虛擬仿真技術對生理教學的影響

張藝佳

（畢節醫學高等專科學校，貴州 畢節 551700）

一、背景

教育部于2013 年啟動國家級虛擬仿真教學中心建設，并于2014 年與2015 年分別立項通過200 個國家級虛擬仿真實驗教學中心建設。自2017 年開始，教育部計劃建設1000 個國家級虛擬仿真實驗教學項目。在該政策的引導下各大高校紛紛開展了虛擬仿真實驗教學技術的建設。2017年教育部認定了105個虛擬仿真實驗教學項目（立項數超過原計劃5%），2018 年教育部認定了296 個虛擬仿真實驗教學項目（立項數超過原計劃18.4%）[1]。

二、虛擬仿真技術及其意義

（一）虛擬仿真技術

虛擬仿真（Virtual Reality，VR）技術是近年來發展的可以創建和體驗虛擬世界計算機仿真技術，是多媒體技術的中級應用形式，也是計算機軟硬件技術、傳感技術、機器人技術、人工智能及行為心理學等科學領域飛速發展的結晶。利用計算機系統生成一種虛擬場景，是一種多元信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，提供使用者關于視覺、聽覺及觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般的、及時的、沒有限制的觀察三度空間內的事物，擁有沉浸性、交互性以及構想性等多種特點。可帶來高度沉浸、可交互的虛擬世界[2]。教育信息化逐漸成為當今教學改革的主流，虛擬仿真實驗技術以計算機軟件和硬件技術為基礎，構造出一個云平臺虛擬現實世界，學生可以足不出戶與教師線上線下交互溝通，構建高度的仿真實驗環境。尤其是在突發的新冠疫情影響下，傳統的實驗教學模式面臨前所未有的巨大考驗，許多需要學生親自動手的實驗課程面臨停開的難關，在新興技術發展的現代，傳統的實驗教學迫切需要轉型，在這個難關口虛擬仿真實驗教學項目的建設顯得尤為重要。所幸自從教育部制定國家級虛擬仿真實驗教學中心部署以來，各大高校紛紛開展了關于虛擬仿真實驗技術的建設，并在不同的專業領域取得了良好的教學成果。

（二）虛擬仿真技術對于生理學的意義

基于生理學而言，它是一門實踐與真理交互的學科，重點在實踐，用實踐來證明和闡述所學的理論知識，學生的實驗過程與理論知識休戚相關。如，在理論中講授降壓反射，但學生理解起來比較困難，用在實踐上，將哺乳動物的一側頸總動脈夾閉10s 后血壓升高，這個實驗就很好的說明并證實了降壓反射的原理，理論結合了實際。并且在實驗過程中還能做到培養學生的創新意識、創新精神和創新能力。生理實驗多以動物為主，在開課過程中有時會出現較血腥的場景，可能會引起不適的生理和機理反應；并且還需要學生具有較高的規范操作來保證學生的實驗安全，而且實驗所需要的動物也需要較高的資金支撐，因此在基礎設施有限的情況下又要平衡每一位學生的實驗時間和用物，為適應教育發展，在生理學教學領域開展了虛擬儀器構建新型生理虛實結合的教學模式，提高學習效率[3]。在傳統教學模式的教學下，老師教授的理論知識學生并不真正能與實驗結合起來，由于實驗設施有限不能保證每個學生在每一次理論知識的學習之后就能夠立刻進行實驗，時間過長輪到學生進行實驗操作的時候已經與理論知識脫節，只是木訥地跟著操作步驟照葫蘆畫瓢，沒有辦法培養學生的創新精神和創新能力。如果能完成實驗和理論教學的無縫銜接，就可以很大程度上增加學生的學習興趣，增強學生對知識的求知欲，不會有學了沒法做，做了接不上的煩惱，大大提高了學生的學習主動性以及動手能力，能在動手操作的過程中進行自我反思，鞏固知識。

針對這種教學模式，有實驗隨機選取56 名同學參與，隨機平分成兩組，一組為實施正常實驗教學，另一組為實驗組在正常實驗課程基礎上參與虛擬實驗課程，對比兩組學生綜合學習能力，平均成績以及學生滿意度，通過對學生的考核，參與虛擬實驗組的同學平均能力及滿意度高于無參與虛擬實驗組，且差異較明顯，對比具有統計學意義(P<0.05)。可見，將虛擬實驗應用于生理學實驗教學中，不僅節約實驗室資源成本，更有效提高學生綜合學習能力，提高學生對課程興趣以及對教學任務的滿意程度，這種教學模式對提升生理教學效果的確發揮較好作用。

（三）虛擬仿真技術對于醫學方面的意義

基于醫學專業而言，虛擬實驗教學過程包含豐富的信息與蘊意，涉及人文素養等方面單純靠理論教學無法達到的教學目的，而虛擬實驗教學在教授學生理論知識和能力培養方面，更注重強調學生的職業素養，通過反饋人物現象建立良好的思維習慣。不僅在生理教學上可以應用虛擬仿真技術，在臨床專業課教學過程中或學生臨床實習也可以使用虛擬仿真，學生可以身臨其境于構建的虛擬病房、手術室、虛擬病人、實驗室、藥房等地，參與疾病診斷、外科手術、病患護理、藥房配藥等，不但使學生帶來全新的感受促進學生學習興趣的產生，還能提高學生的操作可行性。而且由于新冠疫情突發，各大教學醫院不一定能滿足醫學生進行臨床見習的需求，而且在教學醫院不一定每一撥見習生都可以看到該課程的相應疾病病人，還要進行每星期的輪轉學習，待到輪轉學習之后，知識也銜接不上了。顯然，我們需要開設實驗仿真教學，創建這樣的一個云平臺，讓所有學生都有實驗可做的需求越來越迫切。讓學生在實驗的過程中真正的掌握知識內容，在學識扎實的基礎上才能努力做到醫學教育所傳承的慎獨精神。再者而言，醫學專業的實驗操作，許多需要嚴格的無菌意識，學生不一定都能時刻謹記這一原則，而給自己帶來不必要的安全危害。比如在進行細菌培養的實驗中意外造成自身感染，在使用酒精燈的時候造成自身燙傷等，教師在進行實驗教學的時候也會考慮到種種可能發生的意外，但是又不能時刻監督每一個學生，在進行實驗時的菌株便是非致病菌株或弱致病菌株，這在很大程度上降低了學生對實驗安全意識防范。

在該專業領域有問卷證明超過60%的學生肯定了傳統實驗教學方法原理清晰、方法經典、操作簡便和應用范圍明確的優點；超過50%的學生認為傳統實驗教學方法存在偏重單一模塊、缺乏系統性訓練，缺乏反復練習機會，顯微鏡觀察結果難以共享和一次示范難以掌握規范動作要領等缺點。分別有78.48%、72.15%、72.15%和65.82%的學生希望當前已開展的病原微生物實驗室生物安全、PCR 法檢測細菌耐藥基因、病毒分離培養與檢測、沙門菌的分離與鑒定等加入虛擬仿真教學；分別有82.28%、82.28%、74.68%、72.15%和70.89%的學生希望增設全自動細菌鑒定及藥敏分析系統、全血DNA 的提取、實時熒光定量PCR、細菌特殊結構染色和細胞培養綜合實驗等新技術的虛擬仿真教學[7]。

三、虛擬仿真技術的優缺點

（一）虛擬仿真技術的優點

虛擬教學能夠實現虛擬仿真和實際操作的優勢互補，在培養學生動手能力的同時，更好地培養學生自主學習能力和創新精神，達到實驗教學資源的優化及教學質量的提高。虛擬不僅能應用在生理學教學中，同時還可以應用在不同的學科中，如臨床實踐教學，護理實踐教學和學生的實習指導。不但鞏固了學生對知識點的理解，而且還提高了學生操作的能力，了解操作步驟。其次，在一定程度上節約了實驗成本，可以彌補真實動物實驗中的技術缺陷，在實體實驗前使學生在虛擬系統上不斷練習操作，從而在實體實驗過程中可以避免因為操作失誤而帶來的動物實驗成本問題。第三，在保護動物方面也得到了有效提高，減少了因實際操作對動物的傷害，保護了動物福利，也培養了學生愛護小動物的意識，從而提高醫學生關愛病患的意識，思想和素質上得到了有效的提高。

（二）虛擬仿真技術的缺點

虛擬仿真教學也存在一定的不足，如后期維護費用較高，不能很好地識別學生在真實交往中所表現出來的個性差異，不能更好地體現教師在與學生真實的教學交往中所具有的教學機制和所具有的人格魅力等。虛擬系統前期投入使用，時間長了就要不斷更新與維護，購買系統新型虛擬軟件，維護費用較高。每個同學的學習風格、思維方式有顯著的差別，比如有的是沉思型，有的是沖動型；有的偏于集中思維，有長于發散思維；有的長于邏輯推理，有的側重直覺想象。而這些差異是網絡教學無暇顧及也無能為力的，它唯一能區分學生之間差別的就是系統分配給他的ID 號，在一定程度上會影響因材施教。在現實教學過程（區別于虛擬教學），教師帶著自己的全部身心和人生經驗進入教室，他的心理狀態直接影響他對學生的態度、處理問題的方式、寬容度、耐心、機智、以及滿足與否等情感體驗。整個教與學的過程被看成是生成的，而不是預設的。教師的面部表情、體態語言、褒揚鼓勵之詞都會在不經意之間改變學習者的學習態度，從而使一節課收到意想不到的效果，而虛擬仿真教學較為缺乏。

四、結語

虛擬仿真實驗教學有利于促進學生理論知識的掌握及應用，有利于提高學生對教學的滿意程度，有利于推動信息化教學的發展和資源建設，學生在虛擬場景中進行實踐既可以達到教學的目的又可以進行資源共享還能提高學生的學習興趣，激發學生的潛能，增強學生的學習積極性和主動性，而興趣在學生學習動機中占主要地位。在教育學中學生的內部學習動機的產生和存在是推動和激發學生的學習行為最重要的部分。學生會主動的利用這一虛擬平臺，便可以更加詳細的進行實驗，夯實基礎從而促進學生對理論知識的掌握及應用。

隨著信息時代逐步更新，教學模式也不斷地發生一系列的變化，虛擬仿真實驗技術的應用對于許多需要實驗的專業而言，提供了模擬真實的場景，應用的計算機軟硬件技術、傳感技術、機器人技術、人工智能及行為心理學等科學，比傳統實驗方式更加方便全面，能讓學生同時在線進行實驗，該項技術在投入試驗之后也取得了良好的反饋，毫無疑問該項技術對于教學模式的發展是有積極意義的，希望能在教學中得以廣泛的應用。