應急過后虛擬實驗在機能實驗教學中應用的反思

[摘 要]針對虛擬實驗在應用中的特點，明確了虛擬實驗在實驗教學中的意義，即促進實驗教學資源的整合、激發學生的求知欲以及創造性、提升學生自主學習效率、提升實驗教學成效，反思了虛擬實驗在實驗教學中的構建原則及正常推行的基本條件，不僅能助力實驗教學高效展開，也能提升學生的自主學習能力，并為應對突發的公共衛生安全事件提供支持，做到有備無患。

[關鍵詞]虛擬實驗室；機能實驗學；實驗教學

[中圖分類號] G645 ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2023） 04-0110-03

新型冠狀病毒（COVID-19）疫情出現的極其嚴重的接觸傳播性，導致醫學實驗教學受到嚴重影響。而且就新型冠狀病毒及其變異形態的發展來看，其有作為常駐病毒的趨勢。而要擺脫其給教學帶來的負面影響，必須找到相應的方法應對。虛擬實驗室是一個強大的教育工具，是在網絡支持下的實驗系統，使學生能通過虛擬平臺在線進行相關實驗操作，輔助常規的實驗教學，這也有助于強化學生的自主學習能力，發展學生的綜合素質。

一、虛擬仿真實驗系統在實驗教學中存在的重要意義

（一）能合理促進實驗教學的資源整合

醫學機能實驗學是一門訓練學生基本實驗技能和分析并解決問題能力的綜合性實驗學科，它能借助動物實驗研究來促進學生認知生命過程機能正常和異常變化的特點和規律。高等醫學院校定購并建設的虛擬仿真實驗系統幾乎包括了醫學實驗的所有基本模塊，就機能學實驗來看，主要包括生理學、病理生理學、藥學及相應的實驗模塊。通過搭建資源豐富、易于操作、科學有效的網絡自主學習服務體系，能夠為學生提供自主學習所需的知識管理及學習過程管理服務，結合教育社交網絡實現教學資源整合、分享的目標，以突破時空限制的大平臺優勢，達成學生的自主學習條件需求。

（二）能刺激學生的求知欲并培養學生的創造性

虛擬仿真的實驗系統內容上主要有思考題、實驗模擬模塊及可開發模塊；形式上有視頻、音頻、動畫、圖像、文字等。學生可通過虛擬仿真實驗系統中的人機互動操作，觀看平臺中的視頻、音頻、動畫，對實驗內容產生好奇心以及操作欲望，有利于學生更透徹地理解實驗的目的、實驗原理以及操作步驟。[1]此外，虛擬仿真的實驗系統具有可開發性，允許學生按照自己的具體情況設計更有創意的實驗方案，提升學生在創新實驗方面的設計精神以及水平，拓展深層次的醫學實驗教學。

（三）能提升學生自主學習的效力

貫徹以學為中心的教學理念。若要學生具備自主學習的習慣與能力，教師就要策略性地設計實驗問題給學生，讓學生嘗試借助虛擬仿真平臺自己解決一些問題，或者通過小組交流找出解決問題的方案，促進學生自主學習。同時，學校可持續性地完善評價學生自主學習能力的指標體系，提供給學生一套能夠及時評價和反饋其自主學習能力的測評指標。測評后的相應反饋信息能使學生及時發現學習過程中存在的優勢及不足，同時還能為教師有針對性地改進教學工作提供客觀依據。

（四）能提升實驗教學的成效

虛擬仿真實驗系統融入機能實驗教學，還有利于推進醫學實驗教學的信息化發展，并支持學生的探究式學習及自主知識構建。同時，增加了學習場所的靈活性，而且體現了重視課前準備、強化課中掌握、拓展課后成果的過程教學，從而強化學生在創新以及自主學習方面的能力。[2]而且運用虛擬仿真的實驗系統，也讓實驗教學的方法更加多元，讓實驗教學更具有生動性和趣味性，學生還可以針對自身實驗操作中比較薄弱的部分，主動地進行預習，同時進行線上操作的練習，熟悉實驗操作以及內容，可以有效彌補由于實驗室資源緊張而帶來的教學方面的不足，提升師生共同在機能實驗教學中的成就感。

二、虛擬實驗室在醫學實驗教學中的常規應用方向

（一）虛擬實驗室是應急情況下在線實驗教學的解決方案

利用虛擬平臺，學生可以突破傳統實驗教學在時間、實驗動物、試劑和實驗儀器方面的約束，通過互聯網進行虛擬實驗操作，既可幫助學生理解實驗原理以及熟練實驗的操作步驟，又能獲得實驗結果的即時反饋。由于重要的實驗可以隨時隨地在網絡環境下進行，學生可以結合自身實際情況反復進行操作，利用課下時間繼續學習。而且，虛擬實驗也可以分成小組進行，允許學生之間進行社交互動和協作，可以促進學生間的交流。對于教師而言能起到較好的教學助手作用；對于學生而言，則起到強化自主學習、熟悉實驗流程及實驗結果的作用。

（二）虛擬實驗室可用于科學研究實驗方案的預演

除了教育之外，在線模擬器也經常被用于研究之中。學生利用虛擬仿真實驗平臺可以自主擴展自身科研需要的實驗，并可反復模擬，甚至實驗過程可以中斷、暫停，不會影響實驗結果；而且這種研究方式低成本甚至零成本，有利于提高學生實驗的自主性，培養其探索性的實驗思想，有利于其科研創新能力的發展。此外，虛擬實驗室為博士生和博士后研究人員提供了獲得教學經驗的好機會，可以熟悉虛擬教育中的重要教學方法（如情景教學和探究式學習）、參與虛擬實驗室的開發、定期對虛擬實驗室的內容進行補充和改進，這樣可以為豐富完善在線實驗教學的手段提供幫助。

（三）虛擬實驗更多用于輔助傳統實驗教學

實驗是科學研究的重要組成部分，學生通過實驗可以獲得更多寶貴的技術方面的經驗，并為將來學生走向工作崗位提供必要的技能準備。然而醫學是實踐性較強的學科，因部分實驗周期較長，且實驗中應用的某些大型儀器價格昂貴，再加上實驗試劑、實驗動物的成本及安全問題，導致學生親自實驗機會減少，影響人才培養。但虛擬實驗室可以有效解決傳統實驗教學時空安排、試劑種類和實驗儀器的限制，幫助學生理解實驗原理，反復進行實驗操作，[3]提高其綜合實驗操作能力，而且借助虛擬實驗室的相應實驗模塊輔助學習，也有助于提升實驗教學的整體效果。

三、應急過后實驗教學應用虛擬實驗的反思

新冠病毒疫情的爆發導致醫學實驗教學任務應對過程中必須采取虛擬仿真實驗的方式作為應急措施。但是，應急過后的反思中也發現，虛擬實驗平臺建設能更好地服務實驗教學，提升學生的自主學習能力，有效解決實驗教學中的實際問題。

（一）虛擬平臺實驗教學體系構建的基本原則

主管教學部門，包括國家級教育決策部門及學校教務部門。國家級教育決策部門需要制訂相關指導性綱領。在相關指導綱領框架下，學校層面需要協調整合校內外所有可利用的教學資源，給予經費支持，完善虛擬仿真實驗中心，按照“分層培養、虛實交替、創新創業”的原則構建實驗教學體系平臺，并確保硬件及軟件能支撐學生自主學習。[4]虛擬仿真中心資源配置方面，在基礎理論體系部分重點設置操作性和驗證性的實驗項目，如生理學、病理學、藥理學相應的基礎實驗；專業特色體系部分則按學科專業側重點開設綜合性實驗項目，如生理-病理-藥理綜合、科學實驗視頻；創新創業體系中設置學科前沿技術實驗項目，如大學生比賽項目；校企結合實驗體系則以企業自身及社會市場的需求為導向構建；師生互動體系以學生需求為導向并融入思政元素構建，如群體互動、多屏聯動、隨堂測驗實時反饋。

（二）虛擬實驗正常推行的基本條件

1.教師層面的挑戰

（1）需要加強ICT 能力及相關專業應用技能培訓。在應用ICT的能力方面，教師對ICT 掌握的熟練程度將直接影響線上教學的推進以及教學質量。在使用ICT技術的意識方面，有數據表明，有相當數量的教師選擇性忽視數字化發展是時代發展必然趨勢，并對數字技術發展產生的巨大優勢帶給傳統教學方式的嚴重沖擊缺乏清醒認識，因而很難與時俱進地把數字化發展帶給傳統教學改革的良好機遇作為突破點來推動教學改革。

（2）需要加強教師之間專業層次的協作。突發的新冠病毒肺炎疫情讓我們清醒地認識到人與人之間保持適當聯系可以有備無患，尤其在特殊時期，教師之間怎么高效開展深層次的教學合作、如何處理教學資源共享等問題還需要深入研究。

（3）需要重構新型的適應師生交流的關系。在傳統的課堂教學過程中師生互動以彼此能感覺到溫度的自然表達溝通形式展開，線上教學的環境不同于傳統的課堂教學，師生互動受到空間隔離和時間不連貫的影響，因此，要求教師探索新型的師生交流模式，滿足線上或線上線下混合教學中師生互動的基本要求。

（4）需要構建順應線上規律的教學設計。教師要認真研判線上教學的教情、學情趨勢，合理運用線上平臺進行課程建設（主要解決教學過程管理）和在線虛擬實驗平臺（主要實現實驗操作的全方位理解和掌握）的功能，創造性地設計符合線上學習或與線下混合要求的教學活動環節，有效強化學生自主學習能力。

2.學生層面的挑戰

（1）需要改善線下學習模式。從學生發展的角度來說，自主學習的能力是極其重要的品質，想要讓學生有自主學習的習慣，教師應該引導學生適應虛擬仿真的教學方法。在機能學的實驗教學中應用虛擬仿真的實驗系統以后，學生在操作過程中遇到問題可以嘗試重復操作，分析問題的原因并嘗試解決，逐漸養成自主解決一些問題的習慣，突出學生主體，強化學為中心，促進線上教學與線下教學的平順切換。

（2）需要加強心理健康建設。對于自我調節能力較差的學生而言，他們無法快速適應從有嚴格制度和作息規律的導引學習轉向相對獨立的自主學習，進而影響學習質量。如何更科學合理地消解自己的消極情緒，實現自主學習，盡快找到適合自己的解決方案是一些學生的首要任務。

（3）需要出臺可行方案保障困難生線上學習的基本條件。如何保證弱勢學生群體數字化學習的質量，盡量降低學生端硬件要求是平臺建設應考慮的嚴肅問題。也應是國家扶貧政策應給予高度關注的教育問題。

3.在實驗教學中應該發掘虛擬仿真實驗系統的高層次功能

多數教師只愿意運用虛擬仿真實驗系統中的簡單功能，如實驗錄像、動畫演示等，只有少數教師愿意花費更多精力創造性地應用虛擬仿真實驗系統配備的可開發性功能，以充分地發揮其優勢，這樣才能盡可能地彌補線上教學存在的不足。

4.虛擬仿真實驗不應該取代傳統實驗室中的實體實驗

虛擬實驗系統的實質是利用動態數學模型，通過符合科學邏輯的交互式操作3D仿真實驗裝置，實時模擬真實的實驗過程及實驗現象，可以產生與實體實驗匹配的實驗現象和實驗結果。但虛擬實驗室不應該完全替代傳統實驗室中的真實實驗，因為傳統實驗室中的真實實驗更有質感、情感、倫理認同感，而且實際實驗中會受到各種主客觀因素的影響，實驗過程更符合實際工況。而虛擬仿真實驗的操作步驟已經程序化，其實驗結果也是預設的理論上的結果，實驗數據有可能是“完美無瑕”的，不利于學生對實際問題的分析；也不能實現大量的實物操作和反復練習，達不到增強學生實際動手操作能力的教學目標，也很難真正幫助學生掌握技術。然而，在學術環境中，虛擬實驗室和實體實驗室可以協同工作，為實體實驗做更富有成效的準備。[5]

5.線上教學的體驗及持續使用意愿

由于教師與學生的人生閱歷及在教學中的立場不同，導致雙方對在線教學的身心體驗存在差異。有研究表明，感知有用性、感知易用性和外部環境對師生持續使用在線教學意愿具有較大影響。調查發現，互聯網時代的學生群體對感知有用性和外部環境更敏感，認為三因素對持續使用意愿的影響次序為：感知有用性優先于外部環境感知，外部環境感知優先于感知易用性。而教師由于角色和責任不同，更看重感知有用性和感知易用性條件，認為三因素對持續使用意愿的影響次序為：感知有用性，感知易用性，外部環境感知。但毋庸置疑的是，把線下課程的教學模式簡單地線上進行處理、線上資源優勢利用缺少合理性、線上即時評價的反饋滯后仍是提升使用線上教學意愿需要解決的關鍵問題。比較而言，面對線上教學的軟硬件挑戰，相較于互聯網時代成長的學生群體，教師群體整體趨于保守。值得注意的是，教師與學生在未來在線教學使用意愿上的問卷調查顯示“線上模式”低于“線上＋線下”模式。

當前醫學基礎課程在培養體系中存在授課學時壓縮而又不能降低教學要求的看似不合理操作，而利用虛擬實驗輔助實驗教學具有直觀、投入少、產出多的效果，能給課程學習帶來更多便利和助力，而且能將專業最前沿的知識及技術帶給學生。鑒于此，虛擬實驗平臺作為高校應用較多的線上實驗教學系統，軟件研發單位應多與各高校教學一線使用部門溝通合作，多采納教學使用部門的有效建議和意見；同時教師的教育理念也應與時俱進，將虛擬實驗系統自然地融入教學中，強化學生的自主學習能力，以推動醫學教育的優質發展。但考慮虛擬實驗缺乏面對實體的實際動手能力訓練，采取能發揮各自優勢的線上虛擬實驗與線下實際操作相融合的實驗教學模式才是最適配方案。

參考文獻：

[1]王鵬翔，鄧秀玲，薛昕，等.虛擬實驗在生物化學實驗教學中的應用[J].中國中醫藥現代遠程教育，2020，18（7）：7-8.

[2]何謀海，陳哲，廖小立.虛實結合的混合式生物化學實驗教學模式改革與探索[J].綠色科技，2020（19）：203-205.

[3]徐宋瑤，扈瑞平，薛昕，等.生物化學虛擬仿真實驗教學項目的嘗試與應用[J].基礎醫學教育，2019，21（9）：743-744.

[4]趙寧，馮小飛，陳玉惠.基于互聯網+生物化學虛擬仿真實驗中心構建[J].西南林業大學學報：社會科學，2020，4（2）：89-92.

[5]齊彥，郭麗新，卞敬琦，等.虛擬實驗在生物化學實驗教學中的作用探討[J].教書育人：高教論壇，2021（24）：111-112.

（責任編輯：劉潔）