醫學虛擬實驗平臺在實驗教學中的應用

諶新興，龔興牡，石慧娟，姚元春，朱耀峰，梁成青（吉首大學醫學院，湖南吉首416000）

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醫學虛擬實驗平臺在實驗教學中的應用

諶新興，龔興牡*，石慧娟，姚元春，朱耀峰，梁成青
（吉首大學醫學院，湖南吉首416000）

摘要：醫學虛擬實驗平臺采用計算機虛擬仿真技術和網絡技術，在醫學實驗教學中發揮著巨大的作用，使醫學實驗操作簡單化，有助于提高學生的積極性和學習效率。通過虛擬實驗的真實感、立體感，使學生模擬實驗的全部操作過程，可加強學生的主觀能動性和對知識的理解力，使學生掌握基本的操作技能和運用知識的能力，克服傳統教學方式呆板、師生間互動不足、趣味性不強的弊端，真正提升醫學的實驗教學價值。醫學虛擬實驗平臺可為學生提供隨時隨地的實驗服務，為虛擬實驗遠程教育的發展提供廣闊前景。

關鍵詞：醫學虛擬實驗；實驗教學；資源共享

醫學虛擬實驗平臺采用計算機虛擬仿真技術和網絡技術，在無實驗動物和無實驗儀器的情況下，利用計算機模擬生物醫學實驗的全部操作過程。利用醫學虛擬實驗平臺，學生可以通過虛擬實驗的真實感、立體感、多媒體性，在沒有真實實驗條件的情況下，使學生仿佛身臨其境地做實驗，彌補了很多實驗沒有條件做的不足，加強了學生的主觀能動性和對知識的理解力，使學生掌握了基本的操作技能和運用知識的能力。醫學虛擬實驗的真實感、立體感就如同動漫和3D電影一般，學生利用所學知識，模擬實驗的全部操作過程。對于教師而言，醫學虛擬實驗平臺能夠起到輔助教學的作用，同時可以培養學生對生命的敬畏。對于學校而言，可以有效降低實驗成本，提高教學質量。醫學虛擬實驗平臺改變了傳統的醫學實驗教學方式，學生通過開展網上仿真實驗，就可以獲得與真實實驗一樣的體驗。同時實驗教師也可以通過網絡共享實驗教學資源、指導學生實驗、及時反饋教學效果，從而達到提升醫學實驗教學質量的目的。虛擬實驗是指借助于圖形、圖像或仿真和虛擬現實等技術，在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境。虛擬實驗教學是對傳統實驗教學的有效補充[1]。

實驗教學是教學活動中的重要環節，有利于學生深刻理解理論知識、積極發揮主觀能動性、進行科學研究與再創造，是從理論走向實踐的橋梁，也是高校教學中不可或缺的重要組成環節。實驗條件的好壞直接影響到學生動手能力、創新精神和綜合素質的培養。隨著高校擴招，傳統實驗室的設備和規模已不能滿足學生的實驗需求，學生的實驗時間和實驗空間都受到限制。尤其是在醫學院校，醫學實驗的開展受實驗動物以及試劑等諸多因素影響，且實驗成本較高。隨著計算機技術和網絡技術的發展以及科研的進一步深入，虛擬實驗技術日漸成熟和完善，實驗教學改革也迫切地需要虛擬實驗技術在教學中的應用能夠早日從理論研究向實際應用邁進[2]。

醫學虛擬實驗技術是一門集自動化技術、計算機技術、通信技術、網絡技術、虛擬技術和多媒體技術等而興起的新興實驗技術，最早是一些國外的醫學院及醫院的人員使用。近年來，國內上海中醫藥大學、山東大學、南方醫科大學、中山大學、天津中醫藥大學等已經成功入選國家級虛擬仿真實驗教學中心，并且建立了虛擬仿真實驗平臺。

網上虛擬實驗教學具有廣闊的應用前景，但虛擬實驗技術要求比較高，在實際教學中還未得到廣泛應用，有關虛擬實驗教學模式還有很多工作值得教育者去深入探討。

1　研究內容

采用計算機虛擬仿真技術和網絡技術，建立醫學顯微形態學虛擬仿真實驗教學平臺。醫學顯微形態學虛擬仿真實驗教學資源的建設，使學生、教師可在任何地點通過網絡進行虛擬實驗的操作學習，沒有客戶端數量的限制，平臺采用負載均衡技術，配合多線機房云服務器存儲，使得訪問速度更快。

2　研究目標

通過該項目的研究，制作醫學實驗仿真教學課件，建立醫學顯微形態學虛擬仿真實驗教學平臺及資源庫，促進虛擬仿真技術在實驗教學中的應用，持續推進實驗教學信息化建設。

3　醫學虛擬實驗平臺在實驗教學中的應用

3.1情景設置

虛擬實驗的情景設置需要運用計算機技術、網絡技術、網絡三維技術和多媒體技術等，從而創造出逼真的情景。只有這樣，才能使學生產生真實的學習體驗，增強學習興趣。通過視覺、聽覺等的刺激，使學生在虛擬情景中掌握知識，并遷移到真實的實踐當中，能獨立解決問題，并真正理解所學知識。另外，注重知識的呈現方式，分析學生現有知識、能力水平，適當地安排一些省略、空白或者令人感到奇怪之處，以激發學生的興趣。虛擬實驗系統不同于真實的實驗室環境，實驗者是通過用戶界面與之交互作用的。因此，界面的設計要方便、美觀、易于操作。

3.2過程模擬

在虛擬實驗過程模擬階段，學生通過觀察、分析實驗現象，處理實驗數據，并根據反饋調整策略、澄清錯誤概念，檢驗自己的假設和實驗設計方案，這有助于提高學生對反饋的反應能力以及對因果關系的敏感性。另外，在虛擬實驗過程中，學生必須有意識地運用自己的經驗，并用現有的知識綜合分析實驗結果。因此，要注重虛擬實驗的真實性和智能化。真實性可以豐富學生在虛擬情景中的體驗，智能化主要表現為可在實驗過程中跟蹤學生的實驗進度，并適時地為其提出指導性建議。

3.3遷移學習

在開展虛擬實驗時，學生應該學會運用遷移理論，其定義就是“在一種情景中獲得的技能、知識或形成的態度對另一種情景中技能、知識的獲得或態度形成的影響”。簡言之，遷移學習就是一種學習對另一種學習的影響。在虛擬實驗情景創設中，虛擬與真實學習情景的共同要素越多，遷移的程度就越高，反之，則遷移的程度越低；虛擬與真實學習情景的共同因素越多，遷移就越容易發生。遷移的發生依賴于學習者在虛擬與真實學習情景里對共同原理的掌握和運用程度。例如實驗設備與實驗環境是根據真實環境模擬開發的，只有創設逼真度高、現場感強的虛擬情景，對學生來說才能感覺到真實。

3.4總結評價

分析虛擬實驗的進程、描述自己的感覺和反應，以判斷自己的概念掌握程度以及分析和解決問題能力，意識到自己存在的問題和不足，并尋求新的解決問題的方法。同時，把虛擬情景與真實世界相比較，把虛擬實驗和實際應用聯系起來，即遷移學習，將在虛擬情景中掌握的概念和解決問題的方法運用于實際情景中，提高學生的自信心和靈活性。

3.5修改完善

通過對學生知識掌握、態度情感、能力培養方面的分析，進一步修改完善虛擬實驗設計。分析學生是否通過虛擬實驗達到基本的教學目標，如概念原理、實驗儀器的結構及操作的掌握；是否培養了學生對實驗的興趣、熱情，提高其積極性和參與度；是否能夠增強學生對實際問題的解決能力等。

醫學虛擬實驗在無實驗動物和實驗儀器的情況下，利用計算機模擬生物醫學實驗的全部操作過程。在虛擬實驗的過程中，學生可逼真地觀察虛擬實驗場景，真正做到直接、直觀和及時了解某些動物實驗的基本操作過程，熟悉實驗步驟，厘清實驗思路，彌補了傳統教學方式呆板、師生間互動不足、趣味性不強的不足，被越來越多地應用于高校教學中，逐漸成為一種新型的互動體驗式教學模式。作為一種有力的教學補充手段，虛擬實驗為成功實施真實的醫學實驗奠定了基礎。對學生而言，可以很好地完成實驗預習，調動了學生的學習積極性；對于教師而言，能夠起到輔助教學的作用；對于學校而言，可以有效降低實驗成本，提高醫學實驗教學質量。

4　醫學虛擬實驗平臺的優越性

虛擬實驗系統能夠大大節省常規的實驗設備經費；由于硬件和軟件的標準化、規范化，用戶往往只需經歷一次組建工作。虛擬實驗系統利用網絡技術，可使參與實驗的人員在遠程相互合作進行實驗研究。

5　研究意義及補充

5.1加深學生對實驗概念、原理的理解

虛擬實驗系統通過計算機把教學內容、實驗設備、教師指導和學生操作等有機地融為一體。借助仿真技術，虛擬實驗系統直觀地展示了儀器的三維全貌，并附加形象生動、圖文并茂的使用說明書，加強學生對儀器的了解，有助于學生對實驗從整體到局部建立起直觀的感性認識，加深學生對實驗概念、原理的理解。

5.2培養學生解決問題的方法和能力

虛擬實驗省略真實實驗中因儀器本身干擾或人為因素所造成的繁瑣操作細節，引導學生將注意力集中在實驗上，培養學生解決問題的方法和能力，能有效地避免在實際實驗中出現的盲目操作和實驗走過場的現象，提高實驗效率。

5.3加強師生、生生互動合作學習

虛擬情景中學生之間的協作互動環境是較理想、較活躍的，因為在協作過程中，他們就某一項具體的任務進行交流并分享各自的觀點，以使工作順利進行。同時，以E－mail和BBS論壇等形式在學生與輔導教師之間建立起清晰、高效的對話渠道，加強師生間的溝通交流。

5.4教學方式靈活

基于因特網的虛擬實驗教學模式不同于傳統面對面的教學模式，它能夠靈活地提供給用戶（學生）不同的實驗教學內容，用戶（學生）可以根據實際情況確定學習內容和安排學習進程，從而可以最大限度地滿足用戶（學生）的不同需要。它突破了傳統教學模式時間、地點、人次的限制，解決了傳統實驗教學長期受到課堂、課時限制這一問題，使實驗教學在時間、空間上得到延伸。

5.5虛擬實驗適合于發展網上遠程教育

由于客觀條件的限制，能夠進入高等院校接受教育的人畢竟有限，網上的遠程教育可以滿足人們渴望獲得知識的要求，虛擬實驗為遠程教育的發展提供了廣闊前景。

參考文獻：

[1]鄭丹．網上虛擬實驗教學模式的研究與探討[J]．高校實驗室工作研究，2008（3）：16－18．

[2]張曉萌．普通高等醫學院校網絡虛擬實驗室教學模式的研究與探討[D]．濟南：山東大學，2012．

（*通訊作者：龔興牡）

基金項目：湖南省普通高校實踐教學建設項目（湘教通[2014]272號）

中圖分類號：G40－057

文獻標識碼：B

文章編號：1671－1246（2016）02－0045－02