醫學虛擬實驗的發展及應用

李科　曲雷銘　汪品文　王君

摘? 要：隨著現代教育與數字網絡技術的發展，模擬仿真教學成為輔助教學的一項重要手段。國外知名高校對虛擬實驗教學的開發、設計和使用催生了我國虛擬教學的實踐和發展。筆者學校將泰盟VBL-100醫學機能虛擬實驗系統應用于該校2016級護理學專業的實驗預習和理論教學中，結果顯示該系統的使用顯著提升了理論學習成績，對實驗技能沒有顯著提高作用。問卷調查也顯示醫學虛擬實驗有其直觀、重復演示和能輔助學習等優點，也有不能提高實驗技能、缺乏實驗現場體驗和不利于團隊協作精神的培養等不足。

關鍵詞：醫學虛擬實驗? 發展? 應用

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0181-02

隨著現代教育與數字網絡技術的發展，模擬仿真教學形態進入教育領域，使在線學習成為輔助教學的一項重要手段。這些年來許多高校正將虛擬實驗教學應用到實驗教學中，深刻影響著當前的教學模式[1，2]。以醫學實驗和現代網絡數字技術為基礎的機能虛擬仿真實驗平臺已經建立并使用，醫學虛擬實驗平臺已經成為教學的一個主要組成部分。

1? 虛擬實驗的發生與發展

2012年以美國斯坦福大學和哈佛大學為代表的知名高校建立了MOOCs形式的網上教學模式，德國馬爾堡大學生理研究所（自行采用計算機高級語言C#編制了一套基本程序用于實驗教學）、澳大利亞莫納什大學（自行研制了一套基于Web網頁的生理課件）、美國哥倫比亞大學等都在研發醫學虛擬仿真實驗軟件平臺并使用于教學中;2013年我國教育部的教育司要求在全國構建國家虛擬仿真實驗教學示范中心，從國家政策上給予網絡化的虛擬實驗發展提供指導和大力扶持及資助，隨后四川成都泰盟公司的VBL-100醫學機能虛擬實驗系統、北京微信斯達Pclab-100醫學虛擬軟件、上海夢之路的醫學機能虛擬實驗系統軟件都已經不同程度地應用于教學和實驗中[3，4]。

2? 現實實驗與虛擬實驗的比較

現實實驗與虛擬實驗的比較情況具體見表1。

3? 虛擬實驗教學的優點

3.1 節約資金、節省資源

機能學實驗通常4～5人一組進行，不能保證每人都有動手操作的機會，限制操作時間。虛擬實驗單人單機，不“擁擠”，每個實驗過程能有效模擬進行。傳統教學需要實驗室、實驗準備教師、實驗主帶教師、實驗動物、實驗器材設施和藥品等，工作量繁重，實驗設備需求較高，且要不時地進行更新和維護，需資金不斷投入。虛擬實驗無需實驗動物、器材和耗材，無繁重實驗準備工作，節約經費和人力;虛擬實驗系統利用多媒體手段將實驗內容演示和模擬，利用軟件把實驗教學分為資料室、準備室、模擬實驗室、動物室和考場，分別對儀器、實驗原理和步驟、仿真模擬進行逐一介紹，使實驗設計合理、內容完整;虛擬實驗不受動物和藥品限制，簡單易操作，能解決實驗器材磨損、動物昂貴、實驗經費緊缺的矛盾，也減少了人力投入。

3.2 符合動物倫理

醫學實驗必須依靠實驗動物完成，在“普世價值”和“珍愛生命”理念感召下，保護弱小、保護動物也應該在教育領域踐行。麻醉、切割、插管及固定等手術過程給實驗者帶來血腥甚至殘忍的體驗，對實驗者造成一定的心理傷害或不良體驗，虛擬實驗避免了一次次的傷害或奪命動物，保證了實驗結果的準確，減少甚至無傷害動物，符合整個世界的倫理方向。

3.3 補充實驗內容

受學時和實驗條件限制，很多實際實驗不能進行，而利用虛擬平臺資源可以瀏覽很多實驗項目。學生通過觀看虛擬實驗可以掌握一些實驗方法和實驗過程，模擬練習一些實驗操作;實驗結果的演示能加深感性認識，鞏固對應的理論內容，利于專業知識的掌握和后續學科的銜接，這些都能激勵學生的自主學習，彌補了現實實驗教學的不足。

3.4 避免傷害，保護環境

動物實驗的操作、麻醉等環節由于動物掙扎可能傷害實驗者，會給實驗者帶來恐慌，增加心理負擔。有些有毒有害的實驗藥品也能影響實驗者健康，如乙醚、氰化鉀等。虛擬實驗可以做到無毒無害無污染，不僅避免這些藥物帶來的傷害，同時保護了生態環境。

4? 虛擬實驗的不足

（1）虛擬畢竟不是現實實驗，缺少實打實的實驗技法訓練和操作能力的提高。而學生以后的科研工作和畢業后從事臨床工作，需要一些基本的、嚴格的和嫻熟的實驗技能，這些要求虛擬實驗均不能達到。虛擬實驗的重點在過程和結果、在重復性和模擬性，不在實驗技法的提升。

（2）學生不能身臨其境動手實驗，對手術中的意外和困難無法體驗，也不能解決實驗中突發的實際問題、失敗和風險，當實際實驗中出現一些在虛擬實驗中沒有“見識”過的情景和現象時，學生會驚慌和不知所措。

（3）缺乏團隊合作品質的培養。虛擬實驗單人單機就可完成，不需要同伴合作，學生之間的分工、配合、默契和協作均無法體現出來，學生自然就無法體會團隊學習帶來的成就感和集體榮譽感。

5? 目前使用情況及評價

自2013年教育部倡導在高校加強虛擬實驗平臺建設以來，山東大學、中山大學、哈爾濱醫科大學、南方醫科大學、大連醫科大學等很多高校先后建立了國家虛擬實驗教學中心，涵蓋了機能學實驗教學軟件模塊，已經應用于教學之中，收到了一些效果，也反映出了一些問題。資料顯示[5]，學生認為虛擬實驗無傷害、不受場地時間設施限制，認同虛實結合實驗教學模式是理想模式，并認為虛擬實驗不能完全代替實驗教學，僅起到輔助教學作用。

筆者學校自2015年建立虛擬實驗平臺以來，將成都泰盟公司的VBL-100醫學機能虛擬實驗系統應用于2016級護理學專業的實驗預習和理論教學中，課程結束后從三方面對使用效果進行了評價：（1）理論考試。虛擬仿真實驗的使用，提升了學習成績，提高了教學效果（期末閉卷理論考試：對照班49人，成績32.14±6.70，實驗班51人，成績35.69±7.15，P<0.05，組間有顯著性差異）。（2）實驗技術考核。該系統的使用對實驗技能沒有顯著提高作用（實驗技術考核2人1組，對照24組，成績32.56±1.47，實驗25組，成績32.63±1.67，P>0.05，組間無顯著性差異）。（3）問卷調查。為了了解學生對虛擬實驗系統的認可情況，我們設計了專門的調查問卷（問卷發放51份，回收51份，有效問卷50份）。結果顯示，大部分學生（84%）認可虛擬實驗系統的直觀性，70%的同學接受用其預習實驗，88%的學生認為其使用靈活、可個人選擇;使用該系統瀏覽那些沒有對應實驗的理論內容，學生認可度高達100%;對超出教學大綱的內容，80%的學生認為虛擬系統可以實現與后續學科的有序對接;師生交流發現，個別對動物手術恐懼和排斥的學生接受虛擬實驗，該系統還能讓學生了解更多的實驗方法;這些都表明虛擬實驗系統可以用來輔助教學。調查還表明，86%的學生認為該系統的使用無法提高實驗技能，這與實驗技能考核統計結果一致，與一些研究[6，7]一致;72%的學生認為虛擬實驗缺乏實際實驗的現場感，不能留下體驗痕跡、手術操作印象不深刻;這些都提示虛擬實驗不能完全代替實驗教學，實驗技能的掌握還得依靠親力親為、實打實的實驗教學。

6? 結語

動物實驗的3R原則，（Reduction減少、Replacement替代和Refinement優化），是今后醫學實驗的發展方向，我國醫學教育正逐步向國際接軌。互聯網+時代已經到來，我們必須面臨新的機遇與挑戰。依托網絡的虛擬實驗輔助教學過程，相比于傳統的教學：直觀、透明、降難度;學生聽課專注、用心、感興趣，有投入少、產出多的效能;對那些晦澀、抽象的知識，借助該系統無論是課前瀏覽或是課后復習，都是一個得力助手。作為教育工作者，我們要“除其弊，用其利”，及時更新教育理念，主動調整教學模式，適應時代要求。

參考文獻

[1] 楊雪，宋金剛，黃海林.醫學虛擬實驗的層次性設計研究[J].中國高等醫學教育，2010（1）：77-78.

[2] 李斯萌，楊雪，黃海林.醫學虛擬實驗的教學應用限度研究[J].中國高等醫學教育，2012（12）：4-6.

[3] 陳立松，蓋曉東，歷春.虛擬實驗系統在醫學機能實驗教學中的應用體會[J].吉林化工學院學報，2015（12）：64-65.

[4] 梁向艷，張璟，邢金良，等.醫學機能虛擬實驗教學的現狀及發展趨勢[J].中華醫學教育探索雜志，2016（2）：185-188.

[5] 劉瓊，張韋深，吳欣慧，等.實驗生理科學虛實融合實驗在應用型本科教學的探索與實踐[J].中國高等醫學教育，2018（2）：74-75.

[6] 徐靜，孫藝平，王冬梅.虛擬實驗與真實實驗在機能學實驗中之比較[J].醫學教育探索，2009，30（6）：75-76.

[7] 金悠，吳鵬飛，王芳.虛擬仿真與微課技術在藥理學實驗教學中的綜合應用[J].中國高等醫學教育，2018（1）：1-2.