人體實驗、動物實驗及虛擬實驗三位一體生理學實驗教學改革探討*

◆徐曉 呂心瑞

0 引言

醫學中關于疾病問題的理論研究是以人體生理學的基本理論為基礎的，因此，生理學是醫學相關專業學生的一門必修課。而生理學的理論知識多來自對實驗現象的觀察、分析和總結，這也決定了其是一門實驗性學科。人體及動物生理學實驗不僅要求學生理解基本的生理學理論知識，還要求其掌握規范的生理學操作技術，更重要的是要引導學生學會運用已知的理論和技術去探索未知世界的方法[1]。傳統的生理學教學以課堂理論教學為主，實驗教學作為補充。但是隨著學科的發展，壓縮以知識探究為目的的理論教學，增加以能力建設為目標的實驗教學，成為新時代生理學教學改革的方向。

生理學實驗根據實驗對象不同，可分為人體實驗和動物實驗兩種。目前，在大多數院校的生理學實驗教學中，由于動物實驗的干擾因素較少，可控性與可操作性較強，因此，動物實驗的比例遠高于人體實驗，導致缺乏與臨床技能學習的銜接。人體實驗直接針對臨床人體生理實驗技能，探究人體機能變化的規律和機制。為了實現基礎教學與臨床思維的早期結合，構建以學生為中心的教學方式，人體生理學實驗越來越受到各醫學院校的重視，成為生理學實驗教學改革的方向之一[2]。但是人體實驗實施過程中受到倫理學的限制，須在保障人體健康無損的前提下才能進行，所以目前很多高校在生理實驗教學中能用到的人體實驗非常有限。

虛擬實驗是近年來蓬勃發展的一項高新技術，它利用計算機系統生成類似真正現實感覺的三維空間，學生在該空間中可以感受到現實氛圍[3-4]。筆者嘗試利用虛擬實驗系統模擬人體實驗，并在此基礎上將人體實驗和動物實驗做三位一體化整合。

1 傳統生理學實驗教學方法

傳統的生理學實驗教學一般沿用學生課前根據實驗指導進行實驗的預習，上課時教師首先對本次實驗目的、原理以及實驗步驟中的重點和難點進行講解，然后學生進行實驗操作完成實驗，課后學生完成實驗報告的模式[3-5]。因受限于高校的實驗器材、教師資源、課時等因素，學生無法進行預實驗，教師無法做示教，而生理學實驗對學生的動手能力和團隊協作要求較高。所以，在實驗的實際操作過程中，尤其是首次動物實驗，由于手術器械使用不熟練、小組成員分工不明確等因素，導致實驗時間大幅延長，甚至僅動物的捉拿與麻醉環節就要消耗學生的大部分時間。而且，多數生理學實驗需要保證實驗動物的基本生理活動，操作過程中任何一個環節出現失誤，都有可能導致動物死亡，將使整個實驗無法繼續進行，必須重新開始。即使是同一個實驗，由于學生的預習完成度、理解能力或動手能力不同，也會造成不同組之間巨大的差異，甚至出現有的實驗組已順利完成所有實驗項目，而有的小組才剛剛麻醉結束，導致實驗無法在限定的課時內完成，和學生后面的課程相沖突，不得不草草結束[6]。也存在少數學生因為主觀能動性不高或者害怕動物等原因而主動放棄參與實驗過程。

在人體機能實驗中，學生既是實驗者又是實驗對象，扮演雙重角色，有利于激發興趣、自我實現，易于自我驅動解決這種問題。但為數不多的人體實驗（如血型鑒定、心電監護、動脈血壓的測量、心音聽診等）雖然與臨床緊密相關，但較基礎，并且沒有加入因素的變化，無法與理論課知識做辯證推理，導致學生僅僅完成實驗的操作和儀器設備的使用，缺乏對于理論知識的理解與鞏固。

由于師生配比的原因，教師難以監控到每一個小組的全部實驗過程，對于學生在實驗過程中的有些不規范操作無法及時發現并糾正。目前，多數高校生理學實驗課考核的主要依據是實驗報告，但多數人體和動物實驗的結果可以根據理論知識進行預測，甚至有的實驗組即使實驗失敗，學生也可以通過網絡獲得實驗數據或者使用其他實驗組結果，并撰寫甚至是拷貝實驗報告，不深入探討、總結實驗失敗原因。同時，由于教學經費、動物實驗資質、實驗場地、實驗設備、教學時間等因素的限制，導致有些生理學中的經典實驗無法實施，也無法保證所有學生每次實驗都有均等的操作機會。因此，不管是人體實驗還是動物實驗，傳統教學模式的最大問題是很多理論知識無法通過實驗驗證，學生在整個實驗過程中只能被動地接受教學安排，沒有獨立思考的機會，難以激發興趣，不利于提升分析問題和解決實際問題的能力，導致主觀能動性較差。

2 虛擬實驗教學方法

虛擬實驗采用計算機虛擬仿真技術模擬出與真實實驗課程相似的實驗環境，然后學生通過計算機實現對實驗設備參數的測定和實驗操作的練習。近年來，該技術受到越來越多高校的重視[7-9]。

虛擬實驗通過視頻將實驗的過程完整清晰地展示給學生，并且可以分步反復觀看，能讓學生更為直觀地了解實驗中的每一個步驟。在每次實驗課之前，每一位學生都可以自主安排時間通過虛擬實驗平臺預習實驗，并模擬實際操作過程，了解操作中的重點與難點，將自己實驗操作中的薄弱環節在虛擬平臺上反復演練。這種教學方式可以激發學生的參與性，大大提高現實操作的成功率。通過技術手段，任課教師在后臺可以觀看每一位學生在虛擬平臺的實驗操作過程，及時發現實驗過程中的不規范操作或者共性錯誤，在實驗課中給予提醒和指正。由于虛擬平臺中實驗結果都是可預測的、理想的，因此，當實驗課上的結果與之有差異時，可以激發學生探究問題的動力。課后，虛擬實驗平臺不僅可用于復演實驗，也可納入實驗與理論結合的試題，進行理論知識復習。

除此之外，虛擬實驗平臺還可以模擬人體實驗，并展示病理生理狀態的虛擬病人，作為對真實人體生理學實驗的有益補充。比如心音聽診實驗，在學生完成正常心音聽診后進行虛擬實驗，模擬不同病理狀態下的異常心音，并將病理改變通過畫面同步展示，不僅可以提高學生對正常心音的認識，還生動地與臨床進行聯系，激發學生的學習興趣。

雖然虛擬實驗不受實驗場地、動物和時間限制，彌補了傳統實驗不可重復的不足[10]，但是在虛擬實驗過程中，學生并不是真正地參與到實驗中來，無法通過操作鍛煉動手能力與協作配合，容易造成眼高手低，甚至有的學生流于形式。因此，虛擬仿真實驗教學系統在生理學實驗教學中應用仍然存在一定的局限性[11]。

3 人體實驗、動物實驗及虛擬實驗三位一體化

目前，多數院校在所開設的生理學實驗課程中常常把人體實驗和動物實驗分開進行。這種設置造成學生在進行每一個實驗時都會彼此孤立，缺乏聯系性。而有些實施的人體實驗和動物實驗同屬于一個系統，它們之間其實既有聯系，又有區別。

利用虛擬實驗平臺重新設計實驗課程，不但可以設計模擬更多的人體實驗，也可以將人體實驗和動物實驗有機地聯系在一起，比如動脈血壓的測量（人體實驗）與影響動脈血壓的神經體液因素（動物實驗）可以相互結合進行。在傳統的教學中，動脈血壓的測量實驗中的重點是要求學生掌握血壓的測量方法與血壓計的使用，這是一個靜態的人體實驗。而血壓的影響因素則在動物實驗中進行，傳統教學中由于學生首次涉及動脈插管，并要進行三根神經的分離，實驗中經常出現動物大出血或者神經分離中斷裂等問題導致實驗成功率較低。而現在通過人體、動物及虛擬實驗三位一體化，學生可以通過虛擬平臺預習實驗，在實際操作中降低失誤，提高實驗的成功率并壓縮實驗時間，進而在有限的學時里可以將兩個相關實驗進行結合。通過虛實聯動的人體運動生理學實驗，學生可以先在跑步機上鍛煉，在系統中檢測實時動態心率、血壓、心電圖以及呼吸狀態；再在動物實驗中驗證刺激動物心交感神經對心率和動脈血壓的影響，然后聯系到臨床，焦慮緊張會引起高血壓等。

還可以在虛擬平臺模擬一些無法開展的有損人體健康的人體實驗，以及模擬有些人體反射實驗中的神經的傳導過程，這些均可以與現有的動物實驗相互結合。比如可以在虛擬平臺中模擬腱反射的神經傳導過程，將其與神經動作電位的傳導實驗相結合。待學生完成若干個章節的學習后，還可以通過虛擬平臺將不同系統的人體實驗和動物實驗加以整合。比如學生在虛擬系統里預演血糖升高后血液系統、泌尿系統以及內分泌系統生理指標的變化，在實驗課上學生飲用高濃度葡萄糖后檢測血糖濃度、血漿滲透壓以及尿量變化等（人體實驗），同時結合尿生成的影響因素實驗（動物實驗）。這種結合不僅可以幫助學生對各章節的內容融會貫通，也緊密聯系臨床，激發學生的興趣，提高其學習的積極性。

4 結束語

總之，通過將人體實驗、動物實驗及虛擬實驗三者有機地結合在一起，可以在目前情況下充分利用實驗學時，使學生將課堂上學習的理論知識及時有效地在人體和動物體內得到實踐，一方面優化教學資源配置，另一方面幫助學生將實驗技術和臨床聯系起來，提高學習質量。