虛擬仿真實驗在醫學實驗教學中的應用與分析

侯艷麗

（南陽醫學高等專科學校，河南 南陽 473000）

實驗教學作為醫學教育的重要組成部分，對培養實用型和技能型人才至關重要。但是，在實際教學過程中，由于逐年擴招，學生數量劇增，而教學條件、教學資源在一定程度上有所限制，使得一些實驗項目無法有效開展，進而影響了學生專業技能培養。虛擬仿真實驗教學是信息化時代高等醫學教育改革的必然產物，其形象、逼真、便捷和可重復操作的虛擬實驗環境，為學習者搭建了一個全新的學習平臺，成為一種新的醫學實驗教學模式[1]。虛擬仿真實驗與傳統實驗相結合，必將實現優質、高效的實驗教學，為培養實用型、技能型醫學人才奠定良好的基礎。

1 虛擬仿真實驗教學是時代發展的必然趨勢

第一，傳統醫學實驗教學需要采購大批實驗動物，一方面，實驗動物價格昂貴，花費較多；另一方面，醫學倫理學要求尊重實驗動物、尊重生命，因此以犧牲動物生命而進行的驗證性實驗必將逐漸減少。第二，社會的發展需要綠色環保，而傳統醫學實驗中廢棄的動物遺體及實驗垃圾必將會造成環境污染，影響人類的生存環境[2]。第三，學生數量的劇增，使實驗動物需求量增加，實驗中師生一旦操作不當或管理不善，就可能出現動物源性傳染病。此外，若不熟悉實驗流程及操作，就可能使實驗動物白白犧牲，而學生并沒有掌握相應的知識和技能。但是，傳統實驗教學確實可以提升學生的操作技能，也是其走上工作崗位前為數不多的鍛煉機會。因此，需要一種新的實驗模式輔助傳統實驗教學，以取得良好的教學效果，同時又可以避免高消耗、高風險帶來的問題。虛擬仿真實驗教學順應時代發展的需要，采用高新技術，使學生在高度仿真的虛擬場景中進行實驗，且具有可重復和共享的特點，越來越受到師生歡迎。

2 虛擬仿真實驗教學的主要類別與基本形式

信息技術的飛速發展為虛擬仿真實驗系統的建設和應用提供了強有力的技術支撐，實驗教學的理念、模式及方法也隨之發生了深刻變革。目前，國內外虛擬仿真實驗教學資源包括電子教材、視頻、課件和軟件等[3]，但是不同類別和形式的虛擬仿真實驗有其各自特征，見表1。

表1 虛擬仿真實驗教學的主要類別與基本形式

3 虛擬仿真實驗與傳統實驗的不同點

虛擬仿真是仿真技術和虛擬技術的交互應用，通過兩者的深度融合構建出可交互的虛擬世界[3]。學生在虛擬的實驗環境學習傳統實驗教學中的知識并模擬相關操作，包括實驗目的、原理、用品、對象、步驟及操作方法等，融合情景教學、啟發教學、互動教學于一體，與傳統實驗教學有很大不同（見表2）。

表2 虛擬仿真實驗教學與傳統實驗教學比較

4 虛擬仿真實驗教學具有諸多優點

4.1 可幫助學生克服心理障礙

醫學實驗大多需要用到青蛙、蟾蜍、小白鼠、兔子等動物，但是，大部分學生并未接觸過這些動物，不了解它們的習性，再加上動物在受到驚嚇時會出現抓、咬及大小便失禁等情況，使許多學生產生畏懼和厭惡心理，不愿動手操作。虛擬仿真實驗可消除學生因為未知而對實驗動物產生的心理障礙，使其愿意學習并嘗試進行實驗操作。

4.2 具有很強的示教作用

學生課前可以通過醫學虛擬仿真教學軟件學習并模擬實驗過程。如小白鼠的捉拿和給藥、家兔的麻醉固定及手術操作等。傳統實驗教學時，多數學生難以看清示教過程，且由于時間限制，教師的示教往往只能進行一次，學生很難掌握操作要領。虛擬仿真實驗恰恰可以解決該問題，它可以借助圖片、視頻、動畫、聲音、文字等詳細介紹操作步驟、儀器使用方法、注意事項等，創建模擬場景，起到示教作用。學生課前可以隨時隨地反復學習，掌握操作要領，規范操作方法，熟悉注意事項，帶著問題有目的地到實驗室進行實驗操作，減少操作失誤，牢固掌握操作技術。

4.3 可提高學生的學習興趣

虛擬仿真實驗系統仿真度高，直觀性強，可以模擬整個實驗過程，將難以理解的、抽象復雜的操作簡單、直觀地呈現給學生，且呈現過程人性化，增加了學習的趣味性，操作錯誤時會有提示，糾正后方可繼續進行。學生可多次實驗操作，掌握實驗流程，在此過程中學生對傳統實驗操作產生好奇心，并期待將虛擬變為現實，獲得成就感。

4.4 可提高實驗成功率

在傳統實驗課前，學生觀看虛擬仿真實驗系統中的實驗錄像、模擬實驗操作步驟，熟悉并掌握實驗關鍵操作，包括藥物的配制和注射方法、手術方法及儀器的調試使用等。學生通過反復練習，在進行傳統實驗時就能對操作過程做到心中有數，快速進入狀態，提高實驗效率及成功率。

4.5 可節省教學資源，增加實驗機會

傳統實驗教學需要寬敞的實驗教室，大量藥品試劑、實驗動物以及精密的儀器設備等，成本高、耗資大；近幾年招生規模持續擴大，學校軟硬件都難以在短時間內全面提升，使得學生動手操作的機會減少。虛擬仿真實驗系統可以反復操作且具有共享性，節約了實驗成本，學生還可以隨時登錄系統進行練習，增加了實驗機會。在一定程度上虛擬仿真實驗也減少或避免了有毒有害實驗藥品對學生造成的危害，提高了實驗的安全性，且可以寓教于樂，提高實驗教學效果。

4.6 可培養學生自主學習能力

在傳統實驗教學之前，教師通過作業的形式要求學生進入虛擬仿真實驗系統進行學習，記錄學習過程中發現的問題、感興趣的或比較難操作的步驟，學生帶著問題有目的地進行學習，長此以往必將養成主動學習的習慣，并提升發現問題、解決問題能力。

5 虛擬仿真實驗也存在一些問題，應與傳統實驗結合使用

盡管虛擬仿真實驗優點很多，但其并不能取代傳統實驗教學。虛擬仿真實驗通過電腦或手機端操作，學生無法真正體驗實驗的復雜程度，缺少傳統實驗中同學之間的相互協作與溝通交流，也缺乏操作技能的鍛煉機會。因此，兩者必須相互結合，虛擬仿真實驗在先，傳統實驗操作在后，互為補充，開闊學生視野，調動學生學習興趣，并將抽象的內容具體化、形象化，給學生留下深刻的印象，加深學生對實驗操作要點的理解和掌握，達到培養實用型和技能型人才的目的。

6 虛擬仿真實驗未來發展趨勢

虛擬仿真實驗已經成為醫學實驗教學必不可少的一部分，但是，目前虛擬仿真實驗平臺的建設仍存在一些問題，未來虛擬仿真實驗平臺建設應從以下幾方面著手。

6.1 學校與企業加強合作，提高虛擬仿真實驗平臺建設水平

盡管醫學院校具有眾多醫學教育資源，在實驗過程中可以根據實際情況形成新的實驗設計思路，但是缺乏平臺開發的軟硬件條件和技術隊伍。只有與企業強強聯合，結合雙方的需求，優化資源配置，才能制作出真正有利于提高教學水平的虛擬仿真作品，特別是要結合經典實驗開發作品，加強學科交叉互融，以獲取更多學習資料，拓展知識，滿足教學需求。

6.2 增強虛擬操作的仿真性

調查顯示[4]，學生建議虛擬實驗操作應更具參與性；建議設置實驗意外場景；利用AR和VR技術，使虛擬仿真實驗更具仿真性，同時提高學生分析問題、解決問題能力，帶給個人沉浸式的感官體檢。未來虛擬仿真實驗平臺建設應以此為導向，使學生在學習過程中參與度更高，提高實驗效果。

6.3 建立有效的師生評價與反饋體系

師生是虛擬仿真實驗系統的實際應用者，在實際應用過程中更容易發現產品的不足之處。建立有效的師生評價與反饋體系，可使發現的問題及時得以反饋，并以此為出發點，引導師生共同參與虛擬仿真實驗產品研發過程，開發出實用型、功能性更強的仿真軟件，有效應用于醫學人才培養。

總之，虛擬仿真實驗的引入和應用可彌補傳統實驗教學的不足，兩者相互結合，通過線上線下混合式教學，真正做到把“教”與“學”融為一體，為學生提供一個開放、自主、交互的虛擬實驗環境，也使實驗教學擺脫了對器械設備、場所、課時等的限制，從而使實驗教學變得更加便捷、生動、高效[5]。學生通過自主學習、主動學習，形成良好的學習習慣，從而達到教與學的良性互動[6]。不管是在疫情當下還是在今后的信息化時代，虛擬仿真實驗作為醫學實驗教學一道亮麗的風景線，定會成為提高醫學實驗教學質量的重要手段，并不斷推動醫學實驗教學改革。