虛擬實驗在醫學機能實驗教學改革中的應用探索

摘要：機能實驗學教學改革是目前醫學教育改革的熱點問題。機能實驗學虛擬實驗教學的探討與研究，既可克服傳統機能實驗教學的局限性；又可提升學生的基本素質與創新能力，實現高校培養高素質醫學人才的辦學目標。

關鍵詞：虛擬實驗；機能實驗學；教學改革；探索

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）46-0061-02

醫學是一門實踐性極強的學科，醫學機能實驗教學是培養和提高學生基本操作技能和創新能力的重要環節。然而，隨著我國高等教育體制改革的深入，傳統機能實驗教學模式的局限性日益顯現，已成為制約機能實驗教學發展的瓶頸。因此，探索機能實驗學教學改革已成為高校醫學實驗改革的熱點[1]。隨著計算機技術的迅猛發展，把計算機技術的優秀成果與醫學實驗教學有機結合將成為醫學實驗教學改革的必然趨勢，虛擬實驗技術便是其中重要成果之一。虛擬實驗室是利用虛擬現實技術仿真或虛構某些情景，供學生觀察與操縱其中的對象，使他們獲得體驗或有所發現。為適應醫學教育改革的需要，我校機能實驗中心進行大膽的改革，強化機能模擬實驗在機能實驗教學中的地位，努力探索如何更好發揮計算機優勢，提高機能實驗學教學效果。

一、改革傳統機能實驗教學模式，積極探索機能虛擬實驗教學新方式

醫學機能學實驗是一門將生理學、病理生理學與藥理學實驗三者有機結合在一起的綜合性實驗學科，是醫學教育的重要組成部分。傳統的實驗教學占用并消耗大量的實驗動物、器材、教學場地和師資力量。隨著醫學教育招生規模的擴大，出現了實驗經費相對不足、教學資源相對缺乏等現實問題，造成“實驗動物由大變小、數量逐漸減少，以及實驗小組人數過多”等現象，以致學生動手操作的機會減少，這已成為我校制約機能學實驗教學質量提升的瓶頸。目前，國外（特別是發達國家）的醫學實驗已經很少開展動物實驗，我國的醫學實驗教學也應逐步與國際接軌，將逐步減少動物實驗的數量，這也符合動物實驗的3R原則。因而改革機能實驗學傳統教學方式（真實動物實驗）已成為當今醫學教育改革的熱點問題。隨著計算機、多媒體與網絡技術的發展及普及，計算機模擬與仿真實驗技術作為一門新興的實驗技術迅速崛起，在醫學機能學實驗中探索與應用計算機模擬實驗教學的新方式勢在必行。為了盡快解決這些制約機能實驗教學的現實問題，我校對機能實驗教學進行了積極、有效的探索。

二、虛擬實驗教學的優點

虛擬實驗室是通過多媒體計算機模擬仿真技術同儀器設備性能相結合在電腦屏幕上創造出模擬的儀器性能、實驗條件和環境，以達到真實實驗的效果。我校的醫學機能虛擬實驗室由資料室、準備室、模擬實驗室、動物房和考場五個功能不同的“房間”組成。虛擬實驗室為開設各種虛擬機能實驗課程提供了全新的教學環境。模擬實驗室與真實實驗室類似，可供學生自己動手配置、連接、調節和使用實驗儀器設備，學生可以逐步點擊相應的實驗材料、實驗動物和實驗儀器以模擬實驗操作過程，這是仿真實驗室有別于傳統實驗教學課件的重要特征之一。通過對機能學實驗計算機仿真實驗教學的深入研究，發現計算機仿真實驗在該學科教學中的有著以下獨特優勢。

1.有效緩解教學經費不足和資源短缺等問題。傳統的機能實驗教學占用并消耗大量的實驗動物、器材、教學場地和師資力量。隨著我國高等教育招生規模不斷擴大，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。近年來，國內外許多高等院校紛紛將虛擬實驗室應用于機能學開放性實驗教學中[2]，以效緩解教學經費不足和資源短缺等問題。例如由于教育經費投入等因素限制，醫學院校儀器設備的種類、數量以及實驗動物不足成為制約高質量人才培養的瓶頸，而仿真實驗室所用的虛擬軟件與真實儀器設備具有成本低、可重復利用等優勢；而且虛擬軟件不存在儀器性能波動、設備耗損、藥品試劑消耗和“三廢”問題，較少的投入就能實現多人同時上機操作練習。因此，通過開設虛擬實驗，有利于緩解醫學院校實驗教學資源相對緊張的狀況。

2.虛擬實驗利于規范學生的實驗操作與培養學生嚴謹的實驗態度。科學嚴謹的實驗態度對培養醫學積極主動地進行實驗和動手操作意識起著至關重要的作用。在計算模擬實驗中，實驗室采取人機交互的方式實施實驗，就像置身于真實的實驗場景中，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性，充分激發了學生學習的興趣和積極性。醫學機能實驗學教學的對象主要是剛進入大學二年級的學生，他們對基礎醫學有了初步認識，還不能熟練運用相關知識進行病理分析。然而，他們又渴望將這些知識運用于臨床實踐，為了滿足學生的需求，我們開展了一些與臨床聯系比較緊密的實驗，例如：犬失血性休克微循環功能障礙與呼吸衰竭及復蘇等實驗，先進行模擬實驗練習；然后通過教師示教及學生利用實驗動物對模擬實驗結果進行驗證和觀察。因此，虛擬實驗可作為預研手段為真實動物實驗奠定基礎，這樣既可節約大量教學成本，縮短實驗周期，又可減少操作失誤與提高實驗成功率；同時增強了學生動手能力。通過自己動手驗證模擬實驗的結果，激發學生對實驗的興趣、規范學生的實驗操作與培養學生嚴謹的實驗態度。

3.虛擬實驗教學有利于激發與培養醫學生的創新意識。機能學虛擬實驗具有很強的開放性，虛擬實驗平臺與真實實驗平臺類似。通過提供不同的模擬與仿真軟件，學生可以充分發揮自身的想象力和創造力，自己動手配置、連接、調節和使用實驗儀器設備，選擇實驗動物；并且可以隨時改變生理系統模型中的各種參數的取值范圍，設計實驗目的，觀察實驗過程，實現自己實驗設想，以提高學生的動手能力、思維能力和實踐能力。例如，當在動脈模型中設置低于正常值的血管彈性時，則構成了動脈硬化模型。這種通過改變心血管系統模型中的各種參數的取值范圍，可仿真一系列心血管疾病模型。在這些病態模型上所進行的虛擬實驗對研究相關的疾病發生機理以及防治方法有著重要意義。因此，計算機模擬與仿真實驗能夠使學生在獲取新知識的同時，得到啟發；在增強實踐能力、動手能力的同時，培養了學生的創造力，提高了學生的創新能力，這是過去傳統實驗所無法比擬的[3]。

三、虛擬實驗在機能實驗教學中的局限性

虛擬實驗室雖具備上述諸多優點，但虛擬實驗在機能實驗教學中也存在局限性：①虛擬實驗中實驗者通過計算機對實驗對象進行模擬實驗操作，由于受到真實場景的可再現性限制，有些機能學實驗難以用虛擬實驗替代真實實驗中的各種實驗操作，如糖皮質激素的藥效學觀察實驗；②虛擬實驗受到技術支撐方面限制，例如智能程度就是其中重要的制約因素之一，低智能度的虛擬實驗往往脫離真實實驗場景。③虛擬實驗終究是虛擬的，不具備真實實驗中的一些干擾因素等，因而在真實實驗中通過對實驗過程中出現的各種不確定因素的分析思考及排除等培養學生能力的情景，在虛擬實驗中不可能完全包含。例如在真實的實驗過程中，可能會出現動物麻醉后的死亡與動脈插管內血液的凝集等意外現象，這些在虛擬實驗中不會出現，而這些現象可以培養學生分析和解決實際問題的能力，這些應急處置能力是醫學生以后在工作崗位上最需要具備的素質之一。

四、虛擬實驗與真實動物實驗有機結合，努力提高教學質量

通過7年機能模擬實驗教學探索，我校機能中心的模擬實驗教學初見成效。盡管虛擬實驗具有傳統機能實驗無可比擬的優勢，但其不能完全替代真實實驗，它只是對真實實驗的一種延伸和強化。虛擬實驗保障真實實驗的實施以及教學的順利進行重要手段，有利于培養學生的創新意識，也為機能學實驗的開放性教學提供了新的途徑。真實實驗的主要目的是為了幫助學生驗證課堂的基礎理論知識和培養學生的基本操作技能。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，在醫學機能實驗教學改革的具體實踐中要注意處理好“虛擬實驗”和“真實實驗”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，不能一味地強調虛擬實驗而忽視真實實驗，要“虛實”結合，既相互補充，又各有側重，使二者更好地為機能學實驗教學服務，以便取得更好的實驗教學效果。

傳統機能實驗教學模式的局限性已成為機能實驗教學發展的制約因素，虛擬實驗將是傳統機能實驗學教學改革的方向，也是傳統實驗教學改革中重要組成部分。處于發展變化中的虛擬實驗，隨著計算機運用技術的不斷進步，其在機能實驗教學中有著廣闊的應用前景。將計算機虛擬實驗與真實實驗有機結合，各取所長，達到優勢互補，作為提高機能實驗教學質量的重要手段。

參考文獻：

[1]謝忠好，陳醒言，范小芳，龔永生，胡良岡.醫學機能學教學虛擬實驗的設計[J].溫州醫學院學報，2011，41（2）：168-169.

[2]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].醫學教育探索，2009，30（6）：75-76.

[3]楊路，曹弟勇.機能學實驗模塊在醫學生能力培養中的作用[J].臨床合理用藥，2013，6（1）：177.

基金項目：湖南省教育廳基金（09C835）

作者簡介：顧洪豐，博士，講師，研究方向為動脈粥樣硬化性疾病發病機制及其防治。