醫學虛擬實驗的教學應用限度研究

李斯萌,楊 雪,黃海林

(吉林大學高等教育研究所,吉林 長春 130012)

醫學虛擬實驗引入教學的出發點在于助推專業理論與實踐相結合。尋求應用邊界,可以促使教學價值的科學化實現。確定醫學虛擬實驗涉入教學的平衡點,可以從教學功能、技術支撐與用戶體驗三方面加以界定。

一、教學功能限度

教學功能指經由教學行為實現的具象投射與認知范圍。課程結構的合理配置是實現教學功能最大發揮的前提,在此基礎上才能根據實驗類型及其相應適宜度匹配真實實驗和虛擬實驗。教學功能限度的研究是依據基礎醫學實驗教學的課程結構安排及科目之間的體系構成,總結出了基礎醫學實驗課程的項目類型及虛擬實驗應用的適宜度,具體見表1。

表1 基礎醫學實驗課程結構(部分)、類型及虛擬實驗應用適宜度

通過優化課程結構、解析教學功能,可以將教學功能限度分為課程結構、再現程度與虛擬實驗的應用匹配度三個層級。

1.課程結構。課程結構是指通過虛擬實驗可以有效再現哪些教學內容,不僅包含課程體系構建,而且關乎教學功能實現。基礎醫學實驗課程已積累大量的具備實現虛擬實驗教學的素材,如:(1)機能學。有機承繼生理學、病理生理學和藥理學的技術脈絡,通過掌握實驗設計步驟及常用儀器使用方法,驗證習得理論。由于虛擬現實技術具備逼真模仿與再現實驗的條件,生理學實驗如“蟾蜍坐骨神經—腓腸肌標本制備”適合經由虛擬實驗的“定向、分解、整合、熟練”過程達到強化實驗原理與規程的目的。(2)形態學。虛擬實驗力圖實現圖文并茂、病變典型,推進了顯微鏡的倍率和測量功能的實現,為顯微鏡虛擬操作與仿真鏡讀片推廣提供了可能性,一定程度上緩解了片庫資源短缺問題。(3)病原遺傳細胞生物學。涉及到使用生化培養箱的項目,可以通過運用虛擬實驗,縮短微生物生長周期,加速實驗觀察進程。(4)人體解剖學。在講授“心腔與瓣膜的形狀和作用”時,虛擬實驗從多視角展示器官的形態結構,使得學生可以清晰觀察膜關閉房室口和動脈口從而防止血液倒流的過程。

2.再現程度。真實實驗從多方面調動感知器官,通過不同程度的神經刺激,推動認知過程延續;桌面虛擬實驗強調真實實驗在電子顯示設備上的視覺可再現性,僅提供視聽感知,一定程度制約了真實場景的可再現性。而味覺敏感度實驗、嗅覺功能測查實驗、檢驗醫學等又難以用虛擬實驗替代,制約了學習經驗的完整性。按味/嗅覺類、觸覺類、視/聽覺類實驗逐漸從低級到高級,形成與實驗再現程度互為基奠的層級遞進關系。

3.應用匹配的適宜度。虛擬實驗和真實實驗之間存在著辯證關系,這里的適宜度是指虛實之間的平衡。依據基礎醫學實驗課程模塊劃分,其應用層級依次為:基本、綜合、創新。現今虛擬實驗多驗證、演示型等基本實驗,少綜合設計型實驗,而創新型實驗不易于開發:一方面受虛擬實驗軟件智能程度制約,另一方面實驗本身的創新性加劇了實驗系統的復雜程度。

二、技術支撐限度

技術支撐限度涉及技術、資金、人力等成本因素,即投入產出平衡。應遵循“從需求出發進行設計,以實現教學目標為最終目的”的原則。

1.開發技術。現有技術在一定程度上制約了開發者的想像力,無論是智能程度、復雜場景,還是網絡環境等因素,技術支撐均存在一定的實現范圍。(1)復雜場景:復雜情境的實驗環境伴隨浩大的建模工程量。面對多項目、少經費等現實條件制約時,難以應對開發速率需求。(2)網絡環境:由于上網人數劇增及其不平衡性,海量由計算機圖形技術生成的三維模型數據繪制的虛擬場景難以實時交互。(3)智能程度:指該系統具備的人工智能程度——低智能度的虛擬實驗往往脫離真實實驗場景。如麻醉解剖水蛭實驗中,某一指定步驟必須選取鑷子才能繼續,而選取解剖刀、剪刀等工具則無響應。真實場景中,由工具選取錯誤導致實驗失誤實屬常見;而虛擬場景中,操作失誤狀況往往由于受到智能程度制約被忽略。

2.適用技術。適用技術的核心應用理念在于:選用恰當技術,明晰開發現狀,降低運行成本,見表2。它應具備如下特點:首先,技術簡單易學。其次,跨平臺,可擴展。既不依賴于操作系統,也不依賴硬件環境。最后,在最大限度保障系統穩定性及網絡傳輸通暢性同時,易于開發更新,并為維護升級備足空間。

表2 虛擬實驗應用技術特點

3.資源配置。(1)人力資源。指依據具體地區的人力資源市場、社會文化環境、等因素組成以教育技術專業人士為主體,建有醫學、計算機相關領域人員參加的實驗研發隊伍。具體組建形式與規模應達成項目需求、技術組成和人力成本的總體平衡。(2)資金運作。旨在投資、市場、企業承受能力、資金回籠周期上尋求最佳平衡點,涉及市場需求、管理成本、營銷費用、資金回籠周期因素,受到開發單位的經濟實力和資金限制。

三、學習者體驗限度

學習者體驗限度,指用戶對于虛擬實驗系統的認知印象和回應。技術哲學觀點認為:在理性知識衍生中的技術,僅僅是科學原理的延伸和應用,人的主體地位卻是缺失的。要使技術過程以人為的存在發揮出為人的功能,必須從外部注入并賦予其人文和文化的意義[1]。例如,蘋果公司的戰略本質在于用戶體驗,它的成功源于對用戶如何最大程度使用計算機的透徹理解。

虛擬實驗作為“屬人技術”,即技術手段被賦予人文價值的核心意義,注定其本質在于輔助教學推展。因此,如何把握學習者的情感體驗限度,通過提供個性化服務,創設積極評價場景,跟蹤學習進程,及時鼓勵進步,感知學習中遇到的困難,最終增進學習者使用的忠誠度,是基于理論研究與現實意義的雙重考量。

以往調查顯示,學生使用虛擬實驗學習時大致會遇到三類困難——情感體驗缺乏、內容認知障礙和技術操作困難[2]。鑒于此,有必要將學習者體驗作為認知與情感的整合系統來考慮,并對增進體驗提出對策。

1.情感體驗:增進師生交互,挖掘情感體驗。情感體驗指虛擬實驗教學互動過程中的瞬間用戶體驗。由于不具備面授教學時的充足交流,虛擬實驗的學習者情感體驗缺乏往往成為影響認知效果的核心因素。對此,應鼓勵師生及時交流,使得教師更好地把握學生認知活動的思維過程,從而幫助完善學習策略。

2.內容認知:關注實驗場景,激發認知熱忱。以往調查顯示,54.1%的學生認為虛擬實驗缺乏細致的場景設計使得認知過程變得困難[2]。對此,應關注實驗場景建設。細化場景設計可以提升學生對媒介環境的感官沉浸度,助推能動效應成為實驗教學交互的起點、動力與依托。

3.技術操作:把握操作提示,引導知識遷移。恰當運用操作過程提示,可以在減輕認知負擔的同時,引導學生遵循正確步驟領會教學內容,并完成知識的同化、順應和遷移。如ELISA法檢測血樣實驗中,可在操作窗口下方增設步驟提示——將移液器按鍵調至指定數額。通過操作提示,正確的實驗步驟得以強化,有利于學生在真實場景中對同規則的相似情境做出正確反應。

四、結 語

唯物辯證法指出:一切事物均處在永不停息的運動、變化和發展過程中。處于發展變化中的虛擬實驗,隨著課程結構設置及技術運用理念的轉型升級,其應用邊界亦會發生改變,并在一定時空范圍內具有相對性。基于當前醫學教育實踐中的教學功能、技術支撐及學習者體驗三重視角對當前虛擬實驗的應用限度加以研究,以期為醫學教育的多元創生設計途徑,促使在所屬領域實現應用價值的科學化。

[1]李 莉.現代教育技術應用限度的哲學考察[J]當代教育論壇,2008(4):60-61.

[2]魏書莉.桌面虛擬實驗中的認知摩擦問題研究[D]長春:吉林大學,2010.14-15.