的重要組成部分。國內(nèi)外很多高校已經(jīng)開發(fā)構建了醫(yī)學虛擬仿真實驗教學中心，用于醫(yī)學領域的教學和科研，可見其應用前景廣闊，必將成為當前實驗教學改革的熱點。

實踐證明，將虛擬仿真實驗教學應用在基礎醫(yī)學概論實驗教學中，符合該課程實驗教學改革的方向，將為醫(yī)學相關專業(yè)的實驗教學開辟新的天地。目前，利用虛擬仿真實驗教學補充完善基礎醫(yī)學概論的實驗教學改革還處于探索階段，在實驗教學過程中，還需要我們不斷努力，為培養(yǎng)具有良好的創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質人才提供一個廣闊的醫(yī)學實驗教學平臺。

【參考文獻】

[1]趙琪，孫紅，孫艷梅，等.基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺構建研究[J].實驗技術與管理，2016（11）

[2]馮軍，胡曉松.虛擬仿真技術在醫(yī)學實驗教學中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2015（20）

[3]劉黎青.基礎醫(yī)學概論[M].北京：中國中醫(yī)藥出版社，2017

[4]彭岳，趙鐵建，孫雪蓮.高職醫(yī)學相關專業(yè)醫(yī)學基礎實驗課程設置改革的探討[J].廣西中醫(yī)藥大學學報，2015（1）

[5]田運生，劉維華，王景春，等.綜合性設計性實驗項目建設的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2012（2）

[6]盧瓊，陳薈婷，尹立，等.開放式設計性實驗教學對醫(yī)學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)[J].當代醫(yī)學，2010（10）

[7]李忠玉，劉良專，梁瑜，等.多層次綜合性醫(yī)學虛擬仿真實驗教學中心的建設與成效分析[J].實驗技術與管理，2016（9）

[8]王燕，車敏，楚慧媛.中醫(yī)院校建設基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J].甘肅中醫(yī)學院學報，2015（2）

[9]劉瓊，張韋深，付裕，等.醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺建設的探索[J].高校醫(yī)學教學研究，2016（2）