利用虛擬仿真實驗促進本科教學(xué)*

黃　坪，鄧峰美，馮　軍，潘克儉△

(成都醫(yī)學(xué)院：1.教務(wù)處；2.國有資產(chǎn)與設(shè)備管理處，成都 610500)

?

利用虛擬仿真實驗促進本科教學(xué)*

黃坪1，鄧峰美1，馮軍2，潘克儉1△

(成都醫(yī)學(xué)院：1.教務(wù)處；2.國有資產(chǎn)與設(shè)備管理處，成都 610500)

伴隨信息技術(shù)的日新月異，教育信息化逐漸成為高等教育提升教學(xué)質(zhì)量的重要砝碼。虛擬仿真技術(shù)作為信息化時代的產(chǎn)物，越來越多地被運用于教學(xué)。醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)受醫(yī)學(xué)倫理要求、實驗條件、實驗成本及尸體來源等限制[1]，導(dǎo)致很多實驗項目無法開展，而虛擬仿真實驗技術(shù)的運用為醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)開辟了新路徑。成都醫(yī)學(xué)院較早認識到虛擬仿真實驗在醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中有著補充、拓展、完善的作用，并積極探索虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的運用。

1　成都醫(yī)學(xué)院國家級醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)歷程

虛擬仿真實驗教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，讓學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果[2-4]。

2005年學(xué)校建成顯微數(shù)碼互動實驗室，2007年建設(shè)了數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用于形態(tài)學(xué)教學(xué)，同時開始建設(shè)以模擬人為核心的臨床仿真實驗系統(tǒng)。2010年，學(xué)校積極探索校企聯(lián)合培養(yǎng)人才機制，與成都泰盟科技有限公司合作開發(fā)了基于BL-410信號采集的仿真實驗項目，在醫(yī)學(xué)機能實驗學(xué)中開展虛擬仿真實驗教學(xué)。2012年，學(xué)校整合資源，將原分散于各實驗室的虛擬仿真實驗教學(xué)軟件統(tǒng)一到一個平臺上，基于校園網(wǎng)進行醫(yī)學(xué)虛擬實驗大平臺建設(shè)，實現(xiàn)平臺統(tǒng)一身份認證、統(tǒng)一管理，建立成都醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心。2014年，醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗中心被教育部批準為國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

2　虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建

2012年，學(xué)校按照大學(xué)科模塊分類，構(gòu)建了層次結(jié)構(gòu)清晰、易于擴展的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。該平臺由基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、以問題為中心的教學(xué)法(problem based learning，PBL)實驗教學(xué)、測試項目5個模塊構(gòu)成，開出虛擬數(shù)字資源的虛擬醫(yī)學(xué)實驗項目300多項，可滿足學(xué)校所開設(shè)醫(yī)學(xué)專業(yè)及醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)需要。虛擬仿真實驗教學(xué)中心虛擬實驗平臺建構(gòu)，見圖1。

虛擬醫(yī)學(xué)實驗項目包括實驗?zāi)康摹嶒炘斫榻B、實驗操作錄像、實驗仿真交互操作、實驗波形變化模擬、思考訓(xùn)練等幾部分內(nèi)容，可以使學(xué)生先學(xué)習(xí)理論知識，然后進行虛擬仿真操作，確定理論與實踐的關(guān)系，完成模擬實驗后進行醫(yī)學(xué)實驗的模擬考試，以鞏固學(xué)習(xí)到的知識，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

3　虛擬仿真實驗教學(xué)平臺管理

醫(yī)學(xué)虛擬實驗教學(xué)中心平臺基于“IPv6”為基礎(chǔ)的校園主干建構(gòu)。校園主干帶寬 1 000 Mbps，出口帶寬 1 040 Mbps，網(wǎng)絡(luò)接入信息點14 436個，網(wǎng)絡(luò)存儲總量達100 TB，能夠保證醫(yī)學(xué)虛擬實驗教學(xué)中心平臺安全、穩(wěn)定、可靠地運行。本?；蛲庑W(xué)生都可通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)進入虛擬實驗室，注冊的學(xué)生可自主選擇實驗項目，完成虛擬實驗。老師能對學(xué)生完成的虛擬實驗情況進行檢查、督促和批改；同樣，學(xué)生可以在線完成實驗和實驗報告的遞交，并查看個人實驗成績和老師的評語，與老師進行網(wǎng)上交流。醫(yī)學(xué)虛擬實驗教學(xué)中心平臺功能模塊結(jié)構(gòu)，見圖2。醫(yī)學(xué)虛擬實驗教學(xué)中心平臺的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖1　虛擬仿真實驗教學(xué)中心實驗平臺層次

圖2　醫(yī)學(xué)虛擬實驗教學(xué)中心平臺功能模塊結(jié)構(gòu)

平臺管理具備以下功能。(1)用戶管理功能：管理員通過平臺可以建立學(xué)校和班級，對學(xué)生的身份進行批量導(dǎo)入與管理，以及虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容的導(dǎo)入與管理。例如，管理員主要負責(zé)學(xué)生身份和后臺系統(tǒng)管理。在后臺系統(tǒng)注冊每名同學(xué)的個人信息，包括學(xué)校、學(xué)號、年級、班級、小組、姓名、性別、地址、郵編、聯(lián)系電話、電子郵箱地址等身份認證信息。同時，可以分配二級管理員的系統(tǒng)賬號和密碼管理，使用權(quán)限管理和課程管理，后臺數(shù)據(jù)的維護備份管理。(2)學(xué)生實驗信息管理功能：在學(xué)生實驗信息管理欄目中，學(xué)生可以依據(jù)老師的實驗布置進行實驗操作，也可以自主選擇任何一個實驗項目進行操作?？梢圆榭锤鱾€實驗的分數(shù)、權(quán)重，查看自己的班級、組別，參與小組討論。(3)在線考試功能：教師可以設(shè)置在一個時間段內(nèi)，進行虛擬實驗知識掌握情況的在線考試和測評，學(xué)生必須在規(guī)定時間內(nèi)完成試卷內(nèi)容，并在線提交?？陀^題自動生成成績，主觀題由老師批閱后，給出成績。(4)在線師生互動交流功能：學(xué)生在虛擬實驗操作過程中，除了按實驗操作指南進行外，也可以通過答疑臺接受來自老師的指導(dǎo)。實驗操作結(jié)束后進入知識點測試區(qū)完成測試題作業(yè)，并獲得本人的虛擬實驗成績。同樣，也在線進行遞交虛擬實驗報告，并實時查看本人的實驗報告成績和老師評語。教師也可以通過答疑臺與同學(xué)互動交流，查詢?nèi)繉W(xué)生實驗操作的進展狀態(tài)，閱讀遞交的實驗報告，并發(fā)布實驗成績。實驗教學(xué)管理的后臺系統(tǒng)能對同學(xué)完成實驗的數(shù)量、質(zhì)量和知識點掌握程度進行智能化批改，自動給出實驗成績，并打印成冊。(5)教師教學(xué)管理功能：教師通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室對學(xué)生進行實驗教學(xué)管理，如學(xué)生的分組管理、實驗教學(xué)內(nèi)容的布置、實驗完成的進度監(jiān)察、實驗報告批閱和答疑互動，完成對實驗教學(xué)狀態(tài)的評估等實驗教學(xué)管理工作。

4　本校虛擬仿真實驗教學(xué)中心的特色

4.1內(nèi)容擴展性醫(yī)學(xué)不斷發(fā)展，醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容也相應(yīng)在不斷更新，在相關(guān)耗材尚未成熟應(yīng)用于大量實驗研究時，中心平臺通過虛擬實驗達到教學(xué)目的。如病原微生物學(xué)模塊中細菌的染色項目，對檢驗醫(yī)學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生，除堅持原有革蘭染色法、抗酸染色法、負染色法等實驗外，在教學(xué)計劃中加入了Albert染色法、懸滴法和壓滴法虛擬實驗，在寄生蟲學(xué)加入了鼠瘧原蟲動物模型、剛地弓形蟲動物模型等虛擬項目。

4.2課程高效性學(xué)生實驗課程每個學(xué)時為40 min，而實驗是由每組4～5名同學(xué)共同完成的。據(jù)統(tǒng)計，大多數(shù)虛擬實驗可以在10～15 min內(nèi)完成，使用虛擬仿真平臺教學(xué)不僅節(jié)約師生的時間，同樣可以使每位同學(xué)熟識實驗的每個細節(jié)。如在已知藥物對蟾蜍心臟灌流的虛擬實驗中，為同學(xué)提供了心臟灌流的動畫與3D心臟的虛擬環(huán)境，學(xué)生親自動手在虛擬空間內(nèi)使用8種不同的藥物分別加入灌流液中，觀察不同藥物、不同劑量對離體心臟功能的影響，實驗操作過程基本不受時間限制。

4.3自主開放性平臺每個實驗?zāi)K內(nèi)項目多為大型綜合類實驗，一個項目內(nèi)通常包涵多個子實驗，在真實實驗中由于受課時和資源的限制，學(xué)生不可能完成多個實驗。本校醫(yī)學(xué)虛擬實驗教學(xué)中心平臺可為不同類型的學(xué)生開設(shè)各種虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容，本校或外校學(xué)生均可通過校園局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)進入虛擬實驗室，注冊的學(xué)生可自主選擇不同類型的實驗項目來加深對真實實驗的理解，并掌握更多知識。如在多因素對呼吸功能的影響虛擬實驗項目中，含有氣道延長、氣道狹窄、吸入氧氣、吸入二氧化碳、代謝性酸中毒(含糾正酸中毒)、氣胸(開放性和張力性)、肺水腫等9個不同的子實驗，學(xué)生真實實驗最多可做2～3個，其他的實驗就可供學(xué)生用該模塊選擇性進行。時間及地點由學(xué)生自由選擇，不再安排新課時。

4.4師生交互性此平臺具有用戶管理功能、學(xué)生實驗信息管理功能、在線考試功能、在線師生互動交流功能、教師教學(xué)管理功能等屬性。通過虛擬仿真平臺，學(xué)生可以依據(jù)老師的實驗布置進行實驗操作，也可以自主選擇任何一個實驗項目進行操作；同時可以查看各個實驗的分數(shù)、權(quán)重，查看自己的班級、組別，參與小組討論；其次學(xué)生可以在線完成實驗和實驗報告的遞交，并查看個人實驗成績和老師的評語，與老師進行網(wǎng)上交流互動。教師通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室對學(xué)生進行實驗教學(xué)管理，如學(xué)生的分組管理、實驗教學(xué)內(nèi)容的布置、實驗完成的進度監(jiān)察、實驗報告批閱和答疑互動，完成對實驗教學(xué)狀態(tài)的評估等實驗教學(xué)管理工作。

5　本校虛擬仿真實驗教學(xué)的局限性

5.1不能代替真正的實驗計算機的迅猛發(fā)展確實給教育教學(xué)帶來了許多便利條件，但醫(yī)學(xué)生今后的工作對象是人，醫(yī)學(xué)教育的實踐性和人文特性，決定了醫(yī)學(xué)科學(xué)實驗的不可替代性[5]，沒有把握的臨床操作切不可輕易嘗試。況且人體內(nèi)組織器官各異，血管神經(jīng)錯綜復(fù)雜，個體差異很大，系統(tǒng)無法完全模擬不同狀態(tài)下人體的變化及個體差異。因此，虛擬仿真實驗雖可借助其生動化的實驗影像，幫助學(xué)生理解相關(guān)知識，卻無法完全取代真實的實驗操作。

5.2不利于學(xué)生發(fā)散思維盡管模塊內(nèi)有些項目學(xué)生可以自主設(shè)計實驗方案，不同方案產(chǎn)生隨機結(jié)果或不同數(shù)據(jù)，學(xué)生需要進行相應(yīng)的統(tǒng)計分析和判斷，如：行為藥理學(xué)——抗老年癡呆藥物藥效評價虛擬實驗等。通過實驗，在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力。但系統(tǒng)默認的實驗程序只有既定的幾種模式，每位同學(xué)只能按照默認程序操作才算正確。這嚴重禁錮了學(xué)生的發(fā)散思維，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

5.3虛擬仿真實驗軟件的缺陷目前現(xiàn)有的部分教學(xué)軟件在醫(yī)學(xué)本科教育中的針對性不強，未能真正起到輔助實驗教學(xué)的作用。這主要是因開發(fā)軟件的人員缺乏相關(guān)知識所致，并且醫(yī)學(xué)發(fā)展迅速，其實驗方法和手段升級更新較快。因此，具有雄厚專業(yè)理論基礎(chǔ)的軟件開發(fā)人員，是維護和更新虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的關(guān)鍵。

6　本校采取的相關(guān)措施

6.1以實為本，以虛補實，虛實結(jié)合在本校的實驗教學(xué)中，將虛擬仿真實驗教學(xué)與真正的實驗操作有機結(jié)合，例如在教學(xué)過程中，先讓學(xué)生進行虛擬實驗操作，再進入實際操作，這樣不僅會起到提高實驗效果的作用，而且還能節(jié)約資源。另外，虛擬仿真手段也可開展一些大型綜合性的實驗，如細胞培養(yǎng)虛擬實驗、PBL病例討論、臨床思維訓(xùn)練，以及受條件因素限制不能開展的實驗操作等。這樣，不僅強化了虛擬仿真對實驗教學(xué)的輔助作用，而且彌補其在實驗教學(xué)中的缺陷，兩者相輔相成[6]。

6.2實現(xiàn)信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)深度融合本校采取的“校-企合作、校-校合作、校-院(教學(xué)醫(yī)院)合作”的方式加快平臺教學(xué)源的建設(shè)，建立和完善資源共享的長效機制，形成和促進優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)的資源共建、共管、共享[7]。集中教師、醫(yī)生、軟件開發(fā)人員共同研討各個虛擬實驗的細節(jié)設(shè)置及動畫設(shè)置，將資源的開發(fā)、維護、更新、支持、服務(wù)等合理地交由企業(yè)承擔(dān)，將企業(yè)的效益觀念和學(xué)校教學(xué)需要結(jié)合在一起[8]。以成都泰盟科技有限公司、上海夢之路數(shù)字科技有限公司為紐帶，形成了10余所高等醫(yī)學(xué)院校共建、開放、共享團體，共建共享虛擬實驗項目近300項。同時，中心還與本校數(shù)十所教學(xué)醫(yī)院形成了開放、共享團體，如成都軍區(qū)總醫(yī)院、四川省人民醫(yī)院等，輻射效應(yīng)逐步顯露。

6.3革新實驗教學(xué)手段，實驗項目微課程化教育信息化為教育帶來了巨大的變化，使得教育領(lǐng)域正面臨著重大而深刻的變革，具體體現(xiàn)在實驗教學(xué)的基礎(chǔ)設(shè)施、軟硬件資源、師資培訓(xùn)等方面[9]。以MOOC為代表的新一輪教學(xué)改革沖擊著傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)校積極順應(yīng)教學(xué)改革熱潮，基于MOOC對醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗展開探索，確立實驗項目微課程化的改革策略。以視頻為主要載體，記錄教師在實驗育教學(xué)過程中圍繞某個知識點或教學(xué)環(huán)節(jié)開展的教與學(xué)活動全過程[10-13]，并將視頻資料上傳虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，支持學(xué)生翻轉(zhuǎn)課堂、移動學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式的新型數(shù)字化教育資源[14]。因?qū)嶒烅椖课⒄n具有時間短、主題突出、內(nèi)容設(shè)計精簡具體、教學(xué)情景化等特點，深受學(xué)生喜愛。國內(nèi)外對虛擬仿真實驗教學(xué)的應(yīng)用進行了一些探索與實踐，并取得了積極進展。本校將微課程作為新型教學(xué)方式，主要圍繞某個教學(xué)知識點(重點、難點、疑點)和教學(xué)環(huán)節(jié)(練習(xí)、實驗、任務(wù))開展教學(xué)活動及配套資源，是一種支持。實驗項目微課程化必將在今后的虛擬仿真實驗教學(xué)中越用越廣，越來越體現(xiàn)新時代信息化教育。

7　小　結(jié)

毫無疑問，國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作順應(yīng)了高等教育的發(fā)展趨勢，虛擬仿真實驗教學(xué)必將對提高醫(yī)學(xué)本科教育產(chǎn)生十分重要的意義[15]。但是，虛擬仿真實驗教學(xué)的推廣并不能一蹴而就，在以后的工作中，將不斷完善虛擬仿真實驗教學(xué)的功能，構(gòu)建符合新時代教育的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系，繼續(xù)探索適應(yīng)“強實踐、重創(chuàng)新”的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式。

[1]黃坪，李紅松，潘克儉，等．基于MOOC的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗室建設(shè)探討[J]．實驗室技術(shù)與管理，2014，31(12)：104-106．

[2]王衛(wèi)國．虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J]．實驗室研究與探索，2013，32(12)：5-8．

[3]徐嵐．虛擬仿真實驗在計算機專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用探索與研究[J]．牡丹江教育學(xué)院學(xué)報，2013，31(6)：150-151．

[4]何恩貴．體驗式虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建研究[J]．現(xiàn)代中小學(xué)教育，2013，29(4)：12-15．

[5]夏有為．實驗室建設(shè)必須務(wù)實——訪中科院院士、國防科技大學(xué)周興銘教授[J]．實驗室研究與探索，2013，32(10)：1-4．

[6]中國人民共和國教育部．教高司函[2013]94號 關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[A]．北京：中國人民共和國教育部，2013．

[7]王衛(wèi)國．虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J]．實驗室研究與探索，2013，32(12)：5-8．

[8]王曉迪．虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)中八項關(guān)系的理解與探討[J]．實驗室技術(shù)與管理，2014，31(8)：9-11．

[9]劉斌．信息化教學(xué)有效性的理論思考——對信息化教學(xué)本質(zhì)的再認識[J]．現(xiàn)代教育技術(shù)，2013，23(3)：26-30．

[10]張一春．微課建設(shè)研究與思考[J]．中國教育網(wǎng)絡(luò)，2013，10(3)：28-30．

[11]王竹立．新建構(gòu)主義：網(wǎng)絡(luò)時代的學(xué)習(xí)理論[J]．遠程教育雜志，2011，29(2)：11-18．

[12]王覓．微視頻課程：演變、定位與應(yīng)用領(lǐng)域[J]．中國電化教育，2013，34(4)：88-94．

[13]羅娜，王凱玲，辛明志．微課程在超聲診斷教學(xué)中的應(yīng)用價值[J]．齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2014，35(16)：2462．

[14]陳利．淺談微課程的信息化教學(xué)模式設(shè)計[J]．中國信息技術(shù)教育，2013，14(7)：203-205．

[15]李平，毛昌杰，徐進．開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J]．實驗室研究與探索，2013，32(11)：5-8．

·醫(yī)學(xué)教育·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.19.044

國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心項目[教高司(2014)6號]。作者簡介：黃坪(1981-)，助理研究員，碩士，主要從事教育教學(xué)管理研究?！?/p>

，E-mail:pkj6696@aliyyn.com。

TP391

B

1671-8348(2016)19-2720-03

2016-01-03

2016-02-22)