虛擬實驗教學系統在醫學機能實驗教學中的應用和體會

【摘要】虛擬實驗教學具有許多優點，可以彌補醫學傳統教學中的不足?？茖W恰當地運用虛擬實驗教學系統，有利于節約時間和精力，實現共享資源，拓展學生視界限，提高實驗效率和教學效果。

【關鍵詞】實驗教學；虛擬實驗；應用體會

實驗教學作為醫學教育的重要環節，是培養和提高學生基本操作技能和創新能力的主要途徑。醫學機能學實驗是一門將生理學實驗、病理生理學實驗和藥理學實驗有機融合的一門綜合性實驗學科，通過實驗和觀察實驗動物的基本生理生化反應，研究疾病發生的病理生理學機制，分析其干擾因素的影響或藥物作用與效應，學習和驗證生命活動的基本規律[1]。然而，隨著我國教育體制改革的深化，學校不斷擴招，教學資源、場地、儀器設備等已經不能滿足教學需要，而隨著計算機多媒體技術的發展，虛擬實驗技術的應用成為機能實驗教學改革的趨勢。[2]

我校因招生層次增多和規模不斷加大，基礎實驗課時和學生動手操作的機會也相對減少。為有效提高機能實驗教學質量，我校在原有Pclab-UE醫學機能實驗室的基礎上，于2012年增建Pclab-V100醫學機能虛擬實驗室，搭建起虛擬實驗網絡平臺。并充分利用傳統和虛擬機能實驗資源，通過虛實結合的方式進行實驗教學改革，取得了良好的教學效果。

1.虛擬實驗教學系統

虛擬實驗教學系統是一種運用虛擬現實技術模擬真實實驗的計算機教學軟件。[3]它采用多媒體技術在計算機上建立虛擬仿真實驗室環境，提供可操作的虛擬實驗儀器，使學生在互聯網上通過接近真實的人機交互界面完成實驗。虛擬實驗教學系統支持用戶開展遠程實驗和本地實驗，共享一個虛擬的實驗空間，所有用戶通過網絡對相同或不同的實驗科目進行實際操作，從而實現實驗教學和管理的目的。虛擬實驗平臺與真實實驗臺一樣，能供學生自己動手配置、連接、調節和使用實驗儀器設備進行實驗。通過該平臺，教師既可搭建典型實驗或調取實驗案例，方便地向學生布置實驗任務，還可在實驗結束后查看學生的實驗結果，給出實驗成績和評價。

2.Pclab-V100醫學虛擬實驗系統

Pclab-V100醫學虛擬實驗系統具有完整的知識結構，包括：實驗室模塊、儀器設備模塊、實驗動物模塊、實驗視頻模塊、高防實驗模塊、數據統計模塊、報告撰寫模塊、實驗研究模塊、學習資源模塊、思考測驗模塊。

2.1儀器設備模塊介紹包括儀器基礎知識、信號采集系統，傳感器等。實驗動物模塊包括手術器械、動物麻醉等介紹。

2.2實驗動物模塊包括手術器械、動物麻醉、動物操作技術、實驗動物等介紹。

2.3數據統計模塊包括數據統計理論和統計方法。

2.4報告撰寫模塊包括研究論文撰寫、學生研究論文樣例、實驗報告撰寫。

2.5實驗研究模塊包括實驗研究基礎知識、實驗設計的三大要素、常用的實驗設計方法。

2.6學習資源模塊包括教材課件、教學錄像、學習資料。

2.7思考測驗模塊包括實驗綜合、神經肌肉、鎮痛、血液、水腫等測試題庫。

3.虛擬實驗平臺在實驗教學中的應用體會

3.1豐富了實驗項目。醫學機能學實驗教學中往往會因為教學經費短缺、實驗場地、實驗課時限制等原因，使一些實驗項目無法開展。而利用虛擬現實系統，可以彌補這方面的不足，使得以前無法開展的實驗項目得以充分開展，學生足不出戶便可以通過虛擬實驗演示或進行操作完成各種各樣的實驗，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解，大大激發了學生的主動性，更加激勵了學生的自主學習性。

3.2節省了教學資源。醫學機能學虛擬實驗系統以軟件仿真引擎為核心，無需使用實驗動物、實驗試劑和耗材，無論開設多少實驗，都無需額外的教學投入，大大地縮減了實驗經費，也省去了繁重的實驗準備工作。本校的醫學生的數量近些年呈逐年上升趨勢，由于教學場地、儀器設備的缺乏，傳統的機能實驗教學中每個實驗都是4～5名同學一組，學生在實驗課上既看不清楚老師示教又缺少自己動手的機會，嚴重影響了教學效果。虛擬實驗系統是一人一機，每個同學都有機會進行操作。本系統還自帶有測試試題，學生在學習完畢后可以進行自我測試，了解自己對于理論知識的掌握程度。

3.3提高了教學效果。利用計算機的模擬功能能實現實驗中緩慢過程的快速化或快速過程的緩慢化。相對于傳統教學模式中老師枯燥的講述和黑板板書而言，虛擬實驗系統能夠將每個實驗操作最大程度地進行仿真，將實驗過程中的圖像、文字、聲音以及動畫等各種因素融為一體，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性，對一些微觀世界的現象也可以用虛擬實驗技術來模擬，學生就像置身于真實的實驗環境中，極大地提高了實驗教學的效果。學生通過虛擬實驗軟件系統可自行設計探索性實驗、綜合性實驗，有利于培養學生的創新能力、實驗思維能力和獨立解決問題的能力。

3.4提高了實驗教學的安全性。一些實驗危險性比較高，若操作疏忽，容易對操作者造成危害，如機能學試驗中的試劑、藥品如操作不慎就可能造成身體傷害。另外像休克的實驗中要使用到實驗動物犬，如果動物麻醉效果不滿意，可能會咬傷老師或學生。而虛擬實驗卻無任何危險，有毒、有害、污染環境和破壞性實驗，都可在虛擬實驗室內完成，通過虛擬進行模擬仿真，強化實驗現象。

3.5可實現最高效率的資源共享。學校一直提倡醫學實驗室對外開放，可是由于實驗室從周一到周五一直都有實驗課，加上實驗準備人員和帶教老師也沒有更多時間和精力在周末將實驗室對外開放，所以醫學實驗的對外開放一直無法執行。有了虛擬實驗系統，可以突破時間和空間的限制，通過校園網全天進行實驗室的開放。學生在宿舍可以隨時、隨地進入虛擬實驗室網站，選擇相應的實驗操作。一些對機能實驗感興趣的非醫學專業的學生平時沒有機會親身來到課堂聆聽老師的講解，現在也可以通過校園網的虛擬實驗系統了解和實際操作這些實驗項目。這使得實驗教學這一資源從中心“獨有”變成了全?！肮蚕怼?，充分表現其高效性。

3.6虛擬實驗室雖具備著上述諸多優點，但在實際教學過程中完全用仿真模擬實驗完全代替真實實驗也是不可取的。學生在真實實驗中需親自操作，對于訓練學生的基本操作技能有非常重要的作用。而虛擬實驗中學生主要是通過眼睛去觀看和體會實驗的操作過程，而缺乏真實實驗中視、聽、觸、味、嗅覺全方位刺激下的“真實感”。[4]

真實實驗與虛擬實驗都是醫學機能實驗教學中不可或缺的組成部分，兩者相輔相成。因此，在教學過程中我們需要取長補短，將兩者有機結合起來，才能最大限度地發揮二者的作用，提高實驗教學質量。

參考文獻：

[1]王建紅，古宏標. 醫學機能學實驗[M]. 北京：中國醫藥科技出版社，2008：1-3.

[2]張 剛，羅小華，賀利芳. 構建網絡虛擬實驗室技術研究[J].實驗研究與探索，2008，27（3）：57-58.

[3]李濤，譚安雄.醫學機能學虛擬實驗室的構建與應用[J].數字醫學研究與應用，2012，7（6）：23-28.

[4]劉愛東，王箐，田琳，等.虛擬實驗在機能學實驗教學中的應用與體會[J].西北醫學教育，2012，20（1）：88-90.