利用虛擬仿真實驗促進本科教學*

黃　坪，鄧峰美，馮　軍，潘克儉△

(成都醫學院：1.教務處；2.國有資產與設備管理處，成都 610500)

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利用虛擬仿真實驗促進本科教學*

黃坪1，鄧峰美1，馮軍2，潘克儉1△

(成都醫學院：1.教務處；2.國有資產與設備管理處，成都 610500)

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

1　成都醫學院國家級醫學虛擬仿真實驗教學中心建設歷程

虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，讓學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果[2-4]。

2005年學校建成顯微數碼互動實驗室，2007年建設了數字切片網絡系統應用于形態學教學，同時開始建設以模擬人為核心的臨床仿真實驗系統。2010年，學校積極探索校企聯合培養人才機制，與成都泰盟科技有限公司合作開發了基于BL-410信號采集的仿真實驗項目，在醫學機能實驗學中開展虛擬仿真實驗教學。2012年，學校整合資源，將原分散于各實驗室的虛擬仿真實驗教學軟件統一到一個平臺上，基于校園網進行醫學虛擬實驗大平臺建設，實現平臺統一身份認證、統一管理，建立成都醫學院醫學虛擬仿真實驗教學中心。2014年，醫學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中心。

2　虛擬仿真實驗教學平臺構建

2012年，學校按照大學科模塊分類，構建了層次結構清晰、易于擴展的醫學虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺由基礎醫學、臨床醫學、藥學、以問題為中心的教學法(problem based learning，PBL)實驗教學、測試項目5個模塊構成，開出虛擬數字資源的虛擬醫學實驗項目300多項，可滿足學校所開設醫學專業及醫學相關專業的實驗教學需要。虛擬仿真實驗教學中心虛擬實驗平臺建構，見圖1。

虛擬醫學實驗項目包括實驗目的、實驗原理介紹、實驗操作錄像、實驗仿真交互操作、實驗波形變化模擬、思考訓練等幾部分內容，可以使學生先學習理論知識，然后進行虛擬仿真操作，確定理論與實踐的關系，完成模擬實驗后進行醫學實驗的模擬考試，以鞏固學習到的知識，提高實驗教學質量。

3　虛擬仿真實驗教學平臺管理

醫學虛擬實驗教學中心平臺基于“IPv6”為基礎的校園主干建構。校園主干帶寬 1 000 Mbps，出口帶寬 1 040 Mbps，網絡接入信息點14 436個，網絡存儲總量達100 TB，能夠保證醫學虛擬實驗教學中心平臺安全、穩定、可靠地運行。本校或外校學生都可通過局域網或互聯網進入虛擬實驗室，注冊的學生可自主選擇實驗項目，完成虛擬實驗。老師能對學生完成的虛擬實驗情況進行檢查、督促和批改；同樣，學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，與老師進行網上交流。醫學虛擬實驗教學中心平臺功能模塊結構，見圖2。醫學虛擬實驗教學中心平臺的網絡拓撲結構，見圖3。

圖1　虛擬仿真實驗教學中心實驗平臺層次

圖2　醫學虛擬實驗教學中心平臺功能模塊結構

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校和班級，對學生的身份進行批量導入與管理，以及虛擬實驗教學內容的導入與管理。例如，管理員主要負責學生身份和后臺系統管理。在后臺系統注冊每名同學的個人信息，包括學校、學號、年級、班級、小組、姓名、性別、地址、郵編、聯系電話、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賬號和密碼管理，使用權限管理和課程管理，后臺數據的維護備份管理。(2)學生實驗信息管理功能：在學生實驗信息管理欄目中，學生可以依據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。可以查看各個實驗的分數、權重，查看自己的班級、組別，參與小組討論。(3)在線考試功能：教師可以設置在一個時間段內，進行虛擬實驗知識掌握情況的在線考試和測評，學生必須在規定時間內完成試卷內容，并在線提交。客觀題自動生成成績，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。實驗操作結束后進入知識點測試區完成測試題作業，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互動交流，查詢全部學生實驗操作的進展狀態，閱讀遞交的實驗報告，并發布實驗成績。實驗教學管理的后臺系統能對同學完成實驗的數量、質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)教師教學管理功能：教師通過網絡虛擬實驗室對學生進行實驗教學管理，如學生的分組管理、實驗教學內容的布置、實驗完成的進度監察、實驗報告批閱和答疑互動，完成對實驗教學狀態的評估等實驗教學管理工作。

4　本校虛擬仿真實驗教學中心的特色

4.1內容擴展性醫學不斷發展，醫學實驗教學內容也相應在不斷更新，在相關耗材尚未成熟應用于大量實驗研究時，中心平臺通過虛擬實驗達到教學目的。如病原微生物學模塊中細菌的染色項目，對檢驗醫學、預防醫學、生物技術專業學生，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課程高效性學生實驗課程每個學時為40 min，而實驗是由每組4～5名同學共同完成的。據統計，大多數虛擬實驗可以在10～15 min內完成，使用虛擬仿真平臺教學不僅節約師生的時間，同樣可以使每位同學熟識實驗的每個細節。如在已知藥物對蟾蜍心臟灌流的虛擬實驗中，為同學提供了心臟灌流的動畫與3D心臟的虛擬環境，學生親自動手在虛擬空間內使用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模塊內項目多為大型綜合類實驗，一個項目內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，學生不可能完成多個實驗。本校醫學虛擬實驗教學中心平臺可為不同類型的學生開設各種虛擬實驗教學內容，本校或外校學生均可通過校園局域網或互聯網進入虛擬實驗室，注冊的學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，學生真實實驗最多可做2～3個，其他的實驗就可供學生用該模塊選擇性進行。時間及地點由學生自由選擇，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、教師教學管理功能等屬性。通過虛擬仿真平臺，學生可以依據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、權重，查看自己的班級、組別，參與小組討論；其次學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，與老師進行網上交流互動。教師通過網絡虛擬實驗室對學生進行實驗教學管理，如學生的分組管理、實驗教學內容的布置、實驗完成的進度監察、實驗報告批閱和答疑互動，完成對實驗教學狀態的評估等實驗教學管理工作。

5　本校虛擬仿真實驗教學的局限性

5.1不能代替真正的實驗計算機的迅猛發展確實給教育教學帶來了許多便利條件，但醫學生今后的工作對象是人，醫學教育的實踐性和人文特性，決定了醫學科學實驗的不可替代性[5]，沒有把握的臨床操作切不可輕易嘗試。況且人體內組織器官各異，血管神經錯綜復雜，個體差異很大，系統無法完全模擬不同狀態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，幫助學生理解相關知識，卻無法完全取代真實的實驗操作。

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

5.3虛擬仿真實驗軟件的缺陷目前現有的部分教學軟件在醫學本科教育中的針對性不強，未能真正起到輔助實驗教學的作用。這主要是因開發軟件的人員缺乏相關知識所致，并且醫學發展迅速，其實驗方法和手段升級更新較快。因此，具有雄厚專業理論基礎的軟件開發人員，是維護和更新虛擬仿真實驗教學平臺的關鍵。

6　本校采取的相關措施

6.1以實為本，以虛補實，虛實結合在本校的實驗教學中，將虛擬仿真實驗教學與真正的實驗操作有機結合，例如在教學過程中，先讓學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，如細胞培養虛擬實驗、PBL病例討論、臨床思維訓練，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的輔助作用，而且彌補其在實驗教學中的缺陷，兩者相輔相成[6]。

6.2實現信息技術與醫學實驗教學深度融合本校采取的“校-企合作、校-校合作、校-院(教學醫院)合作”的方式加快平臺教學源的建設，建立和完善資源共享的長效機制，形成和促進優質實驗教學的資源共建、共管、共享[7]。集中教師、醫生、軟件開發人員共同研討各個虛擬實驗的細節設置及動畫設置，將資源的開發、維護、更新、支持、服務等合理地交由企業承擔，將企業的效益觀念和學校教學需要結合在一起[8]。以成都泰盟科技有限公司、上海夢之路數字科技有限公司為紐帶，形成了10余所高等醫學院校共建、開放、共享團體，共建共享虛擬實驗項目近300項。同時，中心還與本校數十所教學醫院形成了開放、共享團體，如成都軍區總醫院、四川省人民醫院等，輻射效應逐步顯露。

6.3革新實驗教學手段，實驗項目微課程化教育信息化為教育帶來了巨大的變化，使得教育領域正面臨著重大而深刻的變革，具體體現在實驗教學的基礎設施、軟硬件資源、師資培訓等方面[9]。以MOOC為代表的新一輪教學改革沖擊著傳統教學模式，學校積極順應教學改革熱潮，基于MOOC對醫學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過程中圍繞某個知識點或教學環節開展的教與學活動全過程[10-13]，并將視頻資料上傳虛擬仿真實驗教學平臺，支持學生翻轉課堂、移動學習等學習方式的新型數字化教育資源[14]。因實驗項目微課具有時間短、主題突出、內容設計精簡具體、教學情景化等特點，深受學生喜愛。國內外對虛擬仿真實驗教學的應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方式，主要圍繞某個教學知識點(重點、難點、疑點)和教學環節(練習、實驗、任務)開展教學活動及配套資源，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中越用越廣，越來越體現新時代信息化教育。

7　小　結

毫無疑問，國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作順應了高等教育的發展趨勢，虛擬仿真實驗教學必將對提高醫學本科教育產生十分重要的意義[15]。但是，虛擬仿真實驗教學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的功能，構建符合新時代教育的醫學虛擬仿真實驗教學體系，繼續探索適應“強實踐、重創新”的應用型人才培養模式。

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

[2]王衛國．虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[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實驗教學中的應用探索與研究[J]．牡丹江教育學院學報，2013，31(6)：150-151．

[4]何恩貴．體驗式虛擬實驗教學系統的構建研究[J]．現代中小學教育，2013，29(4)：12-15．

[5]夏有為．實驗室建設必須務實——訪中科院院士、國防科技大學周興銘教授[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 關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[A]．北京：中國人民共和國教育部，2013．

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

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

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

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

[11]王竹立．新建構主義：網絡時代的學習理論[J]．遠程教育雜志，2011，29(2)：11-18．

[12]王覓．微視頻課程：演變、定位與應用領域[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中的應用價值[J]．齊齊哈爾醫學院學報，2014，35(16)：2462．

[14]陳利．淺談微課程的信息化教學模式設計[J]．中國信息技術教育，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中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J]．實驗室研究與探索，2013，32(11)：5-8．

·醫學教育·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.19.044

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

，E-mail:pkj6696@aliyyn.com。

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1671-8348(2016)19-2720-03

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2016-02-22)