基于虛擬仿真技術(shù)的藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探索①

張斌 馬劍峰 陳琳 易凡

(1.山東大學(xué)齊魯醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)系 山東濟(jì)南 250012；2.山東大學(xué)齊魯醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 山東濟(jì)南 250012)

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)首頁（五大模塊）

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小模塊設(shè)置

藥理學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)科，是高等醫(yī)學(xué)教育的必修課，為培養(yǎng)優(yōu)秀醫(yī)學(xué)人才發(fā)揮著舉足輕重的作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是藥理學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作、問題處理能力，培養(yǎng)學(xué)生的觀察分析、開拓創(chuàng)新能力，以及幫助他們形成善于思索、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度都至關(guān)重要。多年來，藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直采取傳統(tǒng)模式，即上課時(shí)首先由教師講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按照教師要求及教材說明，通過實(shí)際操作獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并在課后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種模式在教學(xué)中的作用毋庸置疑，但也有其不足之處、存在著一些弊端，從而削弱了學(xué)習(xí)效果。2016年，國務(wù)院關(guān)于高等教育改革與發(fā)展工作情況的報(bào)告指出“教育質(zhì)量是高等教育的核心，要實(shí)現(xiàn)高等教育大而強(qiáng)，必須把提高質(zhì)量放在重要位置，推動(dòng)以提高質(zhì)量為中心的高等教育發(fā)展轉(zhuǎn)型”。近年來，隨著科技的迅猛發(fā)展、隨著教學(xué)改革的大力推進(jìn)，智能化、網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)形式已不斷涌現(xiàn)。在現(xiàn)代教學(xué)條件下，傳統(tǒng)的藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式亟需向信息化、多元化發(fā)展，應(yīng)盡力為學(xué)生提供更多、更好的學(xué)習(xí)資源，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)優(yōu)秀醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)[1]。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的局限性

藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)以動(dòng)物操作及藥效觀察為主，受客觀條件所限，傳統(tǒng)模式在許多方面存在不足，例如實(shí)驗(yàn)場地狹小、人均占有資源少、學(xué)生完整獨(dú)立的操作機(jī)會(huì)少，有些涉及國家管制藥品的實(shí)驗(yàn)由于存在安全隱患而無法自如開展，實(shí)驗(yàn)失敗或結(jié)果不理想使學(xué)生產(chǎn)生挫敗感，等等。這些問題使一些有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)成為一種擺設(shè)，使寶貴的學(xué)習(xí)資源不能得到充分利用，也就無法很好的發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)有作用。

圖3 加入藥液的演示界面

圖4 藥效曲線的演示界面

《苯海拉明的拮抗參數(shù)pA2的測定》是藥理學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一，利用離體豚鼠回腸標(biāo)本，觀察抗組胺藥苯海拉明（DH）對(duì)組胺（HA）收縮回腸平滑肌的競爭性拮抗作用，使學(xué)生掌握藥物效應(yīng)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，掌握離體器官的實(shí)驗(yàn)方法及拮抗參數(shù)的計(jì)算方法[2]。目前，本實(shí)驗(yàn)多以傳統(tǒng)教學(xué)模式開展，學(xué)生4～5人一組，分工合作。但受動(dòng)物個(gè)體差異、學(xué)生操作技能、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性等的影響，有時(shí)難以獲得準(zhǔn)確的量效曲線圖形，即與教科書上的理論描述不完全一致，從而使學(xué)生產(chǎn)生困惑，自信心受到打擊；其次，苯海拉明拮抗參數(shù)的推導(dǎo)演算過程較為復(fù)雜，在有限的課堂時(shí)間內(nèi)，教師無法全面深入地進(jìn)行解析，在一定程度上導(dǎo)致學(xué)生“只知其然，不知其所以然”現(xiàn)象的發(fā)生，不利于他們對(duì)核心知識(shí)的真正掌握；再次，由于本實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)習(xí)競爭性拮抗藥具有極好的啟發(fā)闡釋作用，學(xué)生希望在復(fù)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)能夠隨時(shí)回顧實(shí)驗(yàn)過程以加深理解，而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一過性的，課后學(xué)生不再有機(jī)會(huì)進(jìn)入同一課堂自行溫習(xí)。由此可見，在科技高速發(fā)展的當(dāng)代，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭砸患褐σ褵o法滿足高質(zhì)量的教學(xué)目標(biāo)，新型教學(xué)模式的有效實(shí)施是新時(shí)代背景下人才培養(yǎng)的迫切需求。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

2018年，《求是》雜志刊文“深入學(xué)習(xí)貫徹黨的十九大精神，全面開創(chuàng)教育改革發(fā)展新局面”，指出積極推進(jìn)教育信息化，穩(wěn)步提升教育質(zhì)量，發(fā)展具有中國特色、世界水平的現(xiàn)代教育[3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即是信息技術(shù)推動(dòng)教學(xué)改革發(fā)展的結(jié)果，正如教育部在《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》中所述“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措”[4]。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有許多優(yōu)勢[5-7]：(1) 采用人機(jī)互動(dòng)方式，通過交互操作逐步完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，系統(tǒng)可跟蹤記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)情況給予評(píng)價(jià)，學(xué)生可及時(shí)得到反饋并進(jìn)行反思，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)習(xí)。(2) 實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰標(biāo)準(zhǔn)、形象生動(dòng)，令人印象深刻，利于學(xué)生掌握科學(xué)準(zhǔn)確的相關(guān)知識(shí)。(3) 不受時(shí)間和空間的制約，學(xué)生可隨時(shí)隨地登錄系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)，單人單機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，并可根據(jù)需要進(jìn)行回顧復(fù)習(xí)。(4) 安全便捷，使一些有毒有害、復(fù)雜的、周期過長的實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)，開闊學(xué)生視野。(5) 無需實(shí)體動(dòng)物、試劑和耗材，無需實(shí)驗(yàn)場地和設(shè)備，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，也易于拓展新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且還可借助互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資源共享。虛擬實(shí)驗(yàn)在激發(fā)學(xué)生求知欲、培養(yǎng)創(chuàng)造性思維等方面都有其獨(dú)到優(yōu)勢，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了積極的作用，更在疫情期間成為唯一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段幫助廣大學(xué)子在家里完成了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)。

圖5 量效曲線的演示界面

圖6 拮抗參數(shù)計(jì)算的界面

3 《苯海拉明的拮抗參數(shù)pA2的測定》虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

我們將虛擬技術(shù)和定量仿真分析相結(jié)合，構(gòu)建完成了“苯海拉明的拮抗參數(shù)pA2的測定”這一藥物效應(yīng)動(dòng)力學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足。本虛擬實(shí)驗(yàn)由“實(shí)驗(yàn)簡介”、“模擬操作”、“實(shí)驗(yàn)波形”、“數(shù)據(jù)分析”、“思考題”五大模塊組成（見圖1）?！澳M操作”模塊從儀器準(zhǔn)備、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、波形定標(biāo)，到組織標(biāo)本的制備懸掛，步步推進(jìn)?！皩?shí)驗(yàn)波形”模塊將標(biāo)準(zhǔn)的原始圖形結(jié)果一一呈現(xiàn)。“數(shù)據(jù)分析”模塊引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)拮抗參數(shù)pA2的演算過程?！八伎碱}”模塊圍繞實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)內(nèi)容啟發(fā)學(xué)生思考。通過與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及理論課的結(jié)合，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效果。下面我們對(duì)各模塊的功能進(jìn)行介紹。

3.1 實(shí)驗(yàn)簡介模塊

無論是線下實(shí)操還是網(wǎng)上虛擬，對(duì)學(xué)生而言，一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌瓿?，并從中獲得最大化的學(xué)習(xí)收益，都與正式實(shí)驗(yàn)前對(duì)該實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知程度密切相關(guān)。因此，實(shí)驗(yàn)簡介是構(gòu)建本虛擬實(shí)驗(yàn)的首要組成。本模塊中，我們圖文并茂詳細(xì)地介紹了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)器材與藥品、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)。學(xué)生完全可以脫離書本教材，在課前登錄系統(tǒng)預(yù)習(xí)了解，清楚實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及應(yīng)該達(dá)成的學(xué)習(xí)目標(biāo)，當(dāng)遇到疑點(diǎn)難點(diǎn)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況主動(dòng)查閱資料，做到心中有數(shù)，正式實(shí)驗(yàn)時(shí)才能夠有備而來、化被動(dòng)為主動(dòng)，而非單純刻板的操作。通過實(shí)驗(yàn)簡介模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)有一個(gè)整體的前期認(rèn)識(shí)，是保證實(shí)驗(yàn)良好效果的重要部分。

3.2 模擬操作模塊

模擬操作模塊包括實(shí)驗(yàn)步驟的大部分內(nèi)容。按照操作順序，被分解細(xì)化為儀器準(zhǔn)備、信號(hào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、波形定標(biāo)、豚鼠處死固定、開腹取回腸、回腸沖洗剪段、懸掛標(biāo)本共7個(gè)小模塊（見圖2）。本著還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景的原則，每個(gè)小模塊都設(shè)計(jì)了生動(dòng)逼真的虛擬動(dòng)畫演示，并輔以字幕標(biāo)注及配音解說。學(xué)生可根據(jù)系統(tǒng)提示，點(diǎn)擊鼠標(biāo)循序漸進(jìn)地獨(dú)立完成整個(gè)操作，也可以根據(jù)自身需要，隨意選擇任一小模塊，反復(fù)進(jìn)行某一步驟的練習(xí)。例如，標(biāo)本的懸掛是本實(shí)驗(yàn)中較難掌握的步驟，涉及線鉤和金屬鉤的使用、調(diào)節(jié)氣流等影響實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵步驟，學(xué)生可以通過反復(fù)演練直到真正掌握為止。此外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程還設(shè)有暫停鍵、重啟鍵，并有小測試穿插其中，學(xué)生實(shí)時(shí)回答，系統(tǒng)即刻反饋并指出正誤。靈活可控的操作界面、人機(jī)交互的操作模式，方便了學(xué)生按需學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，不僅幫助他們掌握離體組織器官的實(shí)驗(yàn)方法、加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，也利于激發(fā)他們的探究意識(shí)和思考能力，使學(xué)（學(xué)習(xí)）、做（操作）、思（思索）、析（分析）有機(jī)融合，理論和實(shí)驗(yàn)交相呼應(yīng)，提高學(xué)習(xí)成效。

3.3 實(shí)驗(yàn)波形模塊

實(shí)驗(yàn)波形模塊為實(shí)驗(yàn)步驟中觀察藥物效應(yīng)的部分，在模擬操作（系統(tǒng)調(diào)試及回腸標(biāo)本制備）后即可進(jìn)行，是記錄回腸收縮曲線的過程模擬?？芍苯狱c(diǎn)擊平臺(tái)首頁的“實(shí)驗(yàn)波形”按鈕（見圖1）進(jìn)入模塊，也可以點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小模塊界面中的“加藥觀察回腸收縮曲線并記錄波形”按鈕（見圖2）進(jìn)入。按照操作提示，用移液器吸取不同濃度的組胺或苯海拉明溶液注入到回腸所在的浴管營養(yǎng)液中（見圖3），隨著藥物含量的累積，藥效曲線也相應(yīng)出現(xiàn)，強(qiáng)度逐步增強(qiáng)，波形清晰而標(biāo)準(zhǔn)（見圖4），很好地闡釋了理論課上所學(xué)的知識(shí)。這種虛擬仿真的圖形有助于學(xué)生對(duì)組胺收縮腸平滑肌及苯海拉明拮抗作用的理解，也使他們對(duì)藥物的量效關(guān)系及藥物與受體的相互作用有了更直觀的認(rèn)識(shí)。理想的原始圖形、形象的藥理效應(yīng)，使學(xué)生在操作過程中真切地感受到理論在實(shí)驗(yàn)中的完美體現(xiàn)，收獲成功的喜悅，從而有效提升學(xué)習(xí)效果及進(jìn)一步探究的學(xué)習(xí)熱情。

3.4 數(shù)據(jù)分析模塊

完成實(shí)驗(yàn)波形（回腸收縮曲線）的記錄之后，學(xué)生即可得到第一手的原始圖形結(jié)果。接下來進(jìn)入數(shù)據(jù)分析模塊，對(duì)原始圖形進(jìn)行分析以獲得本實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果——組胺的量效曲線和苯海拉明的拮抗參數(shù)。可直接點(diǎn)擊平臺(tái)首頁的“數(shù)據(jù)分析”按鈕（見圖1），或點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小模塊界面中的“組胺的量效曲線繪制”和“拮抗參數(shù)計(jì)算”按鈕進(jìn)入本模塊（見圖2）。按照實(shí)驗(yàn)記錄表中組胺濃度的對(duì)數(shù)值及對(duì)應(yīng)的回腸收縮幅度，繪制量效曲線（見圖5），通過與原始圖形的比較，幫助學(xué)生理解量效曲線的概念和含義，并由“量效曲線平行右移而最大效應(yīng)不變”的典型結(jié)果進(jìn)一步鞏固苯海拉明對(duì)組胺具有競爭性拮抗作用的理論知識(shí)。拮抗參數(shù)的計(jì)算是在學(xué)生充分了解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過詳細(xì)演示雙倒數(shù)變換等過程，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理，前后呼應(yīng)，學(xué)會(huì)拮抗參數(shù)的測定方法（見圖6）。此外，本模塊還幫助學(xué)生延伸學(xué)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)他們學(xué)習(xí)運(yùn)用Excel進(jìn)行量效曲線繪制及直線回歸運(yùn)算的興趣，使學(xué)生在收獲專業(yè)知識(shí)的同時(shí)獲得更多有價(jià)值的技能。

3.5 思考題模塊

為考察學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握情況、幫助他們查漏補(bǔ)缺，特設(shè)置“思考題”模塊，提出幾個(gè)關(guān)鍵問題啟發(fā)學(xué)生思考，學(xué)生在線完成并提交答案，教師批閱后通過系統(tǒng)反饋。加上“模擬操作”模塊中穿插的小測試，學(xué)生最終可得到一個(gè)總成績，能夠整體反映本次實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生根據(jù)得分情況，查找不足，再有針對(duì)性的進(jìn)行復(fù)習(xí)回顧，以期達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)通過虛擬仿真技術(shù)模擬了回腸收縮的生理指標(biāo)，對(duì)組胺及苯海拉明的作用進(jìn)行了詳細(xì)演示，并在數(shù)據(jù)分析后提供了包括原始圖形、量效曲線及拮抗參數(shù)在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)，幫助學(xué)生以更全面的視角清晰地領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容。而且，實(shí)驗(yàn)各模塊間能自由切換，模塊內(nèi)可隨意選擇，并設(shè)有暫停鍵、前進(jìn)鍵、后退鍵，方便學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況隨時(shí)隨地按需學(xué)習(xí)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，本虛擬實(shí)驗(yàn)更具交互性、靈活性、精準(zhǔn)性，含有更為生動(dòng)寬泛的延伸信息。但是也并非毫無瑕疵，尤其不利于鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力及面對(duì)突發(fā)情況的處理能力，因此不宜完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。只有將兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇茖W(xué)有效地結(jié)合，取長補(bǔ)短，不再拘泥于某一種模式，才能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)有作用，使學(xué)生有更大的收益。