虛擬實驗技術(shù)在生理學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用與思考

施曉琳

（蘇州大學(xué) 江蘇 蘇州 215000）

生理學(xué)是研究人體正常活動規(guī)律及機(jī)制的一門學(xué)科，與解剖學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)等許多學(xué)科互相交叉，起到了橋梁和紐帶的作用，故生理學(xué)是高等醫(yī)學(xué)院校的重要基礎(chǔ)課程之一。生理學(xué)實驗是生理學(xué)的重要組成部分，通過實驗不僅可將抽象的概念與實驗結(jié)果聯(lián)系起來，幫助學(xué)生理解消化理論知識，還能培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的基本操作技能，提高解決問題的能力，提升創(chuàng)新思維。

伴隨著醫(yī)學(xué)教育的不斷改革發(fā)展，傳統(tǒng)實驗教學(xué)由于課程整合、實驗對象、儀器設(shè)備等諸多條件的限制，已經(jīng)不能完全覆蓋生理學(xué)實驗的教學(xué)需求。而虛擬實驗的發(fā)展應(yīng)用能在很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗在客觀條件上的不足[1]。國內(nèi)已有多所高校開始在生理實驗中探索發(fā)展虛擬實驗教學(xué)，教育部也提出要求高校要高度重視實驗教學(xué)與信息化的深度融合[2]。本文以蘇州大學(xué)為例進(jìn)行說明，該校醫(yī)學(xué)院已建設(shè)完成相應(yīng)的虛擬實驗教學(xué)平臺并投入使用，實現(xiàn)了將傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗相結(jié)合的教學(xué)模式，在實驗教學(xué)改革中起到了巨大的作用。

1 傳統(tǒng)生理學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)生理學(xué)實驗的教學(xué)模式是根據(jù)教學(xué)大綱結(jié)合實際教學(xué)需求制訂教學(xué)日歷，課前由實驗技術(shù)人員準(zhǔn)備好實驗所需的教室、實驗動物、儀器設(shè)備以及試劑耗材，在課堂上由教師講解相關(guān)理論知識，通過多媒體或者現(xiàn)場示教進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生將理論知識運(yùn)用到實際操作中，并通過實驗結(jié)果反向驗證理論知識，從而加深對抽象概念的理解。但隨著醫(yī)學(xué)教育的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)實驗教學(xué)的缺點也逐漸暴露出來：

1.1 實驗客觀條件限制

生理學(xué)實驗采用活體動物作為實驗對象，出于安全和保證教學(xué)質(zhì)量的考慮，對實驗條件和場所有著較高的要求。實驗室面積要能容納一定數(shù)量的手術(shù)臺和實驗所需的儀器設(shè)備，確保每個實驗小組有足夠的實驗手術(shù)空間。同時實驗場所還要滿足不同實驗的特殊需求。例如神經(jīng)干動作電位的引導(dǎo)，傳導(dǎo)速度和不定期的測定實驗，由于生物電信號比較微弱，容易受電磁干擾，所以實驗需要在電磁屏蔽的實驗室進(jìn)行，才能獲得比較理想的實驗結(jié)果。另外，隨著實驗動物倫理學(xué)的發(fā)展成熟，有關(guān)動物福利的相關(guān)問題越來越受到關(guān)注，實驗動物的使用逐步規(guī)范，在品種、數(shù)量和質(zhì)量等方面都受到了嚴(yán)格的限制，這也在很大程度上影響了生理學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展[3]。

1.2 教學(xué)資源的限制

一方面，隨著課程改革的深入，諸多醫(yī)學(xué)類院校將生理學(xué)實驗與其他關(guān)聯(lián)學(xué)科合并為綜合性實驗課程，生理學(xué)實驗課的課時數(shù)大大減少；另一方面，隨著醫(yī)學(xué)類院校擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)增多，導(dǎo)致每個實驗教學(xué)班人數(shù)上升，但實驗室數(shù)量與開放時間有限，學(xué)生動手機(jī)會隨之減少。一旦實驗失敗，現(xiàn)有的教學(xué)資源也不足以支持學(xué)生重復(fù)實驗，導(dǎo)致了大部分生理實驗的“一次性”[4]。

1.3 實驗形式的單一性

生理學(xué)實驗絕大部分都是在實驗動物身上進(jìn)行，通過人為地控制某些變量因素來重現(xiàn)動物身上正常生命活動的過程，通過儀器記錄實驗結(jié)果并加以分析研究。所以生理學(xué)實驗以驗證性實驗為主，學(xué)生按照實驗步驟完成實驗內(nèi)容，通過實驗結(jié)果驗證理論課上所學(xué)的理論知識，鮮有創(chuàng)新性、開放性的內(nèi)容，學(xué)生獨(dú)立思考的機(jī)會較少，同時也限制了教師和實驗技術(shù)人員的成長。

1.4 實驗嚴(yán)謹(jǐn)復(fù)雜，成功率低

作為最早開設(shè)的動物實驗課程之一，學(xué)生課前實驗經(jīng)驗缺乏，操作基礎(chǔ)薄弱。而且由于生理實驗的抽象性，學(xué)生很難通過預(yù)習(xí)掌握實驗原理和步驟。且綜合性實驗手術(shù)難度高，設(shè)備軟件操作復(fù)雜，實驗過程困難重重，實驗成功率低，導(dǎo)致學(xué)生動手意愿消退，實驗積極性降低。

2 虛擬實驗的優(yōu)勢

虛擬實驗是指借助于多媒體技術(shù)在計算機(jī)上營造一個逼真的具有視聽等多種感知的軟硬件環(huán)境，使學(xué)生在較為真實的環(huán)境中完成各種實驗項目。

2.1 打破實驗教學(xué)對客觀條件的依賴

虛擬實驗通過在計算機(jī)模擬的教學(xué)環(huán)境中完成實驗，不涉及任何實驗動物、儀器設(shè)備和試劑耗材。虛擬實驗室的開放打破了時間和空間的限制，學(xué)生可隨時隨地利用移動終端登陸虛擬實驗平臺進(jìn)行實驗操作。一些操作因難度大、成本高且難以開展的實驗，也可通過虛擬實驗平臺向?qū)W生展示，大大豐富了實驗項目的多樣性，滿足不同層次的學(xué)生的實驗需求[5]。

2.2 將抽象概念具象化，提高學(xué)習(xí)效率

虛擬實驗?zāi)芡ㄟ^動畫等形式將實驗過程清晰有序的展示，將抽象知識可視化呈現(xiàn)，使教學(xué)過程更具趣味性。學(xué)生可以在虛擬實驗操作過程中了解實驗的原理和步驟，對于實驗中的重點難點提前關(guān)注，可以在傳統(tǒng)實驗中有效減少教師的講解時間，提升實驗成功率。

2.3 滿足實驗創(chuàng)新的需求

任何一門學(xué)科都不是獨(dú)立存在的，尤其是生理學(xué)，作為一門“橋梁型”學(xué)科，生理學(xué)與許多其他課程關(guān)系緊密，在醫(yī)學(xué)教育中起著承前啟后的作用。但由于教學(xué)配置等客觀原因，大部分課程的線下實驗課還是獨(dú)立進(jìn)行。通過虛擬實驗技術(shù)可以實現(xiàn)跨課程綜合實驗，將生理學(xué)與解剖學(xué)、病理學(xué)等實驗課程根據(jù)教學(xué)需求融合創(chuàng)新，使課程更加整體化、系統(tǒng)化。

3 虛擬實驗平臺在教學(xué)中的應(yīng)用

以蘇州大學(xué)為例，醫(yī)學(xué)虛擬實驗教學(xué)平臺由上海夢之路數(shù)字科技有限公司提供技術(shù)支持，目前涵蓋臨床醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)技術(shù)等11個專業(yè)，內(nèi)容包括解剖學(xué)、機(jī)能學(xué)、形態(tài)學(xué)等13大類別。其中機(jī)能學(xué)中包含基礎(chǔ)操作類，基礎(chǔ)實驗類以及綜合實驗類等總共99項實驗，生理學(xué)相關(guān)13項，數(shù)量種類基本與線下實驗課程齊平，為推進(jìn)生理實驗教學(xué)改革打下了堅實的基礎(chǔ)。

3.1 虛擬實驗教學(xué)平臺作為預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)的工具，提升了學(xué)生對基礎(chǔ)概念的掌握

生理學(xué)是一門重要的基礎(chǔ)理論課，所有的知識點和結(jié)論均從實驗中獲得。然而大部分生理學(xué)實驗的結(jié)果并不能通過人的感官觀察到，需要通過儀器觀察記錄，導(dǎo)致生理學(xué)內(nèi)容抽象難懂。且現(xiàn)實中生理學(xué)理論課與實驗課無法完全同步，導(dǎo)致理論課后不能及時銜接實驗課加以鞏固，或?qū)嶒炚n上沒有相應(yīng)的理論知識支撐，使生理學(xué)學(xué)習(xí)更加困難。虛擬實驗通過動畫與視頻的講解，不僅能在課前幫助學(xué)生掌握實驗原理流程，也可在課后加深學(xué)生對于理論知識的理解，幫助總結(jié)實驗技巧與難點，與僅僅通過文字來進(jìn)行預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)相比，顯然要事半功倍[6]。

3.2 虛擬實驗作為示教工具，參與到線下實驗課中

在帶教導(dǎo)師示教實驗時，由于實驗人數(shù)眾多，往往只能照顧到某一個小組或者抽取每組的一名同學(xué)觀看；盡管在實驗過程中有教師和技術(shù)人員巡查指導(dǎo)，但由于實驗耗時長、難度大，教師無法同時顧及多組學(xué)生，大部分學(xué)生還是需要根據(jù)書本和教學(xué)視頻自己探索，容易產(chǎn)生畏難情緒。虛擬實驗平臺通過視頻加講解的方式，可以在實驗過程中精準(zhǔn)指導(dǎo)學(xué)生的實驗進(jìn)程。虛擬實驗演示的畫面有細(xì)節(jié)有整體，可以減少學(xué)生盲目操作，增強(qiáng)學(xué)生對實驗流程的掌控。而且學(xué)生可以通過反復(fù)觀看來更好地掌握實驗中的重點和難點，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)示教中的不足。

3.3 虛擬實驗參與實驗成績評估，豐富實驗考核手段

在實驗考核中，除去線下實驗操作考試外，還可以抽取虛擬實驗作為考核項目，通過學(xué)生的模擬操作能力，更全面地判斷學(xué)生的操作水平以及對實驗的掌握程度[7]。不僅如此，還可以通過虛擬實驗平臺中學(xué)習(xí)次數(shù)、操作成績、實驗報告等后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計學(xué)生的平時成績，作為最終成績的參考[8]。

4 虛擬實驗的限制

虛擬實驗技術(shù)為生理實驗教學(xué)的改革和發(fā)展提供了新概念和新思路，相較于傳統(tǒng)實驗教學(xué)有諸多優(yōu)勢，但現(xiàn)階段虛擬實驗的局限性使其并不能完全替代傳統(tǒng)實驗教學(xué)，虛擬實驗只能作為一個輔助手段參與生理學(xué)實驗教學(xué)[9]。

4.1 不能鍛煉學(xué)生的實踐動手能力

醫(yī)學(xué)生尤其是臨床類學(xué)生，未來會參與到各種手術(shù)中去，所以培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力是實驗教學(xué)的重中之重。學(xué)生在生理學(xué)實驗課程中學(xué)習(xí)基本動物實驗操作技能，如手術(shù)器械的使用、各類動物的麻醉方法等，為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。這些實驗技巧需要反復(fù)練習(xí)才能熟練掌握，這是現(xiàn)階段的虛擬實驗技術(shù)所不能提供的[10]。

4.2 不利于鍛煉應(yīng)對變化的能力

在傳統(tǒng)實驗過程中經(jīng)常會出現(xiàn)突發(fā)情況，需要學(xué)生根據(jù)理論知識結(jié)合實驗情況及時調(diào)整實驗進(jìn)程。比如由于麻醉深度不夠，實驗對象在實驗中途醒來；比如在氣管插管時血凝塊堵住氣管造成實驗對象窒息；比如手術(shù)時意外破壞動脈后大出血等。突發(fā)情況的處理不僅能考驗學(xué)生利用理論知識和操作技巧解決實際問題的能力，還能鍛煉心理承受能力和抗壓能力，這些都是成為醫(yī)生必不可少的基本素質(zhì)。而虛擬實驗是根據(jù)實驗結(jié)果預(yù)先設(shè)置的，實驗只能朝著單一的方向進(jìn)行，很少有其他因素的干擾和影響。這不僅不能鍛煉思維能力，還有可能讓學(xué)生忽視活體動物實驗的復(fù)雜性和多變性，不利于學(xué)生養(yǎng)成謹(jǐn)慎、細(xì)致、科學(xué)的實驗態(tài)度。

4.3 不利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作、協(xié)調(diào)、溝通能力

在生理學(xué)實驗課程中，通常將學(xué)生分為4-5人一個實驗小組，綜合性實驗需要小組中各個成員分工合作共同完成實驗任務(wù)，這不僅能鍛煉學(xué)生的溝通協(xié)調(diào)能力，還能在不同意見的碰撞中發(fā)散思維。學(xué)生遇到問題時也能通過和老師的交流來增強(qiáng)對實驗的理解。而虛擬實驗只需要在移動終端上單人操作，現(xiàn)階段還無法實現(xiàn)團(tuán)隊合作的功能。

5 總結(jié)

虛擬實驗作為一種新型的實驗教學(xué)手段，在幫助學(xué)生掌握生理學(xué)基礎(chǔ)知識以及實驗操作要點上得到了廣大師生的廣泛認(rèn)可。雖在培養(yǎng)學(xué)生操作能力上尚存在一些不足，但其靈活性和穩(wěn)定性彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗的空缺，特別是在疫情網(wǎng)課期間，虛擬實驗承擔(dān)了生理學(xué)實驗教學(xué)的主要任務(wù)，在很大程度上彌補(bǔ)了學(xué)生無法參與線下實驗的遺憾。在生理學(xué)實驗教學(xué)中，要正確處理虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗的關(guān)系，采用傳統(tǒng)實驗為主、虛擬實驗為輔的“虛實”互補(bǔ)教學(xué)模式，通過兩者的配合來滿足生理學(xué)教學(xué)改革的發(fā)展趨勢和人才培養(yǎng)的實踐需要，從而更好地提高生理學(xué)實驗教學(xué)水平。