高等醫(yī)學院校虛擬仿真教學實驗室建設與思考

呂海華 羅欣錦 羅蘇珍 黃鎖義

摘? 要：虛擬仿真實驗教學是科學實驗教學示范中心建設和高等教育數(shù)字化建設的重要內(nèi)容，是推進新一代信息技術深度融入實驗教學、拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。加快推進和完善高等醫(yī)學院校虛擬仿真教學實驗室的建設，對于加強醫(yī)學實驗教學優(yōu)質資源建設與應用、提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平、促進實驗教學改革、培養(yǎng)創(chuàng)新型醫(yī)學人才等方面有著重大意義。

關鍵詞：虛擬仿真? 實驗教學? 實驗室? 高等醫(yī)學院校

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（b）-0203-05

Construction and Thinking of Virtual Simulation Teaching Laboratory in Medical Colleges and Universities

LV Haihua1? LUO Xinjin1? LUO Suzhen1? HUANG Suoyi2，3*

（1.College of Clinical Medicine， Youjiang Medical University for Nationalities， Baise， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 533000 China; 2. College of Pharmacy， Youjiang Medical University for Nationalities， Baise， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 533000 China; 3. Key Laboratory of Guangxi's College for the Study of Characteristic Medicine in Youjiang River Basin， Scientific experiment center of Youjiang Medical University for Nationalities， Baise， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 533000 China）

Abstract： As a demonstration center of scientific experiment teaching， virtual simulation experiment teaching is an important part of the digital construction of higher education. This is an important measure to promote the new generation of information technology to be deeply integrated into experimental teaching， expand the scope and depth of experimental teaching content， extend the time and space of experimental teaching， and improve the quality and level of experimental teaching. The construction of virtual simulation teaching laboratory in higher medical colleges and universities has been accelerated and improved， which is helpful to strengthen the construction and application of high-quality medical experimental teaching resources. At the same time， it is of great significance to improve the quality of experimental teaching in higher education and the level of practical education， promote the reform of experimental

teaching and cultivate innovative medical talents.

Key Words： Virtual simulation; Experimental teaching; Laboratory; Medical colleges and universities

醫(yī)學是一門科學性、實驗性、綜合性極強的學科，其發(fā)展離不開大量的科學實驗和研究，實驗教學也占據(jù)著越來越重要的地位，因此對于實驗室的需求越來越大。近年來，隨著教育改革和雙一流學科建設的逐漸深入，虛擬仿真教學實驗室的建設成為了眾多高校熱門探究的課題。教育部文件《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》明確提出：“加強網(wǎng)絡教學資源體系建設，引進國際優(yōu)質數(shù)字化教學資源，建立數(shù)字圖書館和虛擬實驗室，建立開放靈活的教育資源公共服務平臺”[1]。虛擬仿真實驗教學實驗室已逐漸成為高校實驗教學中的重要組成部分，其本質是托管于校園網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，將實驗教學內(nèi)容與網(wǎng)絡技術、計算機模擬技術和仿真模擬技術集于一體，真實模擬大型實驗設備和實驗場景，使學生通過人機交互的方式在模擬實驗設備和實驗場景的軟件中開展實驗，達到在現(xiàn)實環(huán)境中才能完成的各種實驗和預實驗項目的目的[2]。與傳統(tǒng)實驗室相比，虛擬仿真教學實驗室內(nèi)容豐富、定位準確、開放性高、安全可靠、技術先進、活靈活現(xiàn)。

1? 傳統(tǒng)實驗室現(xiàn)狀分析

實驗室是探索世界、認識世界的重要手段，是提高學校科研實力和綜合競爭實力的有效途徑。與其他學科相比，高等醫(yī)學院校不但需要重視理論基礎知識的教學，更要重視理論聯(lián)系實際的實踐教學。隨著觀念不斷更新、技術日益發(fā)展，在傳統(tǒng)的醫(yī)學教學實驗室中，仍存在有諸多的困難與挑戰(zhàn)，其在一定程度上阻礙了實驗的教學質量和科學實驗研究的發(fā)展，主要表現(xiàn)如下。

1.1 較為單一的教學模式

傳統(tǒng)的實驗教學中多是以教師為中心，以傳授知識為主的單向傳遞模式，一般由教師詳細講解， 然后學生按照現(xiàn)成的實驗步驟， 按部就班地進行實驗，最后把實驗結果記錄在實驗報告冊上[3]。實驗項目多以經(jīng)典和驗證性實驗為主，缺乏對學生創(chuàng)新性思維和自主探究能力的培養(yǎng)[4]。這種單一的教學模式在很大程度上束縛了學生的學習思路， 學生對實驗的興趣和積極性不大，對知識的運用程度不高，違背了實驗教學的初衷。

1.2 教學與課時的矛盾

隨著本科高校的不斷擴招，高等醫(yī)學院校實驗室的需求也不斷加大，實驗教學的課時設置也發(fā)生了改變。由于班級人數(shù)增多、實驗室有限，一些班級在該章節(jié)理論課程教學前就已經(jīng)安排了實驗課，對于尚未學習的理論課內(nèi)容，學生在實驗操作時還不能熟練地將這部分知識運用其中。同時由于教學改革，實驗教學部分課時被壓縮，課程進度安排十分緊湊，實驗操作常常以小組為單位進行，對于實驗的全部操作并不是每個學生都能掌握透徹，學生對實驗的“體驗感”不足，從而影響著教學的健康發(fā)展。同時課后實驗室申請流程繁瑣、課后無老師指導，加上理論課課程繁重，一個學期的教學任務達十幾門課程，為了同步理論課的進度，學生對實踐部分內(nèi)容提不起興趣。

1.3 成本方面

醫(yī)學實驗中常常會涉及一些高精尖的儀器設備，由于經(jīng)費有限，一些實驗器材只能采取共用或反復使用的方式。而且實驗器材的更新速度十分緩慢，有一些的使用時長甚至已經(jīng)超過了學生的年齡，如此一來，年代久遠的儀器設備不僅會使實驗結果發(fā)生偏差，而且操作方法也與最新版的操作要求不符。對于一些不易保存且來之不易的珍貴標本，如人體器官、寄生蟲、動物標本等，其保養(yǎng)的成本遠大于損耗的成本。這樣長久以往會挫傷學生動手實驗的積極性，對于實驗標本的可持續(xù)利用也有一定影響。

1.4 完全開放性實驗室難以實現(xiàn)

即使許多高校開始嘗試推行構建開放性實驗室政策，鼓勵學生利用課余時間到實驗室進行科研探索和學習，但因宣傳不到位，很多學生并不知道政策的存在，且學校導師少，并非人人都有機會，學生得不到很好的指導，因此受益面積不廣，另外由于開放實驗室對學生自主學習能力和自我管理能力的要求較高，需要更為嚴格的管理，操作不當會導致設備損壞增多，所需維護費用增加，無形中增加了教學成本，給學校財務帶來壓力。

1.5 管理及安全方面

目前實驗室的管理普遍存在著管理體制和運行機制不科學，器材使用管理制度不完善，實驗管理人員數(shù)量不足，實驗室開放程度低、范圍小、參與學生少，精密昂貴的儀器設備缺乏專人管理等現(xiàn)象[5]。對于一些實驗會涉及到生物安全方面，如致病性微生物和血液標本等，一旦操作不慎或失誤，極有可能帶來安全隱患，實驗后廢棄藥品和被污染器具處理的問題，這些都極大制約著實驗教學的發(fā)展。

2? 虛擬仿真實驗室建設的現(xiàn)實意義

傳統(tǒng)的實驗教學方法和條件已經(jīng)滿足不了當前人才的培養(yǎng)需求，虛擬仿真實驗室的構建，能有效解決傳統(tǒng)實驗室存在的問題和挑戰(zhàn)，并且是改革實驗教學方法、提升學生自主探索能力、推動醫(yī)學不斷前進的有效途徑。

2.1 改革實驗教學模式

與傳統(tǒng)的、單一的實驗室教學相比，虛擬仿真實驗室更強調(diào)“以學生為中心”，鼓勵學生自主探索完成實驗，從進入到虛擬仿真實驗室準備穿戴到結束實驗后整理好藥品，每一步都是模擬真實場景，讓學生擁有滿滿的“儀式感”，從“要我做”向“我要做”“我想做”的理念轉變，充分認識到理論教學與實驗教學并重的重要性。課前預習時候利用虛擬仿真實驗室使學生對將要開展的實驗有一個初步的認識和了解，等到真正實驗時，就能進一步加深記憶，進而提升實驗教學質量。課堂之后可以讓學生對已經(jīng)教學內(nèi)容進行重新練習，對該部分理論知識進行再回憶與再認識，提高復習效率。這種教學方法能培養(yǎng)學生學會“發(fā)現(xiàn)問題、解決問題”的能力，這對提高個人職業(yè)素養(yǎng)、未來培養(yǎng)創(chuàng)新型醫(yī)學人才有著重要的作用。

2.2 彌補實驗教學的不足

實驗教學承擔著提高動手實踐能力的重任，各個環(huán)節(jié)對學生學習能力的提高都非常重要，為學生今后探索未知領域、培養(yǎng)個人的科研思維、提高科研能力等多方面打下基礎[6]。虛擬仿真實驗室可以存儲豐富的教學內(nèi)容，在一定程度上能彌補傳統(tǒng)實驗教學中資源可持續(xù)利用的不足，對一些稀有標本也能及時保存。同時，由于實驗室的虛擬性質，讓學生隨時隨地可以開展實驗，在思緒迸發(fā)時就能及時動手去驗證，有助于減少外界條件對于學生探究新事物的阻礙，使學生不再只局限學習傳統(tǒng)的驗證性實驗，也不會因為場地、課時有限而對上手操作實驗的“體驗感”不夠。

2.3 節(jié)約成本

傳統(tǒng)實驗室中學生動手操作實驗往往要耗費大量的試劑和材料，還要使用到各種儀器設備，而虛擬仿真實驗室的建立，這些實驗條件都可以輕松滿足。對于在傳統(tǒng)實驗室中無法接觸到的高精尖的儀器設備，學生可以在其中反復操練并熟練掌握使用技巧，這樣不僅節(jié)約了經(jīng)費開銷，還避免因實驗后剩余的藥品和試劑對環(huán)境的污染。通過數(shù)字化和仿真技術，可以將一些珍貴的標本復原在虛擬實驗室中，開拓學生的眼界，提升實驗教學的質量與深度。

2.4 培養(yǎng)創(chuàng)新型醫(yī)學人才

創(chuàng)新是發(fā)展源源不斷的動力，在科學技術飛速發(fā)展的今天，新技術、新產(chǎn)品層出不窮，傳統(tǒng)的實驗室難以適應當今高素質創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。醫(yī)學生作為未來探索醫(yī)學新領域的中堅力量，不僅需要牢固的知識基礎，其創(chuàng)新實踐能力更是備受重視。虛擬仿真實驗室是真正意義上突破了時空的限制，借助校園網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，學生利用空余時間可通過虛擬仿真實驗室自由、反復地進行實驗，加深對實驗操作的印象，也可以選擇自己感興趣的方向自主開展設計性實驗，依據(jù)實驗目的，設計實驗具體實施方案，分析實驗數(shù)據(jù)，得出相應結果，培養(yǎng)學生獨立思考的和創(chuàng)新實踐能力。對于一些簡單新穎的科學實驗，教師只需要在后臺升級和更新實驗內(nèi)容，便可由學生自主探索。通過點擊鼠標，便可輕松完成實驗，極大激發(fā)學生對于實驗的興趣和積極性。虛擬仿真實驗室給予學生更為寬廣的實驗環(huán)境，學生接受創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為培養(yǎng)創(chuàng)新型醫(yī)學人才打下堅實的基礎。

2.5 安全易管理

在虛擬仿真實驗室中進行實驗，由于實驗的步驟和最終結果已經(jīng)是按照程序提前設定好的，在涉及高危或極端的環(huán)境、不可逆的操作，高投入、高消耗、高成本或綜合訓練等情況時，人身和財產(chǎn)安全得到了充分的保障。傳統(tǒng)實驗室的儀器設備容易壞損，管理和維修也是個大問題，耗費大量的人力財力;虛擬仿真實驗室的管理相對輕松，不需要派專人對實驗室進行看護，利用VR技術構建的虛擬實驗室不需要昂貴的硬件維修費，只要通過網(wǎng)絡和程序就可以方便地進行管理和維護[7]，大大的減少人力物力的投入。

3? 高等醫(yī)學院校虛擬仿真實驗室建設思路與規(guī)劃

《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》中要求：虛擬仿真實驗教學中心建設工作要堅持“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導思想[8]，找準立足點，科學規(guī)劃高等醫(yī)學院校虛擬仿真實驗室的建設，對于推進實驗教學信息化建設、推動醫(yī)學院校實驗教學改革與創(chuàng)新有著重要意義。

3.1 構建完善的虛擬仿真實驗室教學體系

學校應根據(jù)自身辦學條件，綜合多學科特點，構建一個集實驗、教學、考核、管理等多方面的涵蓋所有學科實驗教學內(nèi)容的虛擬仿真實驗室教學體系，模擬真實實驗室教學和貼近臨床工作場景，設立相應的安全警告系統(tǒng)，讓實驗與當今的教學制度和模式相適應。在課堂之內(nèi)，教師利用此平臺進行實驗教學，還能進行模擬真實實驗室使用的培訓和考核;課堂之外，學生可在虛擬實驗室自由操作與探究;由專業(yè)的運行和建設團隊負責對平臺的更新和管理，并通過后臺數(shù)據(jù)整理分析，評估教學效果。虛擬仿真實驗室教學體系的構建應采用適用的原則，堅持以實為主、以虛補實、虛實結合、以虛促實、相互補充的教學原則[9]，使虛擬仿真實驗教學與現(xiàn)實教學相輔相成，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，促進二者的共同發(fā)展。

3.2 建設虛擬仿真實驗教師隊伍

實驗教師是建設、管理和應用虛擬仿真實驗室的主體，實驗教師隊伍的建設是虛擬仿真實驗室建設的關鍵所在。建設一支集教學、科研、技術人員結合的高素質教師隊伍，提高隊伍選拔門檻，挑選學術水平高、教學科研能力強、實踐經(jīng)驗豐富、勇于開拓創(chuàng)新的教師作為骨干成員，負責對虛擬仿真實驗室的建設、管理和運營，為虛擬仿真實驗室的健康發(fā)展護航。建立相應的崗位職責和規(guī)范制度，定期進行量化考核，定時對這支隊伍進行相關內(nèi)容的培訓與學習，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力，學習最新技術，如選送一些實驗教師到國內(nèi)外知名大學作訪問學者，邀請專業(yè)人士舉辦學術講座，每年派出人員出席學術交流會;提高實驗教師隊伍工作待遇與福利，充分調(diào)動積極性，加大科研基金投入，鼓勵教師隊伍進行教學試點改革。

3.3 完善實驗室管理運行機制

虛擬仿真實驗室的建設和發(fā)展，離不開其科學、合理的管理運行機制，完善實驗室管理運行體制對于提高實驗室利用效率有著重要意義。學校應根據(jù)有關政策和方針，借鑒國內(nèi)外實驗室實踐經(jīng)驗，科學建立適合自己特點的實驗室管理運行機制模式，制定和健全虛擬仿真實驗室的規(guī)章制度，完善從儀器采購、使用、維修、報廢等程序的工作，讓每一步都有規(guī)可守、有章可循，定期根據(jù)實際情況對規(guī)章制度進行完善和再修改;根據(jù)學科種類劃分實驗室模塊，試行學科融合，提高實驗室整體利用效率;設立負責人管理制度，并成立相應的實驗室管理團隊，加強統(tǒng)一管理。從各部門、實驗室教師、任課教師、學生中抽取一定人數(shù)，建立虛擬仿真實驗室監(jiān)督機構，參與到實驗室的管理之中，完善監(jiān)督體制，嚴格把控實驗教學質量。高校應借鑒其他學校先進、成功的實踐案例，系統(tǒng)并詳細制定虛擬仿真實驗教師教學工作績效考核標準，組織實施有利于實驗室可持續(xù)發(fā)展的措施，從制度上保證虛擬仿真實驗室的健康發(fā)展;建立教學效果考核、評價和反饋機制，加大實驗室對學生的開放程度，讓更多學生從中受益。學校還應積極探索有關實驗室的鼓勵機制，學校在場地和經(jīng)費上給予大力支持，將開放時間長、覆蓋面大、使用頻率高的實驗室實行獎勵性資助[10]，并在期末評優(yōu)的中根據(jù)學生進入實驗室次數(shù)及使用情況等方面酌情考慮加分，并適當進行物質上的嘉獎。

3.4 整合優(yōu)質資源

醫(yī)學高等院校在各自建設和發(fā)展過程中，積累和制作了豐富、優(yōu)質、原創(chuàng)、獨有的教學資源或教學案例，如各種典型的或罕見的病理學標本、切片;臨床影像資料，如X線、CT、MRI、超聲影像圖等;自主研發(fā)、編錄的各種實驗教學用書、實驗項目、實驗教學視頻等;珍貴的臨床病例，自主建立的臨床病歷庫等[11]，這些醫(yī)學實驗教學資源眾多，種類豐富，但較為分散，資源整合的目的是進一步提高學科及實驗室中優(yōu)質資源的利用率，將一些抽象的、難以用言語形容的概念，使其更為直觀清楚地展現(xiàn)出來，如可將現(xiàn)實的儀器帶進虛擬實驗室中，讓學生在虛擬仿真實驗室操作的同時，結合現(xiàn)實資源，充分體會到“實而不虛”。學校應借助虛擬仿真實驗室，充分發(fā)揮本校學科專業(yè)的特色，加強對優(yōu)質實驗教學資源的整合，將實驗室資源建設和高水平軟件工程相結合，利用互聯(lián)網(wǎng)帶來的便利開展遠程教育，以培養(yǎng)學生素質全面發(fā)展為出發(fā)點，提高教學能力，改進教學方法，豐富教學內(nèi)容，提升教學廣度與深度，拓寬實踐領域，降低成本和風險，開展綠色實驗教學。學校還應該根據(jù)自身專業(yè)優(yōu)勢，找準研究方向，積極開發(fā)及打造地區(qū)研究特色，如地區(qū)高發(fā)病以及地區(qū)藥物原材料研究，建設一批具有創(chuàng)新性、特色性、代表性的重點虛擬仿真實驗室，充分挖掘本地區(qū)資源。

3.5 構建共享平臺

全國高校的虛擬仿真實驗室應組成一個聯(lián)盟，建立統(tǒng)一的交流機制[12]。在教育部及各部門的統(tǒng)一領導下，以國家級示范性虛擬仿真實驗室為主導，在地方高校建設一批具有兼容性、擴展性、大眾性、共享性的實驗平臺，實現(xiàn)高效管理和共享實驗教學資源，在滿足本校實驗教學的同時，積極擴大使用范圍，而不僅僅只局限于校內(nèi)外和相應學科，應更進一步推廣本地區(qū)乃至全國全世界范圍內(nèi)虛擬仿真實驗室資源開放與共享，實行多學科共同開發(fā)和管理，滿足各層次、各水平和多學科專業(yè)融合的虛擬仿真實驗教學的需求，實現(xiàn)真正意義上的資源開放和共享;積極尋求和探索校企共同開發(fā)管理的新合作模式，將虛擬仿真實驗室的實驗室的建設和使用延伸到企業(yè)之中，對于拉動地區(qū)經(jīng)濟增長和為社會服務有著促進作用;建立虛擬仿真實驗教學服務支撐體系，尋求可持續(xù)發(fā)展的策略。

4? 對未來虛擬仿真實驗室的展望

虛擬仿真實驗室建設任務是實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學中不具備或難以完成的教學功能。高等醫(yī)學院校作為我國醫(yī)學人才培養(yǎng)基地和醫(yī)學學科發(fā)展的重要場所，應加快推進建設虛擬仿真實驗室。筆者認為，虛擬仿真實驗室將有無限的發(fā)展空間，有可能改變原有的理解和觀念，并將引領新一輪醫(yī)學教學改革。需要注意的是在充分建設和利用虛擬仿真實驗室的同時，還應該認識到虛擬仿真實驗室存在的例如缺乏實操機會、降低學生動手操作能力等不足的存在，因此應該積極尋求將傳統(tǒng)實驗教學和虛擬仿真實驗室教學有效“虛”與“實”結合的教學方法，使其有機結合共同服務于教學之中，充分發(fā)揮出虛擬仿真實驗室在實驗教學中的積極作用。當下，高等醫(yī)學院校在建設虛擬仿真實驗室過程中，應通過構建完善的虛擬仿真實驗室教學體系、建設虛擬仿真實驗教學和管理隊伍、完善實驗室管理運行機制、整合優(yōu)質資源、構建共享平臺的措施，全面提升實驗教學質量，逐漸形成特色鮮明的醫(yī)學虛擬仿真實驗室。

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