應(yīng)急過后虛擬實驗在機能實驗教學(xué)中應(yīng)用的反思*

齊彥 （黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)實驗實訓(xùn)中心）

新型冠狀病毒（COVID-19）疫情出現(xiàn)的極其嚴(yán)重的接觸傳播性，導(dǎo)致醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)受到嚴(yán)重影響。而且就新型冠狀病毒及其變異形態(tài)的發(fā)展來看，其有作為常駐病毒的趨勢。而要擺脫其給教學(xué)帶來的負(fù)面影響，必須找到相應(yīng)的方法應(yīng)對。虛擬實驗室是一個強大的教育工具，是在網(wǎng)絡(luò)支持下的實驗系統(tǒng)，使學(xué)生能通過虛擬平臺在線進行相關(guān)實驗操作，輔助常規(guī)的實驗教學(xué)，這也有助于強化學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，發(fā)展學(xué)生的綜合素質(zhì)。

一、虛擬仿真實驗系統(tǒng)在實驗教學(xué)中存在的重要意義

（一）能合理促進實驗教學(xué)的資源整合

醫(yī)學(xué)機能實驗學(xué)是一門訓(xùn)練學(xué)生基本實驗技能和分析并解決問題能力的綜合性實驗學(xué)科，它能借助動物實驗研究來促進學(xué)生認(rèn)知生命過程機能正常和異常變化的特點和規(guī)律。高等醫(yī)學(xué)院校定購并建設(shè)的虛擬仿真實驗系統(tǒng)幾乎包括了醫(yī)學(xué)實驗的所有基本模塊，就機能學(xué)實驗來看，主要包括生理學(xué)、病理生理學(xué)、藥學(xué)及相應(yīng)的實驗?zāi)K。通過搭建資源豐富、易于操作、科學(xué)有效的網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)服務(wù)體系，能夠為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)所需的知識管理及學(xué)習(xí)過程管理服務(wù)，結(jié)合教育社交網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)教學(xué)資源整合、分享的目標(biāo)，以突破時空限制的大平臺優(yōu)勢，達(dá)成學(xué)生的自主學(xué)習(xí)條件需求。

（二）能刺激學(xué)生的求知欲并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性

虛擬仿真的實驗系統(tǒng)內(nèi)容上主要有思考題、實驗?zāi)M模塊及可開發(fā)模塊；形式上有視頻、音頻、動畫、圖像、文字等。學(xué)生可通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)中的人機互動操作，觀看平臺中的視頻、音頻、動畫，對實驗內(nèi)容產(chǎn)生好奇心以及操作欲望，有利于學(xué)生更透徹地理解實驗的目的、實驗原理以及操作步驟。[1]此外，虛擬仿真的實驗系統(tǒng)具有可開發(fā)性，允許學(xué)生按照自己的具體情況設(shè)計更有創(chuàng)意的實驗方案，提升學(xué)生在創(chuàng)新實驗方面的設(shè)計精神以及水平，拓展深層次的醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)。

（三）能提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效力

貫徹以學(xué)為中心的教學(xué)理念。若要學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣與能力，教師就要策略性地設(shè)計實驗問題給學(xué)生，讓學(xué)生嘗試借助虛擬仿真平臺自己解決一些問題，或者通過小組交流找出解決問題的方案，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)。同時，學(xué)校可持續(xù)性地完善評價學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的指標(biāo)體系，提供給學(xué)生一套能夠及時評價和反饋其自主學(xué)習(xí)能力的測評指標(biāo)。測評后的相應(yīng)反饋信息能使學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中存在的優(yōu)勢及不足，同時還能為教師有針對性地改進教學(xué)工作提供客觀依據(jù)。

（四）能提升實驗教學(xué)的成效

虛擬仿真實驗系統(tǒng)融入機能實驗教學(xué)，還有利于推進醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)的信息化發(fā)展，并支持學(xué)生的探究式學(xué)習(xí)及自主知識構(gòu)建。同時，增加了學(xué)習(xí)場所的靈活性，而且體現(xiàn)了重視課前準(zhǔn)備、強化課中掌握、拓展課后成果的過程教學(xué)，從而強化學(xué)生在創(chuàng)新以及自主學(xué)習(xí)方面的能力。[2]而且運用虛擬仿真的實驗系統(tǒng)，也讓實驗教學(xué)的方法更加多元，讓實驗教學(xué)更具有生動性和趣味性，學(xué)生還可以針對自身實驗操作中比較薄弱的部分，主動地進行預(yù)習(xí)，同時進行線上操作的練習(xí)，熟悉實驗操作以及內(nèi)容，可以有效彌補由于實驗室資源緊張而帶來的教學(xué)方面的不足，提升師生共同在機能實驗教學(xué)中的成就感。

二、虛擬實驗室在醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中的常規(guī)應(yīng)用方向

（一）虛擬實驗室是應(yīng)急情況下在線實驗教學(xué)的解決方案

利用虛擬平臺，學(xué)生可以突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)在時間、實驗動物、試劑和實驗儀器方面的約束，通過互聯(lián)網(wǎng)進行虛擬實驗操作，既可幫助學(xué)生理解實驗原理以及熟練實驗的操作步驟，又能獲得實驗結(jié)果的即時反饋。由于重要的實驗可以隨時隨地在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行，學(xué)生可以結(jié)合自身實際情況反復(fù)進行操作，利用課下時間繼續(xù)學(xué)習(xí)。而且，虛擬實驗也可以分成小組進行，允許學(xué)生之間進行社交互動和協(xié)作，可以促進學(xué)生間的交流。對于教師而言能起到較好的教學(xué)助手作用；對于學(xué)生而言，則起到強化自主學(xué)習(xí)、熟悉實驗流程及實驗結(jié)果的作用。

（二）虛擬實驗室可用于科學(xué)研究實驗方案的預(yù)演

除了教育之外，在線模擬器也經(jīng)常被用于研究之中。學(xué)生利用虛擬仿真實驗平臺可以自主擴展自身科研需要的實驗，并可反復(fù)模擬，甚至實驗過程可以中斷、暫停，不會影響實驗結(jié)果；而且這種研究方式低成本甚至零成本，有利于提高學(xué)生實驗的自主性，培養(yǎng)其探索性的實驗思想，有利于其科研創(chuàng)新能力的發(fā)展。此外，虛擬實驗室為博士生和博士后研究人員提供了獲得教學(xué)經(jīng)驗的好機會，可以熟悉虛擬教育中的重要教學(xué)方法（如情景教學(xué)和探究式學(xué)習(xí)）、參與虛擬實驗室的開發(fā)、定期對虛擬實驗室的內(nèi)容進行補充和改進，這樣可以為豐富完善在線實驗教學(xué)的手段提供幫助。

（三）虛擬實驗更多用于輔助傳統(tǒng)實驗教學(xué)

實驗是科學(xué)研究的重要組成部分，學(xué)生通過實驗可以獲得更多寶貴的技術(shù)方面的經(jīng)驗，并為將來學(xué)生走向工作崗位提供必要的技能準(zhǔn)備。然而醫(yī)學(xué)是實踐性較強的學(xué)科，因部分實驗周期較長，且實驗中應(yīng)用的某些大型儀器價格昂貴，再加上實驗試劑、實驗動物的成本及安全問題，導(dǎo)致學(xué)生親自實驗機會減少，影響人才培養(yǎng)。但虛擬實驗室可以有效解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)時空安排、試劑種類和實驗儀器的限制，幫助學(xué)生理解實驗原理，反復(fù)進行實驗操作，[3]提高其綜合實驗操作能力，而且借助虛擬實驗室的相應(yīng)實驗?zāi)K輔助學(xué)習(xí)，也有助于提升實驗教學(xué)的整體效果。

三、應(yīng)急過后實驗教學(xué)應(yīng)用虛擬實驗的反思

新冠病毒疫情的爆發(fā)導(dǎo)致醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)任務(wù)應(yīng)對過程中必須采取虛擬仿真實驗的方式作為應(yīng)急措施。但是，應(yīng)急過后的反思中也發(fā)現(xiàn)，虛擬實驗平臺建設(shè)能更好地服務(wù)實驗教學(xué)，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，有效解決實驗教學(xué)中的實際問題。

（一）虛擬平臺實驗教學(xué)體系構(gòu)建的基本原則

主管教學(xué)部門，包括國家級教育決策部門及學(xué)校教務(wù)部門。國家級教育決策部門需要制訂相關(guān)指導(dǎo)性綱領(lǐng)。在相關(guān)指導(dǎo)綱領(lǐng)框架下，學(xué)校層面需要協(xié)調(diào)整合校內(nèi)外所有可利用的教學(xué)資源，給予經(jīng)費支持，完善虛擬仿真實驗中心，按照“分層培養(yǎng)、虛實交替、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”的原則構(gòu)建實驗教學(xué)體系平臺，并確保硬件及軟件能支撐學(xué)生自主學(xué)習(xí)。[4]虛擬仿真中心資源配置方面，在基礎(chǔ)理論體系部分重點設(shè)置操作性和驗證性的實驗項目，如生理學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)相應(yīng)的基礎(chǔ)實驗；專業(yè)特色體系部分則按學(xué)科專業(yè)側(cè)重點開設(shè)綜合性實驗項目，如生理-病理-藥理綜合、科學(xué)實驗視頻；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)體系中設(shè)置學(xué)科前沿技術(shù)實驗項目，如大學(xué)生比賽項目；校企結(jié)合實驗體系則以企業(yè)自身及社會市場的需求為導(dǎo)向構(gòu)建；師生互動體系以學(xué)生需求為導(dǎo)向并融入思政元素構(gòu)建，如群體互動、多屏聯(lián)動、隨堂測驗實時反饋。

（二）虛擬實驗正常推行的基本條件

1.教師層面的挑戰(zhàn)

（1）需要加強ICT 能力及相關(guān)專業(yè)應(yīng)用技能培訓(xùn)。在應(yīng)用ICT 的能力方面，教師對ICT 掌握的熟練程度將直接影響線上教學(xué)的推進以及教學(xué)質(zhì)量。在使用ICT 技術(shù)的意識方面，有數(shù)據(jù)表明，有相當(dāng)數(shù)量的教師選擇性忽視數(shù)字化發(fā)展是時代發(fā)展必然趨勢，并對數(shù)字技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生的巨大優(yōu)勢帶給傳統(tǒng)教學(xué)方式的嚴(yán)重沖擊缺乏清醒認(rèn)識，因而很難與時俱進地把數(shù)字化發(fā)展帶給傳統(tǒng)教學(xué)改革的良好機遇作為突破點來推動教學(xué)改革。

（2）需要加強教師之間專業(yè)層次的協(xié)作。突發(fā)的新冠病毒肺炎疫情讓我們清醒地認(rèn)識到人與人之間保持適當(dāng)聯(lián)系可以有備無患，尤其在特殊時期，教師之間怎么高效開展深層次的教學(xué)合作、如何處理教學(xué)資源共享等問題還需要深入研究。

（3）需要重構(gòu)新型的適應(yīng)師生交流的關(guān)系。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程中師生互動以彼此能感覺到溫度的自然表達(dá)溝通形式展開，線上教學(xué)的環(huán)境不同于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，師生互動受到空間隔離和時間不連貫的影響，因此，要求教師探索新型的師生交流模式，滿足線上或線上線下混合教學(xué)中師生互動的基本要求。

（4）需要構(gòu)建順應(yīng)線上規(guī)律的教學(xué)設(shè)計。教師要認(rèn)真研判線上教學(xué)的教情、學(xué)情趨勢，合理運用線上平臺進行課程建設(shè)(主要解決教學(xué)過程管理)和在線虛擬實驗平臺(主要實現(xiàn)實驗操作的全方位理解和掌握)的功能，創(chuàng)造性地設(shè)計符合線上學(xué)習(xí)或與線下混合要求的教學(xué)活動環(huán)節(jié)，有效強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

2.學(xué)生層面的挑戰(zhàn)

（1）需要改善線下學(xué)習(xí)模式。從學(xué)生發(fā)展的角度來說，自主學(xué)習(xí)的能力是極其重要的品質(zhì)，想要讓學(xué)生有自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生適應(yīng)虛擬仿真的教學(xué)方法。在機能學(xué)的實驗教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真的實驗系統(tǒng)以后，學(xué)生在操作過程中遇到問題可以嘗試重復(fù)操作，分析問題的原因并嘗試解決，逐漸養(yǎng)成自主解決一些問題的習(xí)慣，突出學(xué)生主體，強化學(xué)為中心，促進線上教學(xué)與線下教學(xué)的平順切換。

（2）需要加強心理健康建設(shè)。對于自我調(diào)節(jié)能力較差的學(xué)生而言，他們無法快速適應(yīng)從有嚴(yán)格制度和作息規(guī)律的導(dǎo)引學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向相對獨立的自主學(xué)習(xí)，進而影響學(xué)習(xí)質(zhì)量。如何更科學(xué)合理地消解自己的消極情緒，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，盡快找到適合自己的解決方案是一些學(xué)生的首要任務(wù)。

（3）需要出臺可行方案保障困難生線上學(xué)習(xí)的基本條件。如何保證弱勢學(xué)生群體數(shù)字化學(xué)習(xí)的質(zhì)量，盡量降低學(xué)生端硬件要求是平臺建設(shè)應(yīng)考慮的嚴(yán)肅問題。也應(yīng)是國家扶貧政策應(yīng)給予高度關(guān)注的教育問題。

3.在實驗教學(xué)中應(yīng)該發(fā)掘虛擬仿真實驗系統(tǒng)的高層次功能

多數(shù)教師只愿意運用虛擬仿真實驗系統(tǒng)中的簡單功能，如實驗錄像、動畫演示等，只有少數(shù)教師愿意花費更多精力創(chuàng)造性地應(yīng)用虛擬仿真實驗系統(tǒng)配備的可開發(fā)性功能，以充分地發(fā)揮其優(yōu)勢，這樣才能盡可能地彌補線上教學(xué)存在的不足。

4.虛擬仿真實驗不應(yīng)該取代傳統(tǒng)實驗室中的實體實驗

虛擬實驗系統(tǒng)的實質(zhì)是利用動態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過符合科學(xué)邏輯的交互式操作3D 仿真實驗裝置，實時模擬真實的實驗過程及實驗現(xiàn)象，可以產(chǎn)生與實體實驗匹配的實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果。但虛擬實驗室不應(yīng)該完全替代傳統(tǒng)實驗室中的真實實驗，因為傳統(tǒng)實驗室中的真實實驗更有質(zhì)感、情感、倫理認(rèn)同感，而且實際實驗中會受到各種主客觀因素的影響，實驗過程更符合實際工況。而虛擬仿真實驗的操作步驟已經(jīng)程序化，其實驗結(jié)果也是預(yù)設(shè)的理論上的結(jié)果，實驗數(shù)據(jù)有可能是“完美無瑕”的，不利于學(xué)生對實際問題的分析；也不能實現(xiàn)大量的實物操作和反復(fù)練習(xí)，達(dá)不到增強學(xué)生實際動手操作能力的教學(xué)目標(biāo),也很難真正幫助學(xué)生掌握技術(shù)。然而，在學(xué)術(shù)環(huán)境中，虛擬實驗室和實體實驗室可以協(xié)同工作，為實體實驗做更富有成效的準(zhǔn)備。[5]

5.線上教學(xué)的體驗及持續(xù)使用意愿

由于教師與學(xué)生的人生閱歷及在教學(xué)中的立場不同，導(dǎo)致雙方對在線教學(xué)的身心體驗存在差異。有研究表明，感知有用性、感知易用性和外部環(huán)境對師生持續(xù)使用在線教學(xué)意愿具有較大影響。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)時代的學(xué)生群體對感知有用性和外部環(huán)境更敏感，認(rèn)為三因素對持續(xù)使用意愿的影響次序為：感知有用性優(yōu)先于外部環(huán)境感知，外部環(huán)境感知優(yōu)先于感知易用性。而教師由于角色和責(zé)任不同，更看重感知有用性和感知易用性條件，認(rèn)為三因素對持續(xù)使用意愿的影響次序為：感知有用性，感知易用性，外部環(huán)境感知。但毋庸置疑的是，把線下課程的教學(xué)模式簡單地線上進行處理、線上資源優(yōu)勢利用缺少合理性、線上即時評價的反饋滯后仍是提升使用線上教學(xué)意愿需要解決的關(guān)鍵問題。比較而言，面對線上教學(xué)的軟硬件挑戰(zhàn)，相較于互聯(lián)網(wǎng)時代成長的學(xué)生群體，教師群體整體趨于保守。值得注意的是，教師與學(xué)生在未來在線教學(xué)使用意愿上的問卷調(diào)查顯示“線上模式”低于“線上+線下”模式。

當(dāng)前醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程在培養(yǎng)體系中存在授課學(xué)時壓縮而又不能降低教學(xué)要求的看似不合理操作，而利用虛擬實驗輔助實驗教學(xué)具有直觀、投入少、產(chǎn)出多的效果，能給課程學(xué)習(xí)帶來更多便利和助力，而且能將專業(yè)最前沿的知識及技術(shù)帶給學(xué)生。鑒于此，虛擬實驗平臺作為高校應(yīng)用較多的線上實驗教學(xué)系統(tǒng)，軟件研發(fā)單位應(yīng)多與各高校教學(xué)一線使用部門溝通合作，多采納教學(xué)使用部門的有效建議和意見；同時教師的教育理念也應(yīng)與時俱進，將虛擬實驗系統(tǒng)自然地融入教學(xué)中，強化學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，以推動醫(yī)學(xué)教育的優(yōu)質(zhì)發(fā)展。但考慮虛擬實驗缺乏面對實體的實際動手能力訓(xùn)練，采取能發(fā)揮各自優(yōu)勢的線上虛擬實驗與線下實際操作相融合的實驗教學(xué)模式才是最適配方案。