基于虛擬仿真技術(shù)的“人體解剖生理學(xué)”教學(xué)改革初探＊

王艷紅，李 冰，范燕茹，謝朝暉

（河南城建學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院，河南 平頂山467036）

“人體解剖生理學(xué)”是生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的主要課程之一，包含人體解剖學(xué)和生理學(xué)兩部分內(nèi)容。人體解剖學(xué)是研究正常人體各器官形態(tài)結(jié)構(gòu)的科學(xué)，生理學(xué)是研究機(jī)體正常生理功能的科學(xué)；解剖學(xué)是生理學(xué)的研究基礎(chǔ)，生理學(xué)是解剖學(xué)的表現(xiàn)形式，二者相輔相成、密不可分?！叭梭w解剖生理學(xué)”中知識(shí)點(diǎn)豐富，需要理解記憶的內(nèi)容較多，尤其是生理學(xué)部分，內(nèi)容較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較困難。傳統(tǒng)教學(xué)過程中為達(dá)到理想的教學(xué)效果，采用了多種輔助教學(xué)手段，如PPT 講解、人體標(biāo)本模型及動(dòng)物實(shí)體解剖等，但這些形式均缺乏形象化及立體感，內(nèi)容比較枯燥乏味，難以提起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不利于培養(yǎng)學(xué)生的形象思維和理解能力。因此，急需對(duì)目前的教學(xué)手段進(jìn)行改革。

虛擬仿真技術(shù)是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類試驗(yàn)研究的新技術(shù)，它可以逼真地模擬已知或未知事物和環(huán)境，使人親有身臨其境的感覺，具有交互性、真實(shí)性及多感知性等特點(diǎn)[1]。該技術(shù)的出現(xiàn)正好彌補(bǔ)了“人體解剖生理學(xué)”傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足。將虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合是近年來高校教學(xué)研究的新熱點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)生成的逼真的三維虛擬環(huán)境，不但增強(qiáng)教學(xué)趣味及簡(jiǎn)化知識(shí)體系，也能增加學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，提高教師教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)效果[2]。本文結(jié)合目前“人體解剖生理學(xué)”教學(xué)特點(diǎn)，闡述了虛擬仿真技術(shù)在“人體解剖生理學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用，為進(jìn)一步提升“人體解剖生理學(xué)”教學(xué)的深度和廣度提供理論基礎(chǔ)。

1 “人體解剖生理學(xué)”教學(xué)特點(diǎn)

“人體解剖生理學(xué)”主要包括解剖學(xué)和生理學(xué)兩部分，教學(xué)方式一般由實(shí)驗(yàn)操作和理論授課兩部分組成。解剖學(xué)以描述正常人體各器官結(jié)構(gòu)為主，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，傳統(tǒng)教學(xué)模式通常借助PPT 講授、標(biāo)本或動(dòng)物解剖實(shí)驗(yàn)課等手段滿足教學(xué)效果。但PPT 課堂講授內(nèi)容比較枯燥，也無法達(dá)到具體化及形象化，很難培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和理解能力；標(biāo)本的應(yīng)用也是本課程教學(xué)的一大特點(diǎn)，但標(biāo)本由于自身使用的缺點(diǎn)及局限性，如比較容易損壞，制作比較粗糙，無法展現(xiàn)器官結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性等，從而降低了學(xué)生對(duì)人體標(biāo)本及器官模型觀察的準(zhǔn)確度，因此，很難把教材的理論知識(shí)與實(shí)際聯(lián)系起來[3]，不能達(dá)到很好的教學(xué)效果。久而久之，學(xué)生容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，導(dǎo)致上課認(rèn)真聽講的學(xué)生越來越少，或者不能長(zhǎng)久記憶，學(xué)過就忘。

生理學(xué)是研究人體正常生命活動(dòng)基本規(guī)律的科學(xué)，是以解剖學(xué)為研究基礎(chǔ)，離開了解剖學(xué)，一切都是空談。相對(duì)于解剖學(xué)來講，生理學(xué)內(nèi)容較抽象，其中涉及較多的名詞概念及原理，更加難理解及記憶。雖然教學(xué)上采用多種輔助手段，比如PPT 講授、圖片展示、病例分析、短視頻等，也很難達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。尤其對(duì)解剖學(xué)知識(shí)掌握不好的學(xué)生，學(xué)習(xí)相關(guān)生理學(xué)知識(shí)時(shí)接受能力更差。因此，為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的形象思維和理解能力，“人體解剖生理學(xué)”課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。

2 虛擬仿真技術(shù)可提高“人體解剖生理學(xué)”教學(xué)效率

“人體解剖生理學(xué)”的理論授課主要以多媒體教學(xué)為主，雖然結(jié)合有相應(yīng)的圖片或視頻，但內(nèi)容仍枯燥乏味，很難吸引學(xué)生的注意力，使其不能很好理解及記憶，無法全面提升其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。而通過虛擬仿真技術(shù)，將人體各器官的解剖和生理學(xué)的數(shù)學(xué)模型存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，構(gòu)建人體器官的三維仿真模型，通過計(jì)算機(jī)顯示屏從不同角度觀察人體器官模型，學(xué)生也可容易地將人體的各器官分開或合在一起進(jìn)行結(jié)構(gòu)及生理功能的觀察，生動(dòng)直觀地理解所學(xué)的人體解剖生理知識(shí)[4]。

例如，在學(xué)習(xí)血液循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生可先跟隨虛擬仿真技術(shù)提供的高仿真三維立體動(dòng)畫模型學(xué)習(xí)心臟的結(jié)構(gòu)、血液流動(dòng)的方向及所經(jīng)過的部位等內(nèi)容，使學(xué)生先大概了解循環(huán)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)；通過虛擬仿真動(dòng)畫對(duì)循環(huán)系統(tǒng)尤其是心臟結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分學(xué)習(xí)，跟隨著血液經(jīng)過的相關(guān)部位，對(duì)血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行全面且深刻地認(rèn)識(shí)[5]。另外，根據(jù)虛擬生理心臟模型學(xué)習(xí)心臟的生理功能，即用計(jì)算機(jī)模擬心臟的各個(gè)層次（亞細(xì)胞、細(xì)胞、組織、器官等）的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)考慮能量、血流等因素，并將其整合建立成一套完整的虛擬生理心臟模型系統(tǒng)，該模型會(huì)對(duì)藥物刺激或壓力等產(chǎn)生反應(yīng)，非常接近于人類的真實(shí)心臟，可用于系統(tǒng)的研究心臟內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制[6]。這樣學(xué)生不僅清楚地了解了心臟的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)其生理功能也有了清晰的認(rèn)識(shí)。

3 虛擬仿真技術(shù)降低“人體解剖生理學(xué)”的學(xué)習(xí)難度

“人體解剖生理學(xué)”課程中含有大量的名詞概念和原理，需要理解記憶的知識(shí)點(diǎn)較多，因此，輔助相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生對(duì)理論知識(shí)地掌握。但傳統(tǒng)的“人體解剖生理學(xué)”實(shí)驗(yàn)課主要進(jìn)行人體骨骼標(biāo)本和器官模型的觀察以及各種驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)所用器具的限制，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)人體的組織器官不能細(xì)致地觀察，因此很難掌握課本上的相關(guān)內(nèi)容，這樣很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，也非常不利于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的綜合能力及創(chuàng)新能力。虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用很大程度上對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了補(bǔ)充作用。通過虛擬仿真技術(shù)的利用，可將復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（比如血液循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)等）進(jìn)行形象化和立體化，全方位的展示結(jié)構(gòu)及生理功能，從而較好地輔助了教師對(duì)知識(shí)進(jìn)行講解，學(xué)生理解能力也得到提升，實(shí)驗(yàn)技能也能熟練掌握；另一方面，由于虛擬仿真技術(shù)屬于計(jì)算機(jī)操作，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)將不受時(shí)間和空間的限制，對(duì)某些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不理解的，可通過反復(fù)操作進(jìn)行多次學(xué)習(xí)。

在“人體解剖生理學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程中，觀察性實(shí)驗(yàn)占主要部分。這種情況下，利用虛擬仿真技術(shù)具有三維動(dòng)畫、仿真性高及便于學(xué)生實(shí)時(shí)觀察學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，使學(xué)生可根據(jù)自身知識(shí)的掌握情況對(duì)其進(jìn)行觀看學(xué)習(xí)，最后再針對(duì)性的對(duì)標(biāo)本或模型進(jìn)行觀察。例如，在學(xué)習(xí)眼的結(jié)構(gòu)和生理功能時(shí)，學(xué)生可先跟隨虛擬仿真技術(shù)提供的高仿真三維立體動(dòng)畫模型學(xué)習(xí)眼球內(nèi)部的構(gòu)造（比如角膜、鞏膜、虹膜及晶狀體等）及它們之間的關(guān)系等內(nèi)容，并將這些模型賦予一定的物理屬性，便于理解其生理功能；通過虛擬仿真動(dòng)畫對(duì)眼球內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)眼球的每一組成部分具備的生理功能，比如晶狀體渾濁會(huì)導(dǎo)致白內(nèi)障的形成、角膜屈光度的改變會(huì)引起近視或遠(yuǎn)視等，借此學(xué)習(xí)讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到保護(hù)眼睛的重要性。通過虛擬仿真技術(shù)的利用，學(xué)生通過操縱鼠標(biāo)不僅可以局部放大，還可以使其在三維層面上任意方向任意角度的觀察。因此，這種教學(xué)模式在減輕教師教學(xué)壓力的同時(shí)，也提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)自主性的發(fā)揮也起到了積極作用。

4 結(jié)語(yǔ)

在“人體解剖生理學(xué)”課程教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺陷，不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的難度，也充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。雖然虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)踐中也應(yīng)注重與傳統(tǒng)教學(xué)模式的深度融合使用，各取所長(zhǎng)，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，使二者較好地融入在教學(xué)工作中，全面推進(jìn)“人體解剖生理學(xué)”課程的深入改革。