虛擬實驗室應用于高等醫學院校生理學實驗教學的思考※

劉天華 郭 健 李海燕 程 薇 朱慶文 張 勝 高 蔚

(北京中醫藥大學中醫學院，北京 100029)

1 虛擬實驗室概述

虛擬實驗室(virtual laboratory)的概念最早由美國弗吉尼亞大學的 William Wolf教授在1989年提出，將其用來描述一種可以綜合各項工具技術，讓用戶突破時間和空間的限制，自由共享數據、開展實驗的開放化平臺［1］。近年來，虛擬實驗室作為一種新型教學模式，受到了國內外越來越多的科研機構和高等院校的關注。其可以利用計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術等實現對實驗設備參數的測定和實驗操作的練習［2-4］。

國外對虛擬實驗室建設與使用的研究起步較早，早在1985年美國國立醫學圖書館便已對人體解剖圖像數字化進行研究，并開展了虛擬解剖學、虛擬放射學、虛擬內窺鏡學等學科的計算機輔助教學。隨著互聯網技術的興起與普及，1995年網絡上出現了“虛擬青蛙解剖實驗”，在這個實驗中，實驗者可以利用虛擬操作手術刀對青蛙進行解剖等實驗操作，并且可直接地觀察到青蛙的肌肉骨骼等組織結構［5］。我國對于虛擬實驗室建設與使用的研究相比國外起步較晚，但近年來已取得長足發展［6］。2013年啟動的國家級虛擬仿真實驗教學中心建設戰略，為國內高等醫學院校虛擬實驗室的建設與發展提供了良好的契機。

2 虛擬實驗室應用于高等醫學院校生理學實驗教學的意義

生理學作為醫學院校重要的基礎課程之一，旨在研究人體正常功能活動的發生過程和變化規律并揭示其發生機制。通過生理學課程的學習，可以為后續基礎醫學和臨床醫學的學習奠定基礎。生理學實驗作為生理學課程的重要組成部分，不僅對學生理解和掌握生理學的理論知識具有重要的輔助作用，且有助于培養學生的觀察能力、動手能力、實驗數據分析處理能力及表達能力［7］。

遺憾的是，在高等醫學院校生理學實驗的實踐教學過程中，實驗失敗的情況時有發生。以家兔動脈血壓的神經、體液調節實驗為例，需要學生完成家兔的頸部手術并進行頸總動脈插管，學生在實際實驗過程中往往由于對實驗步驟不熟悉，對實驗理解不到位，以及實驗操作不熟練等原因而發生動脈遠心端結扎不緊、動脈近心端夾閉不緊、動脈插管刺穿血管、動脈插管脫出等情況，處理不及時則會引起實驗動物大失血，造成動物死亡。這便要求學生在課前需要對實驗的過程了然于胸，對實驗中的難點做到心中有數。加之，由于受到實驗動物、實驗場所、教學時間等多方面因素的限制，很難保證每一位同學在所有實驗過程中均有動手操作的機會。而在生理學實驗教學過程中應用虛擬實驗室，不僅可以借助先進的信息科學技術，為學生創造虛擬的生理學實驗場景及對象，還可通過虛擬的方式引導學生按照相應的流程及操作規范完成實驗的具體操作任務。此外，還可通過虛擬的方式對實驗獲得的生理學現象進行展現，并且能根據學生的實際操作情況及時給予反饋。故高等醫學院校生理學實驗的虛擬實驗室建設工作尤為重要。

在高等醫學院校生理學實驗教學過程中應用虛擬實驗室主要具有以下優勢［3，5］：(1)虛擬實驗室具有較高的應用自由度。學生在使用虛擬實驗室進行生理學實驗時，可以不受時空限制，隨時隨地參與和獲取相關的教學資源，方便學生利用課余時間實現碎片化學習。(2)虛擬實驗室可以激發學生的學習興趣。學生可以通過觀看視頻、圖片、動畫等，直觀、形象地理解和掌握相應生理學實驗的實驗目的、原理和操作流程等內容，增強生理學實驗教學的直觀性和有效性。借助計算機仿真技術對實驗場景進行模擬，可以幫助學生切實感受到由于各種實驗操作所造成的實驗動物的生理反應，能夠加深其對實驗的體驗，極大程度激發學生的學習興趣，提高學生參與生理學實驗的積極性與主動性。(3)虛擬實驗室的應用可以提高生理學實驗的安全系數。在傳統的生理學實驗過程中一直存在著由于操作不當等原因使得學生人身安全和儀器設備等財產安全受到威脅的危險。在生理學實驗教學過程中應用虛擬實驗室，不僅保障了在其使用過程中不會存在相應的潛在威脅，亦可以幫助學生進一步了解實驗儀器、熟悉實驗流程、掌握實驗步驟，有利于在進行傳統生理學實驗時避免事故的發生。

3 高等醫學院校生理學虛擬實驗室應用評價體系構建建議

在生理學實驗教學過程中應用虛擬實驗室，無需實驗動物，無需實驗準備，即可幫助學生理解和掌握實驗的原理、步驟及結果。預期其可以幫助學生完成對相關知識的預習、熟悉、理解及強化，輔助教師的實踐教學，發揮優化生理學實驗教學效果的作用。然而，在虛擬實驗室應用過程中，如何基于高等醫學院校的實際情況，對其應用效果進行科學、合理、系統的評價，是目前虛擬實驗室應用于生理學實驗教學過程中面臨的重要問題之一。

對虛擬實驗室的應用效果進行科學、合理、系統的評價，可以反映應用虛擬實驗室的實際教學質量，是促進虛擬實驗室發展的重要方法和手段，亦可為生理學實驗教學方法的改進提供新的依據。然而，目前對于虛擬實驗室應用效果評價的研究報道相對較少，劉旭光［8］曾根據非常規性原則、定量評價為主原則和學生為中心原則進行了虛擬實驗教學評估系統的設計；劉玉娟等［9］曾依據層析分析法對虛擬實驗教學的評估進行研究。

對于高等醫學院校生理學實驗虛擬實驗室應用效果的評價，不僅需要借鑒傳統實驗教學質量評估的思想，還需要基于虛擬實驗室本身的特點，不斷探索和完善相關理論和體系［10］。這就要求在對生理學實驗虛擬實驗室應用效果進行評價時，既要基于學生對虛擬實驗室實際使用的反饋數據，結合高等醫學院校生理學實驗虛擬實驗室實際特點，建立和完善科學、合理的定量評價體系，又要考慮生理學實驗一線帶教教師對虛擬實驗室應用效果的定性評價分析結果，以期系統、綜合地分析和探討應用虛擬實驗室對提升高等醫學院校生理學實驗教學效果所發揮的作用。

綜合文獻調研結果及虛擬實驗室實際使用特點，高等醫學院校生理學實驗虛擬實驗室應用效果定量評價體系需要充分考慮虛擬實驗平臺軟件系統、學生虛擬實驗室的實際使用情況和學生獲得的評價性成績三大方面；①建議納入虛擬實驗室在實際使用過程中具體的故障報錯次數、最大并發數及兼容性；②建議納入學生的實際參與率、進行實驗的次數以及每次實驗的具體時間；③建議納入評價性成績環節的及格率、優秀率、平均分以及具體的實驗成績分布情況等多個指標。此三方面以期科學、定量的對生理學實驗虛擬實驗室應用效果進行評價分析，獲得分析結果報告。

在定性評價分析環節，建議通過訪談等多種形式，取得一線生理學實驗帶教教師對先前未使用虛擬實驗室的學生與使用虛擬實驗室的學生在傳統實驗操作時對實驗原理的掌握程度、實驗步驟的熟悉程度、實驗的成功率等方面差別的定性評價結果，并進行縱向比較和整理、分析。最終，結合定量評價體系分析結果報告以及定性評價結果，獲得虛擬實驗室優化高等學校生理學實驗教學效果評價體系的具體結果結論。

4 結語

生理學實驗虛擬實驗室的建設是基于一種投入少、產出高、實現資源共享的全新教學理念，利用計算機軟件建立與教學相關的一種信息化和網絡化的虛擬生理學實驗環境，使學生可以通過虛擬的方式進行生理學實驗的學習。高等學校在生理學實驗教學過程中應用虛擬實驗室有助于實現碎片化學習，激發學生對生理學實驗的學習興趣，并且可以幫助學生進一步熟悉和掌握實驗的原理、儀器設備的使用方法以及實驗操作的具體步驟等內容，是高等醫學院校生理學實驗教學發展的必然趨勢。

對于高等學校在生理學實驗教學過程中應用虛擬實驗室的實際效果評價，需要建立和完善科學、合理的定量評價體系，并綜合定量評價體系的分析結果報告以及生理學實驗一線帶教教師對虛擬實驗室應用效果的定性評價結果，進行全面、系統地分析。分析和探究應用虛擬實驗室對提升高等醫學院校生理學實驗教學效果所發揮的作用，可以為進一步優化生理學實驗教學體系與方法提供指導，具有十分重要的理論和現實意義。