虛擬仿真技術(shù)在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用*

王 星 王 靜 王超群 史 君※

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110;2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院風(fēng)濕免疫科,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110;3.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院影像科,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110)

生理學(xué)是一門重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程。在生理學(xué)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)非常重要，通過完成實(shí)驗(yàn)操作學(xué)生不僅可以熟練地掌握動物實(shí)驗(yàn)技術(shù)，而且可驗(yàn)證所學(xué)到的理論部分知識，深化對理論知識的理解，使抽象、晦澀的理論直觀化。但傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)受時間、耗材、經(jīng)費(fèi)等因素的制約，教學(xué)模式依舊很傳統(tǒng)：教師講授演示、學(xué)生模仿操作，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低落，教學(xué)效果欠佳，已經(jīng)不能滿足日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求[1-3]。隨著高校教學(xué)方法的改革與教學(xué)模式的創(chuàng)新，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)于生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺點(diǎn)，不受時間、空間和場所限制，人機(jī)互動直觀實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和現(xiàn)象，可作為開放共享的實(shí)驗(yàn)數(shù)字資源室供學(xué)生反復(fù)實(shí)驗(yàn)，直至操作成功，因此能有效提高學(xué)生的實(shí)踐與分析能力，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興致，促進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)模式向信息共享、智能化方向的變革[4-6]。本研究依托內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)國家級蒙醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺豐富的教學(xué)資源，探討生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前景，為發(fā)展生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出新的思路。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)

內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)蒙醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成立于2013年，依托中蒙醫(yī)的臨床模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，以形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、生物醫(yī)學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等6個自治區(qū)級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和自治區(qū)級工程技術(shù)研究中心——數(shù)字醫(yī)學(xué)中心等為支撐，本著“以實(shí)為本、以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”的指導(dǎo)思想，秉承“教學(xué)、科研、醫(yī)療、開發(fā)、共享”一體化理念，大力進(jìn)行數(shù)字化和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)，尤其是對那些受諸多主客觀因素制約的項(xiàng)目著重進(jìn)行虛擬仿真研發(fā)。該中心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺以基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的虛擬仿真資源作為支撐，數(shù)字醫(yī)學(xué)中心作為支柱，整合特色的蒙醫(yī)資源而建立。平臺施行統(tǒng)一的身份認(rèn)證、統(tǒng)一的管理，并且共享開放。該平臺目前有蒙醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、虛擬病人PBL教學(xué)、數(shù)字醫(yī)學(xué)中心4大模塊。蒙醫(yī)學(xué)模塊為自主開發(fā)的蒙醫(yī)特色診療技術(shù)虛擬操作系統(tǒng)等虛擬資源?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)模塊有內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)與上海夢之路聯(lián)合開發(fā)的機(jī)能學(xué)、病原生物學(xué)、生化學(xué)、分子生物學(xué)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，山東易創(chuàng)研發(fā)的人體數(shù)字解剖系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)數(shù)字化教學(xué)平臺，成都泰盟研發(fā)的VMC-100基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺及內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)自行建設(shè)的數(shù)字切片庫。數(shù)字醫(yī)學(xué)中心有Mimics16.01、Amira5.4、Anybody、Geomagic Studio等數(shù)字轉(zhuǎn)化軟件。平臺總計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目110多項(xiàng)，大體病理圖片360多張，數(shù)字切片1000多張，PBL教學(xué)項(xiàng)目5項(xiàng)，以及虛擬儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)動物等。師生利用這些資源可開展綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。在任何時間、地點(diǎn)學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)利用平臺開展自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和PBL學(xué)習(xí)。平臺除虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能外，還具有用戶管理、實(shí)驗(yàn)信息管理、課堂作業(yè)、在線答疑、教師教學(xué)管理等模塊。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，包括蟾蜍、家兔與人體3個主要模塊，每一個實(shí)驗(yàn)?zāi)K由實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)視頻、實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作、課后作業(yè)5大部分組成。首先，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前通過觀看系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)操作的視頻以及其他的學(xué)習(xí)材料達(dá)成預(yù)習(xí)任務(wù)，應(yīng)用人機(jī)互動的操作進(jìn)行練習(xí)。其次在實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作過程中教師可設(shè)計(jì)一些實(shí)驗(yàn)相關(guān)的問題，進(jìn)行啟迪式教學(xué)。啟迪式教學(xué)可充分地調(diào)動起學(xué)生的學(xué)習(xí)興致，促進(jìn)學(xué)生主動思考，引發(fā)學(xué)生從未知至已知、具體至抽象以及現(xiàn)象至本質(zhì)。同時在實(shí)驗(yàn)中，如果學(xué)生能夠及時地在系統(tǒng)中討論遇到的疑難問題，教師還可針對性進(jìn)行解答。課程結(jié)束后系統(tǒng)能夠?qū)⒚恳晃粚W(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作情形、答題狀況、時間與完成比率、疑難的問題等信息反映給帶教老師，幫助老師分析學(xué)生學(xué)習(xí)的情況。實(shí)驗(yàn)課堂中主要完成實(shí)操，教師根據(jù)學(xué)生在第一階段自主學(xué)習(xí)的反饋實(shí)行重點(diǎn)講解。學(xué)生隨機(jī)分組開展討論，依據(jù)疑難的問題拓展思維自主地設(shè)計(jì)探索性實(shí)驗(yàn)，教師指導(dǎo)學(xué)生依據(jù)已學(xué)的理論知識選用科學(xué)合理并且具有一定創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)題目開展實(shí)驗(yàn)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫。最后，各小組選派一名學(xué)生報(bào)告成果，教師可根據(jù)其綜合表現(xiàn)評價學(xué)生操作能力、實(shí)驗(yàn)的可行性以及新穎性等。如此既能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)操能力，又能夠逐漸養(yǎng)成學(xué)生觀察、分析與解決問題的科學(xué)素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)課后學(xué)生也可利用該系統(tǒng)反復(fù)地進(jìn)行模擬操作以加強(qiáng)復(fù)習(xí)已學(xué)知識，還可完成網(wǎng)上測試。另外，系統(tǒng)還能夠?qū)⒚總€學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與測試結(jié)果回饋給學(xué)生，學(xué)生能夠及時地查收并且進(jìn)行自身評價，尋找薄弱癥結(jié)給予強(qiáng)化。

3 虛擬仿真技術(shù)在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)開拓出一種新模式，是進(jìn)步的表現(xiàn)，也是信息技術(shù)發(fā)展必然的結(jié)果。將虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)用在生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可以有效地把知識從傳統(tǒng)的書本呈現(xiàn)至信息技術(shù)載體當(dāng)中，而且將靜態(tài)的文字與圖像轉(zhuǎn)為動態(tài)的Flash動畫與視頻，教學(xué)內(nèi)容因逼真的表現(xiàn)形式更易為學(xué)生接受。學(xué)生可根據(jù)自身的情況充分利用課外的時間，自主安排學(xué)習(xí)并進(jìn)行線上的操作，還可在該系統(tǒng)中反復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)操作的薄弱節(jié)點(diǎn)，以便切實(shí)掌握實(shí)驗(yàn)。綜上所述，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有下列好處[7-10]：(1)真實(shí)感，虛擬仿真技術(shù)與生理學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，其逼真的虛擬環(huán)境，可以讓學(xué)生身臨其境，產(chǎn)生置身真實(shí)環(huán)境中的感覺。(2)互動性，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生可選用所需實(shí)驗(yàn)的耗材與試劑自主性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與操作，在不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會有所不同，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)真思考實(shí)驗(yàn)的原理，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和解決問題的能力。(3)安全性，虛擬仿真系統(tǒng)搭建的情境，可模擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)中確實(shí)存在的環(huán)境，能夠有效地規(guī)避傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中可能存有的危險(xiǎn)。(4)逼真性，虛擬的環(huán)境與現(xiàn)實(shí)的環(huán)境近似度極高，學(xué)生能通過模擬的實(shí)驗(yàn)過程高度還原手術(shù)過程。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作之前體會實(shí)驗(yàn)的場景，更好地理解實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生的預(yù)測結(jié)果。

4 展望

運(yùn)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程當(dāng)中，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得更有趣、更生動，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的主觀學(xué)習(xí)能動性和實(shí)踐素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，補(bǔ)救傳統(tǒng)大班級教學(xué)的缺點(diǎn)，一定程度上增強(qiáng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，推動傳統(tǒng)教學(xué)模式向信息化、智能化方向的變革[11，12]。將來，教師會依據(jù)學(xué)生個體的特征，采納大部分學(xué)生關(guān)于虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的需要與意見，構(gòu)建更多、更優(yōu)秀的虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，更普遍地運(yùn)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，發(fā)展創(chuàng)新高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，從而建設(shè)較高水平的醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)體系。