虛擬仿真系統在生理學實驗教學中的探索與實踐

丁潔瓊 唐瓊 孟巍 朱海麗（通訊作者）

（湖北科技學院基礎醫學院生理教研室 湖北 咸寧 437100）

生理學是研究生物體及其各組成部分正常功能活動規律的一門重要基礎醫學課程，它同時也是一門實驗性科學，其所有知識均來自臨床實踐和實驗研究。傳統生理學實驗教學強調教師為授課主體，醫學生僅僅被動接受知識，同時教學中動物、手術器材、藥品等資源的不足會導致部分學生沒有動手操作的機會，以上均會影響學生學習興趣和積極性。為確保實驗教學質量，采用新的教學方式迫在眉睫。虛擬仿真實驗于1989年由美國弗吉尼亞大學William Wulf教授首次提出，旨在構建一種基于網絡的實驗教學平臺，從而實現儀器設備和實驗數據等資源的共享[1]。虛擬仿真技術是在多媒體技術與網絡通信技術等信息科技發展的基礎上，將仿真技術和虛擬現實技術相結合的產物，伴隨著此技術在教育領域的應用，虛擬仿真實驗作為一種新的教學手段得到迅速發展[2]。本校生理教研室從2016年開始將虛擬仿真實驗應用于實驗課教學，通過探索生理學實驗教學新模式，為醫學生搭建低成本、教學模式多樣化的實訓平臺，用以彌補傳統實驗教學中的不足之處。

1.虛擬仿真系統在生理學實驗教學中的應用

當今社會競爭日益激烈，醫學生希望在基礎醫學院學習期間盡量多掌握實踐技能。為適應教學形式變化，生理教研室近年引入虛擬仿真系統，將其應用于實驗教學各個環節。

1.1 課前預習

開展實驗教學之前，預留15分鐘給予醫學生預習相關內容。學生使用電腦訪問局域網，通過虛擬實驗室客戶端進入電子資料室，通過圖片演示原理和實驗操作錄像，初步掌握實驗內容。這種主動的學習方式，提升了學生對生理學實驗的興趣。

1.2 實驗教學

生理學實驗教學主要涉及動物手術操作，以傳統授課方式呈現部分難度較大的實驗，很難使醫學生真正掌握操作技巧，最終導致手術失敗。現今以《神經體液因素及藥物對家兔心血管活動的影響》為例，教師可依靠虛擬仿真系統，引導學生進入醫學生理學虛擬實驗室。每個仿真實驗包括：簡介、原理、模擬、實驗錄像和模擬波形5個部分內容。通過鼠標點擊實驗簡介和原理模塊，再次鞏固基礎知識；點擊模擬模塊，可以隨時觀看和模擬不同階段的手術仿真操作，再輔以錄像演示家兔麻醉、氣管插管、頸部神經分離術和頸總動脈插管等過程，使學生詳細的掌握整個操作流程和注意事項；最后學生在虛擬家兔模型上進行不同藥物的注射，觀察動物仿真血壓波形的變化及其對心率的影響。醫學生以小組為單位，認真記錄虛擬仿真實驗中出現的各種現象，并對其進行分析和討論，同時制定手術操作流程和規范，以期提高實驗成功率。在生理學實驗教學中引入虛擬仿真系統，將枯燥抽象的知識轉化為生動形象的事物，在一定程度上消除由教師個體差異造成的教學質量波動，使實驗教學達到理想的效果[3]。

1.3 實驗考試

常規的生理學考核源于平時成績、期末實驗操作和理論筆試成績。根據醫學生每次所提交的實驗報告確定平時成績，占10分；期末實驗操作考試占20分；理論筆試占70分。針對平時成績，由于任課教師精力受限，僅依靠實驗報告很難客觀評價實驗小組中每位學生的學習態度等隱性指標；而期末實驗考核僅憑一次操作給予成績，不能形成科學合理的形成性評價方式[4]。由于教學經費的限制，少數班級期末實驗考核曾以筆試的方式進行。在精神衛生、眼視光等專業小班教學中，教師減少學生書寫實驗報告次數，嘗試運用虛擬仿真系統中的考場模塊進行日常考核。教師依靠題庫隨機考查學生實驗相關知識，另外通過模擬實驗考查學生手術操作，再輔以期末操作考試，通過強化形成性評價以期提高學生的學習效果，為優化考評機制提供參考依據。

2.虛擬仿真系統在生理學實驗教學中的優點

在生理學實驗課程中，虛擬仿真實驗教學依托數據庫、多媒體資源和網絡通訊等技術，采取以學生為主體和教師為主導的教學模式。醫學生在虛擬環境中運用各種設備和實驗器械開展操作，以達到學習訓練的目的[5]。與傳統實驗教學比較，其優點如下：

2.1 虛擬仿真實驗教學節省實驗經費，降低實驗難度

傳統實驗所用實驗動物和儀器損耗較大，引進虛擬仿真系統后，一套生理實驗多媒體教學軟件可供不同年級和專業的醫學生反復開展預實驗，而無需額外消耗實驗資源，節省了實驗經費。例如呼吸、血液循環等實驗，醫學生通過人機交互進行模擬操作，真實體驗手術過程，進而降低了實驗難度，同時節約了教學成本。

2.2 虛擬仿真實驗教學培養了學生自主學習能力

傳統實驗教學采取“滿堂灌”的教學方法，教師首先示教，然后在實驗過程中糾正學生出現的操作錯誤，其弊病在于造成學生對老師的依賴心理[6]。為培養學生自主學習能力，教師在實驗課上要求醫學生以小組為單位（人數控制在3～4人）進行模擬手術操作。以家兔手術為例，如果動物未經稱重而直接進入麻醉模式時，系統會以紅叉提示進而無法進入下一步操作。出現類似問題時，教師引導學生自行查閱電子資料，然后經小組討論以及老師的提示，學生基本可以自行解決各種問題。以虛擬仿真系統為基礎，這種開放式的學習方式同時也培養了醫學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

2.3 虛擬仿真實驗教學增強學生操作技能，提高教學效果

應用虛擬仿真實驗，可以加深醫學生對某個實驗原理和方法的感性認知，最終提高該實驗的成功率和實驗教學效果[7]。例如，針對護理專業學生，可以利用生理學虛擬仿真實驗強化家兔耳緣靜脈注射、氣管插管、導尿等護理常規操作技術。這種教學模式表達直觀，允許操作者反復嘗試，且每位學生均可參與其中，最終強化了學生的操作技能。

3.虛擬仿真系統在生理學實驗教學中的不足之處

目前，該套虛擬仿真系統僅在實驗室局域網內使用，醫學生無法在實驗課以外的時間和地點通過移動終端進行訪問。因此后期需要進行技術升級，將虛擬仿真系統與校園網整合，允許學生隨時隨地通過網絡進行學習。此外，模擬考場允許同時在線的人數不能超過30人，當班級人數較多時，其考核效率不是太高，希望在后期的技術升級中，考慮到現實情況將系統做得更完善。在計算機環境中構建的虛擬仿真環境與現實環境比較，其實驗設備和器械略有差異，這需要教研室根據實際情況和醫學生的反饋意見，制作適合本院學生的虛擬仿真實驗模塊，以彌補其缺陷；同時結合教研室自身的科研成果，適當增加綜合性實驗，作為選修課內容擴展醫學生知識面。

總之，使用虛擬仿真系統是推進完善現有實踐教學體系、提高實驗教學質量的重要舉措。在今后的工作中，教研室教師將不斷完善生理學虛擬仿真實驗教學平臺的功能，為培養高質量醫學人才服務。

[1] Kouzes RT, Myers JD, Wulf WA. Collaboratories: doing science on the Internet. IEEE Computer[J],1996,29(8):40-46.

[2]楊丹聃,王志飛,王艷玲,等.基礎醫學虛擬仿真實驗模式探究[J].實驗技術與管理,2017,34(3):124-126.

[3]杜鵑,尹艷艷,沈兵.虛擬仿真實驗教學系統在機能學實驗中的運用[J].基礎醫學教育,2015,17(2):155-156.

[4]呂慧明.虛擬仿真實驗教學平臺在護理機能學實驗教學中的應用[J].教育教學論壇,2016,44:273-274.

[5]周莉.虛擬仿真實驗系統在內分泌生理學、病理生理學實習教學中的應用研究[J].2017,1(2):255-256.

[6]朱曉琴,雷水生,胡景鑫,等.醫學機能實驗教學改革探索[J].中華醫學教育雜志,2012,32(3):441-443.

[7]方振華,王銳萍,傅麗容.虛擬仿真技術在人體解剖生理學實驗教學中的應用[J].教育現代化,2017,34:150-151.