虛擬仿真在高職智慧康養專業群實驗教學中的探索與應用

摘 要 生理學實驗教學由于耗時長、成本高、結果不可控等原因受到諸多限制，虛擬仿真實驗具有高仿真性，能夠讓學生對實驗的各個步驟進行反復模擬，提高實驗效率、降低成本、激發學生主動思考的潛力，因而得到了越來越廣泛的應用。優化生理學實驗教學流程，將虛擬仿真實驗安排在不同的教學環節，能夠幫助學生熟悉各項生命活動現象，自主探究其內在抽象的發生機制，進而掌握生命活動的規律，促進學生知識、能力和素質目標的達成。

關鍵詞 虛擬仿真；生理學；實驗教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.16.032

Exploration and Practice of Virtual Simulation in the Experimental Teaching of Intelligent Health and Wellness Majors in Higher Vocational Education

——Taking Physiology as an Example

YAN Yan， CUI Xiangjuan， ZUO Li

（Chengdu Polytechnic， Chengdu， Sichuan 610041）

Abstract Physiology experimental teaching is limited by many factors such as long time consumption， high cost， and uncontrollable results. Virtual simulation experiments have high realism， allowing students to repeatedly simulate each step of the experiment， improving experimental efficiency， reducing costs， and stimulating students' potential for active thinking. Therefore， they have been increasingly widely used. Optimize the teaching process of physiological experiments， arrange virtual simulation experiments in different teaching stages， help students become familiar with various phenomena of life activities， independently explore the underlying abstract mechanisms of occurrence， and thereby master the laws of life activities， promoting the achievement of students' knowledge， abilities， and quality goals.

Keywords virtual simulation; physiology; experimental teaching

教育信息化是推動教育數字化轉型、促進教育改革發展、提升教育質量的重要牽引力量和抓手[1]。2018年4月教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》提出，加強職業院校、高等學校虛擬仿真實訓教學環境建設，推進信息技術和智能技術深度融入教育教學全過程。2022年11月，工業和信息化部、教育部等五部門聯合發布《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022―2026年）》，提出構建“虛擬現實+教育培訓”場景，計劃在中小學校、高等教育、職業學校建設一批虛擬現實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓基地。這一系列政策措施旨在促進虛擬仿真實訓在教育中的深入應用，為學習者提供更具創新性的學習環境以及更美好的學習體驗[2]。

生理學是成都職業技術學院智慧康養專業群智慧養老服務與管理專業、護理專業和助產專業的專業基礎課程之一，主要研究正常狀態下人體及其各部分的功能，包括各種正常的生命現象、活動規律、產生機制、機體內外環境變化對這些功能活動的影響以及機體所進行的相應調節[3]。生理學是一門實驗性科學，大部分生理學知識是通過實驗獲得的，動物實驗是生理學研究的基本方法。生理學實驗教學有助于學生對理論知識的深刻理解，成功的動物實驗能提升學生的動手能力和自主學習的興趣。

1 生理學實驗教學中存在的問題

生理學實驗是學生獲得知識的有效途徑，但是生理學實驗教學中存在諸多問題。高職智慧康養專業群學生以高中畢業生生源為主，大多依賴性強、獨立思考問題的意識較弱，僅在實驗課堂中聽教師講解不足以幫助學生深刻理解實驗原理及步驟；生理學課時少，而動物實驗需要準備實驗動物、教師講解示教、觀察實驗結果、探究機體功能機制等過程，耗時較多，每學期能夠開展的實驗有限；動物實驗往往需要機能實驗設備，設備占地大，費用高，操作相對復雜且養護成本高；實驗動物數量相對不足，難以滿足人人參與操作的要求，部分學生只能在實驗過程中長時間觀看操作演示視頻，導致學習積極性不高；動物實驗容錯率較低，一旦出錯很可能會導致后面的結果不準確，達不到通過實驗促進理論知識理解和掌握的目的，重復操作的時間成本和金錢成本較高[4-5]。

2 虛擬仿真實驗教學的優勢

虛擬仿真實驗采用三維建模與虛擬仿真相結合的方式，模擬真實實驗情景，再現實驗操作，有效地將實驗教學的重、難點用現代信息技術呈現出來，讓學習者通過人機交互活動隨時隨地沉浸式進行探索，促進學生掌握知識、內化知識、遷移知識和應用知識[6]。相比傳統實驗教學，虛擬仿真實驗具有如下優勢。

通過構建高度仿真的教學場景，用形象生動的實訓項目引導學生自主探究學習，以游戲的形式代替傳統枯燥的被動式學習，以人機交互的模式認識實驗操作的基本原理與流程，增強學習趣味性以及學生學習的主動性；在學習過程中，學生充分發揮自己的主體作用，教師主要提供指導，并使用虛擬仿真軟件讓學生沉浸式學習，學生有充足的時間進行試錯，倒逼學生思考問題，不斷提高分析問題和解決問題的能力；生理學虛擬仿真實驗平臺為師生、生生之間搭建了一個暢所欲言、互動交流的24小時“在線課堂”，滿足3A（Anywhere、Anytime、Anyone）式實訓，解決了師生配比低和教學課時有限的問題[7]；虛擬仿真實驗教學體系注重過程性評價，以智能考核的方式對學生每步操作的正確性、規范性、安全性進行自動記錄、評估、計分，并給出詳細的考核記錄單，以確保每名學生都能達成學習目標，熟練掌握理論知識與實操技能。

3 探索與實踐

成都職業技術學院醫護學院（以下簡稱“我院”）堅持立德樹人、堅持與時俱進，不斷探索如何利用信息技術服務教學，創新教學模式，提升教學質量。在2019年至2024年雙高建設背景下，立足智慧康養專業群人才培養方案，我院與成都泰盟軟件有限公司深度合作，建成了醫學虛擬仿真實驗教學中心。該中心目前包括了基礎醫學課程生理學、藥理學和病理生理學三門課程共計37個關鍵實驗項目。

3.1 平臺建設理念

OBE（Outcome Based Education）教育理念也稱為成果導向教育，是一種以學習成果或者結果為導向的教育理念，清晰地聚焦和組織了教育中的每個環節，使學生在學習過程中實現預期的結果。OBE教育理念強調學生的主體性，學生不再是被動的知識接受者，而是主動的學習者。教師的角色從“知識的傳授者”轉變為“學習的引導者”。為了確保學生達到預定的學習成果，OBE教育理念強調持續的評價和反饋。這不僅指考試和測驗，還包括日常的作業、項目、實踐活動等[8-10]。

實踐是根本，認知、能力、品德、思維等都來自實踐教育。在生理學實驗教學中，我們堅持OBE理念，堅持以學生為中心，以學習成果的獲得為導向，設計教學環節，安排教學任務，鼓勵學生通過虛實結合的實驗進行自主探究。

3.2 平臺概況

在虛擬實驗中心的建設上，我們設置了教師管理中心和學生學習中心，教師管理中心重在教師對學生學習的引導和學習全過程的分析，設有個人中心、課件管理、班級管理、考試管理、實驗室管理和系統管理六個模塊。

學習中心重在調動學生學習的積極性，滿足學生個性化學習的需求，有學習中心、預約實驗、我的收藏、個人資料和在線交流五個模塊。

3.3 實踐應用

生理學是一門基礎性課程，旨在教會學生掌握正常的生命活動規律，識別機體生命活動現象、判斷存在的健康問題，為后續專業核心課程的學習做好準備。為達成教學目標，采用由表及里、由易到難，不斷深入的方式組織教學，即從觀現象到探機制再到拓展應用安排教學活動。虛擬仿真平臺在不同的教學環節安排虛擬實驗，引導學生一步一步探究知識、掌握知識、內化知識。接下來分別以家兔血壓調節實驗、動物假飼模型為基礎的胃酸分泌調節實驗、受體激動劑腎上腺素對心臟功能的影響三個虛擬仿真實驗為例進行說明。

3.3.1 觀現象——家兔血壓調節實驗

學生通過自主完成“家兔血壓調節”虛擬實驗，發現注射去甲腎上腺素、注射腎上腺素與夾閉一側頸動脈的作用相似，均表現為血壓升高；注射乙酰膽堿與刺激迷走神經的作用相似，表現為血壓下降。教師引導學生對比注射腎上腺素、注射去甲腎上腺素和夾閉一側動脈三種實驗方案對血壓影響的區別以及對心率的影響，通過不斷設問啟發，幫助學生更細致、全面地觀察現象，調動學生學習的積極性，為探究血壓調節機制做好準備。

3.3.2 探機制——動物假飼模型為基礎的胃酸分泌調節實驗

借助虛擬實驗重現假飼模型，探究不同飲食（低脂飲食和高脂飲食）、阿托品、迷走神經對胃液分泌量、鹽酸含量、胃蛋白酶含量及血液中乙酰膽堿含量的影響，歸納各因素的作用特點，直觀了解正常情況下頭期（主要為食物的視覺、嗅覺、味覺等刺激，經由迷走神經刺激胃液分泌）、胃期（食物進入胃后，刺激胃液分泌的過程。氨基酸和胺類物質可直接刺激G細胞釋放胃泌素，進而通過直接和間接途徑激活壁細胞。胃壁擴張同樣可以引起胃泌素的釋放以及胃酸的分泌）和腸期（起始于食物進入小腸內，通過腸腔擴張和營養物質吸收，刺激胃液分泌）胃液分泌情況并理解神經調節作用的形式、內容。

3.3.3 拓應用——受體激動劑腎上腺素對心臟功能影響實驗

通過理論教學，學生了解了交感神經釋放神經遞質腎上腺素與心臟受體結合可以興奮心臟，使心跳加快、傳導加速、心肌收縮力增強，與骨骼肌、冠狀動脈上的受體結合可以擴張血管，改善血流，降低血壓。對接臨床案例（患者，男，因發熱、咳嗽、咳痰、胸痛等癥狀來醫院就診，診斷為急性肺炎，給予青霉素抗感染治療及對癥治療。在注射青霉素的過程中，患者自覺胸悶、氣喘、四肢厥冷、神志模糊不清，測血壓為71/42mmHg，立即停止注射，并用腎上腺素進行搶救），學生設計探究腎上腺素治療心臟驟停給藥劑量的實驗方案，并將實驗方案上傳討論區，師生共同對各個方案進行點評并修改完善。當方案確定后，開放探究實驗，讓學生獲得臨床腎上腺素應用劑量及用藥注意事項等知識。

3.4 效果評價

課程結束后，通過問卷調查了解學生對虛擬仿真實驗教學的評價，內容涉及趣味性、可操作性、實驗時限、學習效果及整體滿意度等，87.6%的學生認可虛擬仿真實驗教學模式。

學生通過虛擬仿真實驗反復練習，熟悉實驗步驟，知曉操作要點。在動物實驗操作時，學生的邏輯性增強，動手能力提高，操作速度加快，誤差降低，使得實驗結果的準確性明顯提升，有效提高學生的學習興趣、積極性和學習信心。

通過開展虛擬仿真實驗，促進學生對知識的掌握和遷移，將“生理學”與“護用藥理”“內科護理”等后續課程的教學內容聯系起來。

虛擬仿真實驗具有對全過程自動跟蹤、記錄、評價與考核等功能，推動實訓教學的數字化改革[11]。教師根據評價結果調整教學策略，優化教學過程，從教書匠轉變成引導者：以問題為導向，通過設置不同的任務，讓學生在做中學、學中做。

4 展望

在智慧康養專業群生理學實驗教學中探索虛擬仿真實驗的應用，開發更多的虛擬實驗，鼓勵學生參與方案的設計和實施。同時完善虛擬實驗和真實實驗的結合，虛重在重現經典，實側重綜合創新。

基金項目：成都職業技術學院2021―2023年院級教改課題“虛擬仿真實訓項目在高職護理專業實踐教學中的創新應用——以護理專業《生理學》為例”（JG-Y2106）；四川省教育廳2022―2024年職業教育人才培養和教育教學改革研究項目“智慧康養專業群‘虛實結合、育訓一體’實訓教學體系的研究與實踐”（GZJG2022-155）。

參考文獻

[1] 教育部等六部門關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見[J].中華人民共和國教育部公報，2021（9）：15-19.

[2] 鄭春光.虛擬仿真系統在生理學實驗教學中的應用研究[J].中國教育技術裝備，2022（19）：135-138.

[3] 楊桂染.生理學[M].北京：人民衛生出版社，2018.

[4] 王懷穎，靳祎.基于創新能力培養的實驗教學改革的探索——以“生物化學與分子生物學”為例[J].教育教學論壇，2022（2）：69-72.

[5] 黃娟，徐子彤，麻凱，等.虛實結合實驗方法在人體生理學教學中的應用[J].科教導刊，2022（14）：129-131.

[6] 任向宇，包麗麗，孫曉琳，等.醫學微生物學虛擬仿真實驗平臺的設計與構建[J].衛生職業教育，2024，42（3）：55-58.

[7] 呂云玲，潘常春，李艷，等.疫情下護理虛擬仿真實訓教學體系的構建與應用[J].衛生職業教育，2022，40（24）：42-44.

[8] 呂昆.基于OBE理念的高職高專生理學“生師學習共同體”構建研究[J].菏澤醫學專科學校學報，2023，35（3）：85-88.

[9] 任燕，林琳.基于成果導向教育理念的混合式教學模式在生理學教學中的應用[J].衛生職業教育，2023，41（18）：73-76.

[10] 潘杰，周心如，肖池，等.基于OBE理念的生理學實驗教學方法探索與實踐[J].中國高等醫學教育，2021（5）：111-112.

[11] 李艷，陳琳，朱福根.國內虛擬仿真實訓：現狀、研究及啟示[J/OL].現代遠距離教育，（2024-01-22）：1-13.