虛擬實(shí)驗(yàn)在高職高專機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的探索#

劉慧霞 邢乾乾 吳林 石山慧

·教學(xué)管理·

虛擬實(shí)驗(yàn)在高職高專機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的探索#

劉慧霞*邢乾乾 吳林 石山慧

（菏澤醫(yī)學(xué)?？茖W(xué)校生理學(xué)教研室，山東 菏澤 274000）

虛擬實(shí)驗(yàn)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析，遠(yuǎn)程操作的系統(tǒng)；通過虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體和仿真等技術(shù)，進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，建成以教學(xué)過程可視化、質(zhì)量控制、師生互動(dòng)、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、自主學(xué)習(xí)等一體的泛在信息化云平臺。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，能節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，能增加學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段之一，可將虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，做到“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”。

虛擬實(shí)驗(yàn)；高職高專；機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)

醫(yī)學(xué)高職高專院校旨在為基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)培養(yǎng)德、智、體全面發(fā)展的醫(yī)學(xué)人才，使其具有扎實(shí)的醫(yī)學(xué)基本理論和技能，能從事臨床、護(hù)理、口腔、預(yù)防保健等工作。其醫(yī)學(xué)高職院校突出的特點(diǎn)是以職業(yè)崗位能力為本位，以知識應(yīng)用為核心，尤其應(yīng)重視實(shí)踐教學(xué)[1]。醫(yī)學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心課程之一，將生理、藥理、病理生理（簡稱“三理”）三門實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行融合、更新和優(yōu)化，以人體生理功能、藥物作用及機(jī)制和疾病的發(fā)生發(fā)展為研究對象，是醫(yī)學(xué)教學(xué)中的重要組成部分之一，注重培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)，創(chuàng)新精神，應(yīng)將素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中。機(jī)能實(shí)驗(yàn)通常以活體動(dòng)物為研究對象，是學(xué)生入學(xué)后首次接觸實(shí)驗(yàn)學(xué)科。在傳統(tǒng)的機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)教師的講解和要求按部就班的實(shí)驗(yàn)，由于高職高專學(xué)時(shí)較少，每次實(shí)驗(yàn)課安排兩個(gè)學(xué)時(shí)，由于老師講解后學(xué)生操作的時(shí)間較短，動(dòng)手操作的機(jī)會相對較少，學(xué)生實(shí)驗(yàn)成功率偏低，多年來這些問題較普遍地存在于機(jī)能教學(xué)中[2]。

隨著我國教育體制的不斷深化改革，教師資源、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、儀器設(shè)備的局限性，使傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已不能滿足教學(xué)需要。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)、多媒體和計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)整合起來，使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容、儀器設(shè)備、操作方法有機(jī)地融合在一起。因此，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，我校積極開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)能力、將知識融會貫通和科研思維能力，逐步建立以學(xué)生為中心的教學(xué)體制。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展歷程

1989年，美國弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）威廉·沃爾夫教授于首次提出虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念。虛擬實(shí)驗(yàn)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析，遠(yuǎn)程操作的系統(tǒng)；通過虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體和仿真等技術(shù)，進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，建成了以教學(xué)過程可視化、質(zhì)量控制、師生互動(dòng)、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、自主學(xué)習(xí)等一體的泛在信息化云平臺[3]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有針對性，其效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果。因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有強(qiáng)大功能和突出優(yōu)點(diǎn)，其廣闊的應(yīng)用前景得到了大力開發(fā)，在許多高校的機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中廣泛采用。

2 機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展虛擬實(shí)驗(yàn)的必要性

2.1 有利于學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

醫(yī)學(xué)院校的機(jī)能實(shí)驗(yàn)步驟有些相對比較復(fù)雜，涉及的理論知識較深?yuàn)W[4]，因此學(xué)生需要提前了解實(shí)驗(yàn)原理和復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作步驟。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)授課模式是教師先在課堂上完成實(shí)驗(yàn)原理的講解，實(shí)驗(yàn)課上首先精講實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)，耗時(shí)較長，學(xué)生務(wù)必要記住教師講解的內(nèi)容才能完成后續(xù)實(shí)驗(yàn)，由于傳授的知識較多，高職高專學(xué)生學(xué)習(xí)能動(dòng)性相對欠缺，往往導(dǎo)致在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)眾多的問題，甚至導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中途終止或失敗，達(dá)不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)通過讓學(xué)生課前在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺或虛擬實(shí)驗(yàn)室預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，熟悉實(shí)驗(yàn)原理，多次觀看實(shí)驗(yàn)操作的視頻，為進(jìn)行真實(shí)的具體實(shí)驗(yàn)操作奠定基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，因?yàn)槭軇?dòng)物活體生命客觀條件的限制，其重現(xiàn)性較差，使實(shí)驗(yàn)中的某些項(xiàng)目不能得到較好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。而虛擬實(shí)驗(yàn)卻能夠讓學(xué)生進(jìn)行多次反復(fù)模擬，這一方面有利于進(jìn)行在實(shí)際操作中被忽略的步驟，另一方面加深對實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼J(rèn)識，對實(shí)驗(yàn)原理更加深入理解。

2.2 改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)對象通常以動(dòng)物為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)花費(fèi)相對較多，高職高專學(xué)生人均占有設(shè)備和動(dòng)物資源較少，部分學(xué)生在機(jī)能實(shí)驗(yàn)課中動(dòng)手操作的機(jī)會較少，一般作為觀察者參與課堂[5]。某些實(shí)驗(yàn)手術(shù)操作步驟較復(fù)雜，如影響血液凝固的因素實(shí)驗(yàn)中動(dòng)脈插管技術(shù)、影響心輸出量的因素實(shí)驗(yàn)中中主動(dòng)脈插管術(shù)等，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生有時(shí)由于操作不熟練或失誤而造成實(shí)驗(yàn)失敗。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的運(yùn)用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式所存在的不足，學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)中，降低了實(shí)驗(yàn)儀器、動(dòng)物的損耗，顯著降低了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和材料費(fèi)用的成本，大大節(jié)省了資源成本[6]。學(xué)生首先通過觀看虛擬實(shí)驗(yàn)錄像，然后后再獨(dú)自進(jìn)行真實(shí)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)操作，降低了實(shí)驗(yàn)操作的盲目性，大大提高了實(shí)驗(yàn)成功率，改善了實(shí)驗(yàn)效果。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)的開展豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

由于高職高專院校學(xué)制三年，在校學(xué)習(xí)時(shí)間短，課程人均學(xué)時(shí)相對較少，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)占有比例也少，因此通常會安排一些實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，步驟簡單，方法經(jīng)典，實(shí)驗(yàn)成功率高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而用時(shí)較長、步驟復(fù)雜、需要特殊實(shí)驗(yàn)設(shè)備的項(xiàng)目沒有面向?qū)W生開設(shè)。通過開展虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，熟悉實(shí)驗(yàn)的相關(guān)原理與應(yīng)用，觀看演示、開展虛擬實(shí)驗(yàn)手術(shù)操作。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展節(jié)約了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和設(shè)備經(jīng)費(fèi)

醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的之一是需要掌握一定量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)手術(shù)基本方法，提高實(shí)驗(yàn)成功率，必然用到大量的活體實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行操作練習(xí)[7]。因?qū)嶒?yàn)學(xué)時(shí)有限，學(xué)生操作較少，不能實(shí)現(xiàn)反復(fù)多次練習(xí)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的仿真操作。學(xué)生選擇生理、藥理、病理生理機(jī)能學(xué)科的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對虛擬實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行手術(shù)，可以反復(fù)多次練習(xí)，不但節(jié)省了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)耗材和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的花費(fèi)，而且能讓學(xué)生反復(fù)進(jìn)行某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作，這有利于他們理解并掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識，熟悉實(shí)驗(yàn)過程每一個(gè)步驟的操作過程，隨后在進(jìn)行真實(shí)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)手術(shù)時(shí)，能夠順利完成實(shí)驗(yàn)的每個(gè)操作達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展增加了學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會

醫(yī)學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)中通常以真實(shí)動(dòng)物為實(shí)驗(yàn)對象，往往會受到實(shí)驗(yàn)方法復(fù)雜、操作安全存在隱患及實(shí)驗(yàn)花費(fèi)較高等諸多因素的制約，學(xué)生親自操作的機(jī)會受限，部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中只是旁觀者，實(shí)驗(yàn)效果不理想[8]。隨著現(xiàn)代教育網(wǎng)絡(luò)信息化信息技術(shù)的更新發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)通過對實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)儀器虛擬化，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境通過多媒體技術(shù)在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建，學(xué)生能夠通過人機(jī)交互界面進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真操作，就能夠避免以上因素的影響，減少實(shí)驗(yàn)成本，降低實(shí)驗(yàn)器材損耗，充分利用實(shí)驗(yàn)資源，減少實(shí)驗(yàn)盲目性，最終完成各種預(yù)期的實(shí)驗(yàn)操作，提高教學(xué)有效性，從而完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。

3.4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有較明顯的開放性

虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、空間的限制，學(xué)生通過課外時(shí)間登錄校園網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)，進(jìn)行課前預(yù)習(xí)或課后鞏固。在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)也具有開放性，教師為適應(yīng)不同學(xué)習(xí)要求、不同層次的學(xué)生，結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生還能夠有選擇性的學(xué)習(xí)、模擬實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)積極性與參與度。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺能為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)自由靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境，在課余時(shí)間對虛擬實(shí)驗(yàn)有興趣的學(xué)生能夠到虛擬實(shí)驗(yàn)室選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行練習(xí)、操作，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，也提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)。

3.5 虛擬實(shí)驗(yàn)富有趣味性

在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用多媒體技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)形象、直觀的傳授實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息，并且學(xué)習(xí)過程帶有趣味性，不必顧忌實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的死亡，實(shí)驗(yàn)器械的損壞[9]。而且學(xué)生還能夠通過多媒體，自學(xué)發(fā)揮自己的創(chuàng)造力與想象力，避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來的弊端，擴(kuò)展學(xué)生的視野，更加逼真、形象，在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中借助人機(jī)互動(dòng)，學(xué)生的各種操作錯(cuò)誤能夠得到及時(shí)地糾正，通過不斷改進(jìn)，大大增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作成功的自信心，調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)手操作的積極性。

4 機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展虛擬實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)

虛擬實(shí)驗(yàn)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍不能夠完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的儀器、動(dòng)物和藥品都是通過軟件虛擬出來的，學(xué)生通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)完成儀器操作、藥品添加，最終達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果和目的，但這與真實(shí)的實(shí)踐操作還有著明顯的差別；虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)過程、現(xiàn)象，也是實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)者根據(jù)理論支持事先在實(shí)驗(yàn)?zāi)K中設(shè)定好的，如果實(shí)驗(yàn)條件略有改變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能就會有明顯的差異。這些弊端在一定程度上會減弱學(xué)生的探索精神、實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新思維能力，在一定程度上也會存在使不夠嚴(yán)謹(jǐn)、不夠愛護(hù)儀器設(shè)備，削弱學(xué)生在實(shí)踐操作中細(xì)心和安全防范意識，對培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度不利。此外，有些虛擬實(shí)驗(yàn)操作項(xiàng)目太簡單，有些操作如家兔固定、皮膚切開、氣管插管、家兔頸部手術(shù)、動(dòng)脈插管等不夠真實(shí)，而且無菌觀念缺乏。虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要繼續(xù)研究開發(fā)，以更好地服務(wù)于機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。所以，應(yīng)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)的結(jié)合起來，提倡實(shí)際操作為主，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔的原則，一些高危、復(fù)雜及需要大量動(dòng)物和經(jīng)費(fèi)投入的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目盡量采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)、虛實(shí)結(jié)合，利用虛擬實(shí)驗(yàn)的靈活擴(kuò)展性，將新發(fā)展的、反應(yīng)學(xué)科前沿的實(shí)驗(yàn)方法快速教授給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀醫(yī)學(xué)人才的目標(biāo)。

機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)承擔(dān)著提高和培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的責(zé)任。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，能節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，能增加學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，但是虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)也仍然存在著許多不足，不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段之一，我們應(yīng)該把虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，使兩者相互彌補(bǔ)不足，做到“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”[10]。而且我們要聽取學(xué)生們的意見，采納同行們的建議，積極探索，不斷更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高實(shí)驗(yàn)水平，不斷完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使之在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能夠發(fā)揮更好的作用。

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Exploration of virtual experiment in functional experiment teaching reform in higher vocational colleges#

Liu Hui-xia*, Xing Qian-qian, Wu Lin, Shi Shan-hui

(Department of Physiology, Heze Medical College, Heze 274000, Shandong)

Virtual experiment takes computer network as the core to realize the system of data collection, analysis and remote operation; through the technology of virtual reality, multimedia and simulation, the simulation experiment is carried out to strengthen the information construction of experimental teaching, and build a ubiquitous information cloud platform integrating the visualization of teaching process, quality control, interaction between teachers and students, remote guidance and independent learning. As a new experimental teaching platform, virtual experiment teaching can save experimental cost, increase students' interest and arouse students' enthusiasm for doing experiments. As one of the auxiliary means of traditional experimental teaching, virtual simulation experiment technology can combine virtual experiment with real experiment to achieve "combination of virtual experiment and real experiment, can not be virtual".

Virtual experiment; High vocational college; Functional experiment teaching

（2019-7-7）

菏澤醫(yī)學(xué)專科學(xué)校教研課題（編號：H13KG02）

劉慧霞，女，教授，主要從事生理學(xué)教學(xué)和心血管病理生理學(xué)研究，Email：liuhuixia1979@126. com。