虛擬實驗在機能學實驗教學中的應用與體會

劉愛東，王 箐，田 琳，任 偉

(遵義醫學院機能學實驗室，貴州遵義 563003)

虛擬實驗在機能學實驗教學中的應用與體會

劉愛東，王 箐，田 琳，任 偉

(遵義醫學院機能學實驗室，貴州遵義 563003)

隨著科學技術的發展，真實實驗已不能完全滿足機能學實驗教學的要求。虛擬實驗是機能學實驗教學中的重要組成部分，建立虛擬實驗室是適應了機能學實驗教學的需求，彌補了真實實驗的不足，延伸和強化了真實實驗。本文主要介紹虛擬實驗在我校醫學機能學實驗教學中的應用。

虛擬實驗;機能學實驗;實驗教學

醫學實驗課是高等醫藥學教育的重要組成部分，實驗教學對培養和提高學生基本技能、綜合能力和創新能力起著至關重要的作用。我校自1999年組建了機能學實驗室，更新了教學內容、改革了教學方法，構建了由基礎性、綜合性、設計性實驗三個層次的合理的實驗教學體系，形成了自已的特色與模式。然而，隨著我國高等教育體制改革的深化，招生規模不斷擴大，技術更新速度日益加快，傳統的實驗教學手段(即真實實驗)由于受到教師資源、場地、儀器和設備的限制已經不能完全滿足教學需要，而隨著計算機、多媒體、網絡技術的發展，虛擬實驗技術作為一門新興的實驗技術迅速崛起[1]，創建虛擬實驗室勢在必行。

1 目前我校機能學實驗教學現狀

機能學實驗是一門將生理學實驗、病理生理學實驗、藥理學實驗內容有機融合的一門綜合性實驗學科，它是以實驗動物為主要研究對象，通過觀察實驗動物的基本生理生化反應，研究疾病發生的病理生理學機制，分析其干擾因素的影響或藥物作用與效應，學習和驗證生命活動的基本規律[2]。其教學模式是依據教學大綱、教學計劃，需要準備實驗動物、手術器械及藥品，通過老師講授及多媒體輔助教學，學生作為實驗的參與者、實施者和觀察者而親自實踐。這樣，學生能將所學知識用于真實實驗中，鍛煉了學生的動手能力以及和其他同學的協同工作的能力，以達到實驗的目的[3]。但這種教學模式存在一些不足之處:

1.1 實驗成本高，耗材大

機能學實驗所用動物價格較昂貴，所涉及的儀器設備種類繁多且實驗復雜，學生不易掌握，如果學生以前沒有接觸過該實驗的儀器，實驗中就有可能因使用方法不當而進行誤操作，造成實驗中斷、儀器損壞，尤其是輔助設備(如換能器、心電導線、神經勾和屏蔽盒等)容易損壞，還有不規范使用手術器械，造成手術器械的損壞，因此，實驗耗材也較大。

1.2 實驗復雜，難度大，成功率低

根據教學大綱所設的常規實驗內容，有的實驗所需物品比較復雜，缺少哪一種，都會直接影響實驗效果;部分實驗操作復雜、精細，難度大，學生在短短的學時內難以熟練掌握，容易產生畏難情緒，往往造成實驗不順利甚至失敗，或者由于極度依賴教師幫助，直到實驗結束都不知道如何正確操作。另外，由于實驗的抽象性大大削減了學生預習的興趣，學生對實驗的原理、過程和現象缺乏理解，導致學生對實驗預習缺乏足夠的重視，也是導致部分實驗失敗的原因之一。

1.3 動手機會較少

由于教學時間有限，動物數量有限，學生人數多，不可能使每位學生都有充足的訓練機會。

1.4 實驗室條件限制，致使一些實驗無法開展

對于一些需要顯微鏡來配合觀察的微觀實驗現象，比如休克實驗中血管的微循環現象;一些有危險的實驗，如小鼠缺氧實驗中需要使用的有毒物質，難以在真實實驗中進行。還有學生的設計性實驗，由于實驗室條件限制，使學生也不敢大膽嘗試。

1.5 實驗技術難以規范統一

實驗教學的運作模式采用的是“分散委托制教學”，其原因是:在教學實施過程中沒有固定的實驗教學老師，實驗帶教常常是根據實驗內容的側重學科不同而由相應的教研室安排完成。其特點是老師的教學內容相對固定，而學生輪流轉動。但是實踐表明這樣的教學方式往往造成教學管理和協調的相對復雜，而且由于教師流動性較大，尤其是參與實驗教學的研究生越來越多，絕大多數研究生缺乏教學經驗和熟練掌握實驗操作技術，加之實驗教師對實驗技術操作的理解和習慣性不同，使得實驗技術難以規范統一，造成學生不知如何正確掌握實驗操作。

1.6 課程整合以后的理論教學問題

生理學、藥理學和病理生理學三個學科的實驗得到了某種程度上的融合，但理論部分尚處在分離的狀態，以致理論和實踐之間有脫節現象[4]，尤其是學生在學習生理學、病理生理學理論階段中，未開展相應實驗進行輔助，學生對于抽象的理論知識就很難理解(如電生理產生機制)。

為了解決上述的問題，更好地開展教學工作，提高教學質量，真正達到實驗教學的目的，我實驗室利用原有三個實驗室計算機資源和場地資源，混用實驗室，組建了自己的局域網，引進了VBL-100虛擬實驗室系統，建立了虛擬實驗室，同時將虛擬實驗室掛接到校園網上，供學生們在寢室、實驗室、圖書館等途徑進入虛擬實驗室學習。

2 VBL-100虛擬實驗室系統的特點

VBL-100虛擬實驗室系統是由成都泰盟有限公司研發。該系統采用計算機虛擬仿真與網絡技術，運用服務器的構架模式，涵蓋了40多個機能學實驗的全套模擬仿真，由于模擬仿真實驗無需實驗動物，無需實驗準備即可幫助學生理解實驗的操作步驟以及實驗效果，可以作為機能學實驗教學的一個有益補充，該系統特點有:①采用服務器的體系結構，可以在實驗室局域網，又可以在校園網進行訪問，方便學生使用。②介紹大量的生物機能學背景知識，拓展學生的知識面。③系統結構完整，內容豐富，包含資料室、動物房、實驗準備室、模擬實驗室和考場五部分內容。④介紹了20多種新的實驗設備，包括每種儀器設備的用途、原理和操作，既開闊了學生的視野，又為學生進行探索性實驗以及自主性設計實驗提供了新的科學指導。⑤30多個仿真實驗涵蓋了生理、藥理、病生、人體、綜合等實驗內容。⑥每個仿真實驗包括:簡介、原理、操作仿真、實驗錄像和實驗波形模擬5個部分的內容，全方位介紹了整個實驗，既表達整體，也表達細節，便于學生對實驗操作的充分理解和掌握。⑦具有開發性，教師可將自己的實驗圖片、實驗錄像、實驗原理和操作的文字加入到系統中，擴充系統的實用性。

3 虛擬實驗在機能學實驗教學中的應用效果

3.1 節省實驗經費，增加了學生的實驗機會

虛擬實驗不需要實驗動物和藥品器材，不受實驗動物、試劑的制約，減少了實驗成本，減少了儀器損耗。學生在操作時可以反復練習，反復修改，做到一人一組，每位學生都能熟練掌握實驗方法，克服了動手操作機會少的現象，有利于調動學生學習的主動性，促進學生對實驗儀器的熟悉和對實驗原理的理解，特別是一些對學生來說陌生而復雜的儀器，經過虛擬實驗的練習，操作起來既輕松又胸有成竹，從而提高教學效率[5]。

3.2 提高了學生實驗的成功率

在實驗課之前，學生登錄虛擬實驗系統，對實驗的原理、過程和現象做一些介紹，便于學生對教學內容的理解，做到心中有數，減少了盲目操作，利于真實實驗的開展。每個實驗操作仿真，充分應用多媒體豐富直觀的表達形式，將仿真動畫，實驗錄像以及操作說明有機結合，既表達整體，也表達細節，便于學生對實驗操作的充分了解和掌握。

3.3 豐富了實驗項目

通過虛擬實驗演示或進行操作，使得那些因實驗成本過高而難以進行的實驗(如學生設計性實驗)，一些危險的、在現實中不易實施的實驗(如小鼠缺氧實驗中需要使用的有毒物質)和一些微觀實驗現象(如休克實驗中血管的微循環現象)，都可以通過虛擬實驗來完成，彌補真實實驗的不足，使學生能夠全面深刻掌握課本的知識[3]。學生還可以通過考場的試題進行復習和自我測試，進一步提高對理論知識的掌握。

3.4 激發學生的創新性思維

虛擬實驗室采取人機交互的方式實施實驗，具有智能性、仿真性、形象性、趣味性的特點，利用機能學虛擬實驗室進行設計性實驗，自主設計添加實驗項目，充分調動了學生學習的興趣，培養學生的創造力。

3.5 規范實驗技術，提高教師開發新實驗項目的能力

由于虛擬系統軟件具有開發性，可將規范的實驗技術加入到系統中，做到實驗技術的規范統一。同時，為滿足學生需要，教師就必須不斷開發新的實驗項目，從而將自己的實驗圖片、實驗錄像、實驗原理和操作文字加入到系統中，擴充系統的實用性。

3.6 真正實現理論教學與實驗教學的結合

仿真實驗可以經過設置或再開發，作為理論教學的輔助工具。一些在學科發展中做出了歷史性貢獻的典型實驗都可以利用仿真實驗展現于課堂教學中，通過實驗的方法引入新的概念和規律，把理論教學與實驗教學有機的融為一體，按照科學探索和研究的過程進行教學，可以開闊學生的視野，提高學生實驗的學習興趣[5]。這樣，學生在學習生理學、病理生理學的階段中，就可利用虛擬實驗室的學習，將所學的理論知識與相關實驗聯系起來，加深對理論知識，尤其是抽象知識的理解。

4 教學體會

4.1 混用實驗室的優缺點

由于我實驗室場地的限制，不能建立專用虛擬實驗室，因此利用原有計算機資源和場地資源，混用實驗室建立了虛擬實驗室，其優點:①節約成本;②學生可以將虛擬實驗和真正的機能實驗有機結合起來，達到印象深刻的目的。缺點:①容易和真實實驗造成沖突，比如，老師在讓學生做真實實驗時，學生卻自己用虛擬實驗;②在真實實驗中，發現在觀察實驗項目記錄圖形變化中，有時電腦容易死機，導致觀察到的變化不能保存，造成數據的丟失。分析原因:①電腦的內存較小，安裝生物實驗操作系統軟件和虛擬實驗室系統軟件后，占用了一定量的內存空間，可能留有記錄圖形變化的內存空間不足，如果連續數次的實驗記錄存留電腦未及時刪除，可能在后續實驗觀察記錄中出現電腦死機現象;②學生操作失誤造成的，由于安裝生物實驗操作系統軟件和虛擬實驗室系統軟件占用了一定量的內存空間，導致電腦運行速度變慢，如果學生在連續點擊的情況下，也會出現電腦死機現象。③學生不嚴格按要求進行操作，不規范使用電腦，隨便刪除系統文件。解決的方案:①在第一次上實驗課時就詳細地給學生講解生物機能實驗系統和虛擬實驗室的操作方法，同時告知學生電腦運行較慢的原因，一定嚴格遵守實驗規則，規范操作，要有耐心;②及時刪除舊的實驗記錄，為后續實驗留有空間;③最有效的辦法是更換內存大、運行速度快的主機。

4.2 虛擬實驗不能完全替代真實實驗，只是對真實實驗的一種延伸和強化

盡管虛擬實驗室具備上述很多優點，又可以解決學生增多，實驗經費、場地、設備短缺的矛盾，虛擬實驗的形象生動、直觀、交互性，以及在展現實驗現象時具有強大的表現力都是真實的實驗過程所無法比擬的，然而虛擬實驗也有缺點，它不能完全替代真實實驗，這是因為:①真實實驗對學生動手操作能力的培養有著十分重要和不可替代的作用。②在真實的實驗過程中，可能會出現很多異常現象和故障，比如動物麻醉后的死亡，動脈血壓測量時插管的凝集，這些在虛擬實驗中是不會出現的，而這些現象和故障卻可以培養學生分析和解決實際問題的能力，這些能力也是醫學生日后走上工作崗位最需要具備的素質。③在真實實驗中對不同的干擾因素可以采取相應的措施以減少或排除，在虛擬實驗中可以增加干擾參數來仿真，但離真實實驗中干擾因素的影響程度還差很遠，這樣會影響學生對微小變化和非正常信息的感受，學不到這方面的知識，不利于培養學生嚴謹求實的科學態度。④真實實驗的過程也需要一個小組成員的共同合作，包括協作、幫助、溝通和交流、欣賞他人、相互鼓勵，這種實驗室中親歷其境的合作恰好潛移默化地培養了學生的團隊精神[3]。因此，虛擬實驗只是對真實實驗的一種延伸和強化。

4.3 虛實結合，相輔相成

真實實驗幫助學生驗證和鞏固了課堂的基礎理論和基本知識，更重要的是訓練了學生的基本技能，培養學生的綜合能力和創新能力，虛擬實驗輔助真實實驗的實施以及教學的順利進行，為培養學生的創造力提供了有力條件，也為機能學實驗的開放，實驗室發展提供了一個新的途徑。真實實驗和虛擬實驗都是機能學實驗中的重要組成部分，二者相互結合，相互促進。因此，需要我們更新實驗教學觀念，重新認識虛擬實驗室。在機能學實驗教學中，需要處理好二者的關系，在實驗條件允許情況下，盡量按照教學計劃來開展真實實驗，不要因為實施虛擬實驗較為容易，就忽視了真實實驗，同時充分開發虛擬實驗，發揮其不可替代的特點和優勢，使二者更好地為機能學實驗教學服務。

[1]張 剛，羅小華，賀利芳.構建網絡虛擬實驗室技術研究[J].實驗研究與探索，2008，27(3):57 -58.

[2]王建紅，古宏標.醫學機能學實驗[M].北京:中國醫藥科技出版社，2008:1-3.

[3]徐 靜，孫藝平，王冬梅.虛擬實驗與真實實驗在機能學實驗中之比較[J].醫學與哲學(人文社會醫學版)，2009，30(6):75-76.

[4]劉愛東，王 箐，田 琳，等.我校機能實驗教學改革的現狀與問題分析[J].醫學教育探索，2009，8(11):1455 -1457.

[5]馮長江，陳 月.論仿真實驗在實驗教學中的地位和作用[J].北華航天工業學院學報，2010，20(Suppl):14-16.

G642.423

A

1006-2769(2012)01-0088-03

2011-11-21

劉愛東(1969-)，女(漢族)，河北定興縣人，學士，副教授，主要從事機能學實驗教學、生理學教學和科研工作。