虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

楊 迪，吳慧昊，王家敏，喬自林＊

（1.西北民族大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)研究中心/甘肅省動(dòng)物細(xì)胞技術(shù)創(chuàng)新中心，甘肅 蘭州 730030）

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是近年來高等教育教學(xué)領(lǐng)域里繼多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后的又一項(xiàng)應(yīng)用類新技術(shù)，對(duì)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用研究也成為目前高等教育領(lǐng)域的焦點(diǎn)。黨中央已明確指示要強(qiáng)化人才培養(yǎng)的核心地位以及“雙一流”建設(shè)的新要求，2018年中國(guó)高等教育國(guó)際論壇發(fā)起了建設(shè)中國(guó)“金課”的號(hào)召，再一次將依托高新技術(shù)的創(chuàng)新型虛擬仿真技術(shù)課程推到了新的高度[1]。教育部計(jì)劃到2020年末啟動(dòng)1 000個(gè)“示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”[2]。

本文借助于西北民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析動(dòng)物生理學(xué)課程的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的各自特征，探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展前景，為動(dòng)物醫(yī)學(xué)類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展提供新思路。

1 傳統(tǒng)動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端

動(dòng)物生理學(xué)是動(dòng)物醫(yī)學(xué)類專業(yè)中一門至關(guān)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。主要研究動(dòng)物體的機(jī)能，如消化、循環(huán)、呼吸和生殖等，是涉及機(jī)體的調(diào)節(jié)和對(duì)環(huán)境條件變化——反應(yīng)的學(xué)科，是生命科學(xué)的核心機(jī)能課程。由于該課程內(nèi)容抽象，從書本和理論講授時(shí)不易理解，實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得尤為重要。但是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用教師講授與學(xué)生實(shí)操相結(jié)合的方式，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中存在以下問題。

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我?/h3>

傳統(tǒng)的動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式形式單一，教師將實(shí)驗(yàn)儀器、試劑耗材等準(zhǔn)備齊全，講解實(shí)驗(yàn)原理、步驟后，學(xué)生只需對(duì)照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)進(jìn)行操作。實(shí)驗(yàn)操作按照既定的規(guī)則進(jìn)行，且在實(shí)驗(yàn)設(shè)置方面多為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)[3]，導(dǎo)致學(xué)生只是刻板地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)幫助理解知識(shí)的效果有限，也不利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)和教師教學(xué)能力提升。

1.2 學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣不高

在實(shí)驗(yàn)操作前教師通常會(huì)講解實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)，對(duì)于綜合型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生往往無法從語言中領(lǐng)會(huì)操作要點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)失敗的概率比較高，如影響尿生成的因素、血壓測(cè)定、心血管活動(dòng)神經(jīng)體液調(diào)節(jié)以及影響血液凝固的因素等實(shí)驗(yàn)，通常都是教師幫助完成。由于實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、難度大、教師無法顧及多組學(xué)生同時(shí)進(jìn)行，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中常常產(chǎn)生畏難情緒，畏懼失敗，害怕動(dòng)手，因此會(huì)影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣。

1.3 缺乏有效的考核模式

目前，許多學(xué)校尚無建立結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)課程考核體系，大多為傳統(tǒng)地評(píng)閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方式進(jìn)行考核或成績(jī)?cè)u(píng)定，不能有效地反映學(xué)生真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情況以及實(shí)踐操作的能力，亟待改革[4]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟一種新的模式，是一種進(jìn)步，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。它有效地將教學(xué)內(nèi)容從傳統(tǒng)的書本集成到現(xiàn)代信息技術(shù)載體中，表達(dá)方式也從以往的靜止的文字和圖片轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)動(dòng)畫和視頻，逼真的表達(dá)形式讓教學(xué)內(nèi)容更加容易被學(xué)生所接受。為生物醫(yī)學(xué)類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)革新提供了新機(jī)遇，也為動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新理念和新思路。

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)是在計(jì)算機(jī)平臺(tái)，人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種高級(jí)的仿真技術(shù)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相比較，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助動(dòng)物生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具備以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)[5]：第一是真實(shí)感，當(dāng)虛擬仿真技術(shù)與動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的虛擬環(huán)境，可以讓學(xué)生全方位地產(chǎn)生一種沉浸于真實(shí)環(huán)境的感覺。第二是交互性，虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)互動(dòng)環(huán)境，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中選擇需要的實(shí)驗(yàn)耗材、試劑，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也各有不同，有助于引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的思考。第三是虛幻性，即環(huán)境是由虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建的，可以模擬現(xiàn)實(shí)中真實(shí)存在的環(huán)境?？梢杂行У乇苊鈧鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的危險(xiǎn)，如家兔的有機(jī)磷中毒實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以有效避免學(xué)生接觸毒物而引起傷害事件的發(fā)生。第四是逼真性，虛擬環(huán)境與所模擬的現(xiàn)實(shí)極其相像，學(xué)生可以通過模擬實(shí)驗(yàn)還原手術(shù)環(huán)境。在實(shí)際操作之前感知實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，充分認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生的預(yù)期結(jié)果。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

在動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)中難度大、有毒性和抽象實(shí)驗(yàn)利用虛擬技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、安全和具體地展示，與教師平鋪直敘地講解、學(xué)生機(jī)械式地重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟的教學(xué)方式相比，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)不到的教學(xué)效果和意義[6]。

西北民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部的機(jī)能學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室由生物仿真數(shù)據(jù)庫、局域網(wǎng)硬件平臺(tái)以及虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境界面幾部分組成。在實(shí)驗(yàn)課開始前，學(xué)生能夠在動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以通過網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)入虛擬仿真系統(tǒng)，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，觀看實(shí)驗(yàn)操作視頻。然后，使用動(dòng)畫模擬操作整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，自主選擇需要的實(shí)驗(yàn)耗材及藥品，模擬實(shí)驗(yàn)過程并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。教師也可以為學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)操作并評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，以達(dá)到教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)要求和培養(yǎng)目標(biāo)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以自主或在教師的指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、模擬操作、預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果等項(xiàng)目；不僅如此，隨著移動(dòng)終端功能的不斷優(yōu)化，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠打破課堂界限，學(xué)生可以隨時(shí)隨地訪問服務(wù)器，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、模擬和復(fù)習(xí)。在考核方面，教師可以將筆試內(nèi)容上傳至服務(wù)器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)網(wǎng)上考核以及網(wǎng)上閱卷；抽選模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為考核項(xiàng)目，考核學(xué)生的模擬操作能力。

動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生對(duì)動(dòng)物機(jī)體基本作用理論知識(shí)有了充分認(rèn)識(shí)后在實(shí)踐上的拓展。綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)往往是最能培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、實(shí)踐創(chuàng)新以及操作能力的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7]。但是由于其耗時(shí)長(zhǎng)、操作能力要求高等特點(diǎn)往往不易開展或?qū)嶒?yàn)成功率較低。因此，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，教師設(shè)計(jì)了多個(gè)綜合型設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂蒲兴刭|(zhì)。例如，綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目心血管活動(dòng)的神經(jīng)體液調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)開始前學(xué)生可通過服務(wù)器登陸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過動(dòng)畫演示觀察心臟起搏點(diǎn)和收縮特性，掌握血壓測(cè)定方法，加深對(duì)心血管活動(dòng)的神經(jīng)體液調(diào)節(jié)的理論知識(shí)的理解；然后觀看實(shí)驗(yàn)操作視頻，熟悉實(shí)驗(yàn)原理、方法以及實(shí)驗(yàn)步驟；最后利用模擬實(shí)驗(yàn)室，完成實(shí)驗(yàn)手術(shù)的操作模擬。利用該方法，不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生充分理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容，將實(shí)驗(yàn)與理論知識(shí)相結(jié)合；更有利于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的成功率，提高動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課的效率，為今后學(xué)生獨(dú)立開展科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)踐與信息技術(shù)的融合，已成為當(dāng)今高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)重要的教學(xué)工具之一。實(shí)踐表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)與動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合，可以有效地提升學(xué)生的分析和實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推動(dòng)傳統(tǒng)教學(xué)模式向信息化、智能化方向的變革。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷開發(fā)以及動(dòng)物醫(yī)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的不斷深化和拓展，必將構(gòu)建更多更優(yōu)秀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，助力高水平動(dòng)物醫(yī)學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)體系建設(shè)，推動(dòng)高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系創(chuàng)新發(fā)展。