虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考※

劉天華 郭 健 李海燕 程 薇 朱慶文 張 勝 高 蔚

(北京中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)學(xué)院，北京 100029)

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室概述

虛擬實(shí)驗(yàn)室(virtual laboratory)的概念最早由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的 William Wolf教授在1989年提出，將其用來(lái)描述一種可以綜合各項(xiàng)工具技術(shù)，讓用戶(hù)突破時(shí)間和空間的限制，自由共享數(shù)據(jù)、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放化平臺(tái)［1］。近年來(lái)，虛擬實(shí)驗(yàn)室作為一種新型教學(xué)模式，受到了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)和高等院校的關(guān)注。其可以利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)的測(cè)定和實(shí)驗(yàn)操作的練習(xí)［2-4］。

國(guó)外對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與使用的研究起步較早，早在1985年美國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)圖書(shū)館便已對(duì)人體解剖圖像數(shù)字化進(jìn)行研究，并開(kāi)展了虛擬解剖學(xué)、虛擬放射學(xué)、虛擬內(nèi)窺鏡學(xué)等學(xué)科的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起與普及，1995年網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖實(shí)驗(yàn)”，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者可以利用虛擬操作手術(shù)刀對(duì)青蛙進(jìn)行解剖等實(shí)驗(yàn)操作，并且可直接地觀察到青蛙的肌肉骨骼等組織結(jié)構(gòu)［5］。我國(guó)對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與使用的研究相比國(guó)外起步較晚，但近年來(lái)已取得長(zhǎng)足發(fā)展［6］。2013年啟動(dòng)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)戰(zhàn)略，為國(guó)內(nèi)高等醫(yī)學(xué)院校虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展提供了良好的契機(jī)。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

生理學(xué)作為醫(yī)學(xué)院校重要的基礎(chǔ)課程之一，旨在研究人體正常功能活動(dòng)的發(fā)生過(guò)程和變化規(guī)律并揭示其發(fā)生機(jī)制。通過(guò)生理學(xué)課程的學(xué)習(xí)，可以為后續(xù)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。生理學(xué)實(shí)驗(yàn)作為生理學(xué)課程的重要組成部分，不僅對(duì)學(xué)生理解和掌握生理學(xué)的理論知識(shí)具有重要的輔助作用，且有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理能力及表達(dá)能力［7］。

遺憾的是，在高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)失敗的情況時(shí)有發(fā)生。以家兔動(dòng)脈血壓的神經(jīng)、體液調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)為例，需要學(xué)生完成家兔的頸部手術(shù)并進(jìn)行頸總動(dòng)脈插管，學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往由于對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟不熟悉，對(duì)實(shí)驗(yàn)理解不到位，以及實(shí)驗(yàn)操作不熟練等原因而發(fā)生動(dòng)脈遠(yuǎn)心端結(jié)扎不緊、動(dòng)脈近心端夾閉不緊、動(dòng)脈插管刺穿血管、動(dòng)脈插管脫出等情況，處理不及時(shí)則會(huì)引起實(shí)驗(yàn)動(dòng)物大失血，造成動(dòng)物死亡。這便要求學(xué)生在課前需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程了然于胸，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)做到心中有數(shù)。加之，由于受到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、教學(xué)時(shí)間等多方面因素的限制，很難保證每一位同學(xué)在所有實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。而在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室，不僅可以借助先進(jìn)的信息科學(xué)技術(shù)，為學(xué)生創(chuàng)造虛擬的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及對(duì)象，還可通過(guò)虛擬的方式引導(dǎo)學(xué)生按照相應(yīng)的流程及操作規(guī)范完成實(shí)驗(yàn)的具體操作任務(wù)。此外，還可通過(guò)虛擬的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的生理學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行展現(xiàn)，并且能根據(jù)學(xué)生的實(shí)際操作情況及時(shí)給予反饋。故高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作尤為重要。

在高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室主要具有以下優(yōu)勢(shì)［3，5］：(1)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有較高的應(yīng)用自由度。學(xué)生在使用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行生理學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以不受時(shí)空限制，隨時(shí)隨地參與和獲取相關(guān)的教學(xué)資源，方便學(xué)生利用課余時(shí)間實(shí)現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)。(2)虛擬實(shí)驗(yàn)室可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生可以通過(guò)觀看視頻、圖片、動(dòng)畫(huà)等，直觀、形象地理解和掌握相應(yīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理和操作流程等?nèi)容，增強(qiáng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性和有效性。借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，可以幫助學(xué)生切實(shí)感受到由于各種實(shí)驗(yàn)操作所造成的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生理反應(yīng)，能夠加深其對(duì)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)，極大程度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生參與生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性與主動(dòng)性。(3)虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用可以提高生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全系數(shù)。在傳統(tǒng)的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一直存在著由于操作不當(dāng)?shù)仍蚴沟脤W(xué)生人身安全和儀器設(shè)備等財(cái)產(chǎn)安全受到威脅的危險(xiǎn)。在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室，不僅保障了在其使用過(guò)程中不會(huì)存在相應(yīng)的潛在威脅，亦可以幫助學(xué)生進(jìn)一步了解實(shí)驗(yàn)儀器、熟悉實(shí)驗(yàn)流程、掌握實(shí)驗(yàn)步驟，有利于在進(jìn)行傳統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)避免事故的發(fā)生。

3 高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用評(píng)價(jià)體系構(gòu)建建議

在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室，無(wú)需實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，無(wú)需實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，即可幫助學(xué)生理解和掌握實(shí)驗(yàn)的原理、步驟及結(jié)果。預(yù)期其可以幫助學(xué)生完成對(duì)相關(guān)知識(shí)的預(yù)習(xí)、熟悉、理解及強(qiáng)化，輔助教師的實(shí)踐教學(xué)，發(fā)揮優(yōu)化生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的作用。然而，在虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用過(guò)程中，如何基于高等醫(yī)學(xué)院校的實(shí)際情況，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行科學(xué)、合理、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，是目前虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中面臨的重要問(wèn)題之一。

對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用效果進(jìn)行科學(xué)、合理、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，可以反映應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際教學(xué)質(zhì)量，是促進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的重要方法和手段，亦可為生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)提供新的依據(jù)。然而，目前對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用效果評(píng)價(jià)的研究報(bào)道相對(duì)較少，劉旭光［8］曾根據(jù)非常規(guī)性原則、定量評(píng)價(jià)為主原則和學(xué)生為中心原則進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；劉玉娟等［9］曾依據(jù)層析分析法對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)估進(jìn)行研究。

對(duì)于高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)，不僅需要借鑒傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)估的思想，還需要基于虛擬實(shí)驗(yàn)室本身的特點(diǎn)，不斷探索和完善相關(guān)理論和體系［10］。這就要求在對(duì)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，既要基于學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)際使用的反饋數(shù)據(jù)，結(jié)合高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)際特點(diǎn)，建立和完善科學(xué)、合理的定量評(píng)價(jià)體系，又要考慮生理學(xué)實(shí)驗(yàn)一線帶教教師對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用效果的定性評(píng)價(jià)分析結(jié)果，以期系統(tǒng)、綜合地分析和探討應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)提升高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果所發(fā)揮的作用。

綜合文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果及虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)際使用特點(diǎn)，高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用效果定量評(píng)價(jià)體系需要充分考慮虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)、學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際使用情況和學(xué)生獲得的評(píng)價(jià)性成績(jī)?nèi)蠓矫?；①建議納入虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)際使用過(guò)程中具體的故障報(bào)錯(cuò)次數(shù)、最大并發(fā)數(shù)及兼容性；②建議納入學(xué)生的實(shí)際參與率、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的次數(shù)以及每次實(shí)驗(yàn)的具體時(shí)間；③建議納入評(píng)價(jià)性成績(jī)環(huán)節(jié)的及格率、優(yōu)秀率、平均分以及具體的實(shí)驗(yàn)成績(jī)分布情況等多個(gè)指標(biāo)。此三方面以期科學(xué)、定量的對(duì)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，獲得分析結(jié)果報(bào)告。

在定性評(píng)價(jià)分析環(huán)節(jié)，建議通過(guò)訪談等多種形式，取得一線生理學(xué)實(shí)驗(yàn)帶教教師對(duì)先前未使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生與使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的掌握程度、實(shí)驗(yàn)步驟的熟悉程度、實(shí)驗(yàn)的成功率等方面差別的定性評(píng)價(jià)結(jié)果，并進(jìn)行縱向比較和整理、分析。最終，結(jié)合定量評(píng)價(jià)體系分析結(jié)果報(bào)告以及定性評(píng)價(jià)結(jié)果，獲得虛擬實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化高等學(xué)校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系的具體結(jié)果結(jié)論。

4 結(jié)語(yǔ)

生理學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是基于一種投入少、產(chǎn)出高、實(shí)現(xiàn)資源共享的全新教學(xué)理念，利用計(jì)算機(jī)軟件建立與教學(xué)相關(guān)的一種信息化和網(wǎng)絡(luò)化的虛擬生理學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生可以通過(guò)虛擬的方式進(jìn)行生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。高等學(xué)校在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室有助于實(shí)現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣，并且可以幫助學(xué)生進(jìn)一步熟悉和掌握實(shí)驗(yàn)的原理、儀器設(shè)備的使用方法以及實(shí)驗(yàn)操作的具體步驟等內(nèi)容，是高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

對(duì)于高等學(xué)校在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際效果評(píng)價(jià)，需要建立和完善科學(xué)、合理的定量評(píng)價(jià)體系，并綜合定量評(píng)價(jià)體系的分析結(jié)果報(bào)告以及生理學(xué)實(shí)驗(yàn)一線帶教教師對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用效果的定性評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)行全面、系統(tǒng)地分析。分析和探究應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)提升高等醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果所發(fā)揮的作用，可以為進(jìn)一步優(yōu)化生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與方法提供指導(dǎo)，具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。