虛擬實驗在多元化機能實驗教學中的應用探索*

陳 勇，涂春香，林 瑤，余文珍

福建中醫藥大學中西醫結合學院，福建福州 350122

醫學機能實驗學是一門綜合性實踐課程，它將生理學、藥理學和病理生理學等實驗內容有機結合起來，是醫學生教學課程中重要的組成部分，以人體的生理功能、疾病的發生發展和藥物的作用機制作為研究對象，其目的是培養學生綜合分析問題的能力、提升創新思維、增強實驗操作訓練，為其接下來的臨床課程學習和實踐打好堅實的基礎[1]。隨著在現代教育中信息科技的普及和飛速發展，虛擬實驗技術在計算機、多媒體、網絡技術發展和進步的支持下，已經廣泛地被應用到各個院校基礎醫學的實驗教學中[2]。虛擬實驗具有其獨特的技術特點，不受時間、空間及實驗動物等限制，推動了教學方式的多樣化發展，也是對傳統實驗教學模式的補充和完善，有利于提高教學質量，更好地培養現代高等醫學教育人才[3]。

1 虛擬實驗的特點

1.1沉浸性 虛擬實驗是采用計算機網絡、數字建模和仿真等技術，在平臺上構建一個可供學生體驗和觀測的三維立體交互式環境，并且通過創建模擬的教學環境、實驗設備、器械和實驗操作對象等，完成實際實驗所不能進行的實驗內容[4]。實驗人員按照實驗教學指導要求自行設定所要進行的實驗項目，登入虛擬仿真實驗教學系統，運用平臺上虛擬的各種實驗物件、器械、實驗對象、藥品等，完成整個實驗。在實驗過程中，操作者可以從不同的角度觀察任何對象，與虛擬仿真平臺上生成的環境融合，沉浸其中，從而創造沉浸式體驗。

1.2交互性和多感知性 在虛擬仿真實驗操作系統中，操作者可以點擊手中的鼠標對實驗動物進行各種操作，如給動物稱體質量、注射麻醉藥物、固定動物及手術操作、給藥觀察等，通過不同藥物的干預和改變實驗系統參數得到不同的實驗結果，并進行分析[5]。學生們如同實際操作一般，可以感受較為真實的實驗操作體驗，同時可以對自己所進行的實驗操作進行錄像，回顧實驗過程，發現并探討其中的不足，這樣對實驗目的、原理及相關的理論知識能夠更加深入地掌握。

2 虛擬實驗應用于機能實驗教學中的優勢

2.1豐富實驗教學內容、節約教學資源 在醫學機能實驗教學中，往往由于教學場地、實驗課時數、教學經費等原因的限制，使一些實驗耗時較長、步驟復雜、還要配備專用儀器設備的實驗項目無法得到正常開展[6]。而通過虛擬實驗系統，學生可以借助虛擬平臺中的實驗項目，觀看演示或對虛擬實驗動物進行手術操作，還可以多次反復練習，以此加深理解，激發學習的積極性和自主性，這樣能更好地掌握實驗教學內容[7]。另外，虛擬實驗系統是以仿真軟件為核心，不受實驗設備、實驗耗材、藥品及動物等影響，很大程度上節省了實驗教學經費，也省去了繁重的實驗課前各種準備工作[8]。從這方面來說，相比于真實儀器設備，虛擬仿真軟件具有使用成本較低、并且可重復利用等優點[9]。所以，虛擬實驗的開設，對于緩解教學資金短缺、教學資源不足等問題是非常有利的。

2.2改善教學條件、提升實驗效果 目前，傳統的機能實驗教學主要是活體動物實驗，學生們實驗操作的對象大多是活體動物。在實驗過程中，經常會受到實驗方法、實驗經費及操作安全等因素的影響，學生在課堂上自己動手操作的機會相當有限，大部分是以旁觀者的身份參與，或者做一些輔助工作，實驗效果不理想[10]。有些動物實驗，手術操作較為復雜，如家兔動脈血壓調節實驗中的動脈插管環節，尿液生成的影響因素實驗中的輸尿管插管等，在這些實驗過程中常常因為操作不當而導致實驗的失敗[11]。虛擬實驗平臺通過對儀器設備、實驗對象、藥品試劑、實驗環境等進行虛擬化，在很大程度上解決了這一問題。學生們在模擬實驗操作前，先觀看實驗平臺上的操作錄像，對整個實驗有了初步了解，然后進行模擬操作，有效地利用實驗資源，減少了盲目性，更好地完成各項實驗操作，提升了教學效果。馬艷[12]開展了機能學虛擬實驗教學系統的應用研究，以運用傳統實驗教學法進行動物實驗教學的學生作為對照組，運用虛實結合法的學生為試驗組，對兩組學生分別進行實驗筆試和實驗報告考核(包括實驗基本技能操作和實驗結果整理分析)，結果表明虛擬實驗教學系統應用于生理學實驗教學，能切實提高學生實驗操作能力和教學質量。

2.3提高實驗安全性 有些機能實驗需要使用有毒的藥品和試劑，倘若操作不當，就可能給操作者造成傷害；另外，動物實驗中經常要用到家兔、大鼠、小鼠等動物，不小心會抓傷、咬傷老師或者學生[13]。相比而言，虛擬實驗就沒有了這些危險性，很多有毒、有害及破壞性實驗都可以在虛擬實驗平臺上完成，并且通過模擬仿真技術，強化實驗現象。

2.4具有明顯的開放性 與傳統的實驗教學相比，虛擬實驗教學平臺使學生擺脫了原有的環境限制，節省了時間和空間成本。學生們可以利用課余時間，登入校園網絡，在虛擬實驗操作平臺上選擇實驗項目進行課前預習和課后鞏固[14]。從教學方面來講，在形式和內容上，教師可以按照不同專業、不同層次學生的實際情況擴展實驗內容，在開展驗證性實驗項目的同時適當增加綜合性、探究性實驗。學生也可以有針對性地選擇實驗項目進行模擬實驗，實驗答疑與討論，虛擬實驗測試等，以達到最佳學習效果[15]。

2.5激發學生的學習興趣 虛擬實驗教學通過計算機多媒體技術，更加形象生動地將實驗技術傳授給學生，并且學習過程帶有娛樂性，不需顧及實驗動物的死亡及實驗儀器的損壞等因素，這樣學生的想象力和創造力可以得到充分地發揮。在虛擬實驗系統中，學生可通過實驗課件，自己學習，擺脫了傳統實驗教學跟著老師做的弊端，提升了他們對實驗課的熱情和學習積極性，進一步拓展了視野，培養了他們的創新能力，從而提高了學習的效率[16]。

3 虛擬實驗在機能實驗教學中的局限性

盡管虛擬實驗有諸多優點，但仍不能完全取代傳統實驗教學。(1)機能學實驗具有很強的實踐性，要求學生能夠掌握基本的動物實驗操作技能，如動物的麻醉、手術器械的使用以及手術操作等。而虛擬實驗教學主要側重于實驗過程的演示，學生以觀察來獲取實驗技能，得不到真實的動手操作鍛煉，并且對實驗中出現的突發狀況缺乏分析應對能力[17]。(2)在傳統的動物機能學實驗中，實驗結果的真實性對于提高學生的實驗操作能力具有重要的意義，這是虛擬實驗系統無法比擬的，仿真技術不能完全還原出真實的實驗結果。(3)虛擬實驗通常采用人機交互模式，無法提供真實實驗中的人文環境，缺乏實驗氛圍。而真實的動物機能實驗過程包含手術前的麻醉、動物的固定以及手術操作等，需要同一組的同學共同參與、協作完成，這種參與過程更能培養和體現學生們的團隊精神[18]。(4)此外，部分虛擬實驗項目，在操作上過于簡單，如對家兔的固定、表層皮膚的切開、頸部手術操作以及氣管插管等都不夠真實，而且實驗過程缺乏無菌觀念[19]。在虛擬實驗項目的設計方面還有待于繼續研究和開發，以便能更好地應用于教學。因此，虛擬實驗只能作為傳統實驗教學的有益補充和延伸，在開展實驗教學過程中，應該以傳統實驗為主，注重培養學生的動手操作能力，同時將虛擬實驗教學作為一種輔助，合理利用其獨特的優勢，增強學生的自主學習能力，激發學習積極性，提高傳統實驗教學的效率[20]。

4 虛擬實驗應用的預期效果分析

本著提高教學水平，服務學生的宗旨，虛擬實驗平臺建好后，將考慮面向學生免費開放，學生們可以通過預約，進入實驗室進行學習。同時，為了更好地了解虛擬實驗系統的使用效果，本課題組將以調查問卷的形式向這些學生征詢滿意度評價。如果效果較好，本實驗室將關聯校園網，讓學生在寢室或圖書館登入網絡即可進入虛擬實驗室，實現遠程學習。

5 結 語

隨著我國高等教育體制改革的深入，以及實驗教學的多元化，目前單一的教學模式已經不能滿足現代教育及不同層次學生的需要[21]。數字化教學是高等教育發展的一個趨勢，虛擬實驗技術作為傳統實驗教學的重要輔助，將豐富實驗教學手段，應該將它們有機地整合起來，充分發揮各自的優勢，相互促進，更好地提升實驗教學質量。