虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與思考

■李從德/三峽大學(xué)

醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等醫(yī)學(xué)教育的重要組成部分，是極為重要地醫(yī)學(xué)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生基本操作技能和創(chuàng)新思維能力。在這個(gè)實(shí)踐性的教學(xué)環(huán)節(jié)，只有學(xué)生親身實(shí)踐才能更好地理解生理學(xué)的抽象知識(shí)，全面掌握生理學(xué)的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)踐操作能力，讓學(xué)生朝著全面發(fā)展的高素質(zhì)綜合性人才發(fā)展。但由于實(shí)踐教學(xué)條件限制，很難同時(shí)滿足大量醫(yī)學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)踐操作的需求，很多的學(xué)生既不能觀察實(shí)驗(yàn)，更談不上實(shí)際進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)，不利于醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)。迫切需要尋求新的教學(xué)方法解決這種教學(xué)的供需矛盾。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代人類生活的各個(gè)方面。利用“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為現(xiàn)實(shí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)虛擬出實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。其優(yōu)勢(shì)在于學(xué)生通過模擬，可以掌握實(shí)驗(yàn)原理，熟練實(shí)驗(yàn)操作過程，從而增強(qiáng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性和有效性。通過這種虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以體驗(yàn)和感受到在各種因素發(fā)生改變的情況下，生物體將發(fā)生怎樣的生理變化，從而加深對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理解及熟悉具體操作流程，既節(jié)省生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，又提高生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考和分析問題，訓(xùn)練臨床思辨能力，是傳統(tǒng)生理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效輔助手段。現(xiàn)就虛擬仿真技術(shù)在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的有關(guān)問題探討如下：

一、利用虛擬仿真技術(shù)，做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

首先，要根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)和生理學(xué)教學(xué)大綱確定本次實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)重點(diǎn)，通過本次實(shí)驗(yàn)學(xué)生在知識(shí)、能力和素養(yǎng)方面獲得那些提高。以往教學(xué)過程中學(xué)生在實(shí)驗(yàn)基本操作中容易出現(xiàn)失誤的地方。因此，在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能詳盡演示這些重點(diǎn)內(nèi)容，多途徑多方位的呈現(xiàn)。要循序漸進(jìn)，從基本知識(shí)、基本方法和基本技能到更高階段、更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。要有意識(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和主動(dòng)學(xué)習(xí)。各個(gè)基本操作環(huán)節(jié)和教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)結(jié)果要無縫對(duì)接。要有即使操作錯(cuò)誤，也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。還要注意控制非實(shí)驗(yàn)所需環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響。好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目背景豐富、技術(shù)先進(jìn)、構(gòu)思巧妙、內(nèi)容精彩、結(jié)果可靠、評(píng)價(jià)客觀。

實(shí)驗(yàn)素材、背景資料要要豐富，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和拓展學(xué)習(xí)。背景素材應(yīng)包含科學(xué)發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)原理及其外圍知識(shí)，實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍。利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，選擇正確思路，科學(xué)地完成實(shí)驗(yàn)。

采用實(shí)驗(yàn)技術(shù)要緊跟現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相輔相成，進(jìn)行有機(jī)融合。除了專業(yè)內(nèi)涵特色鮮明之外，還應(yīng)向相關(guān)學(xué)科的專業(yè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉。有利于學(xué)生拓展新思維，提升解決專業(yè)問題的能力，并于相關(guān)學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行融合的能力，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。實(shí)驗(yàn)技術(shù)可提供多種選擇，滿足多層次學(xué)生進(jìn)行教學(xué)的需要。不能過度炫酷而使實(shí)驗(yàn)缺失內(nèi)涵。

構(gòu)思巧妙是將實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的核心要素進(jìn)行高度凝練，用大家通曉的方法進(jìn)行逼真呈現(xiàn)，既容易實(shí)現(xiàn)，又容易組織教學(xué)。實(shí)驗(yàn)方法靈活多樣，多途徑與多方案，不能簡(jiǎn)單的選擇對(duì)與錯(cuò)。要讓學(xué)生進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)思考或者摸索才能到達(dá)勝利的彼岸。給予實(shí)驗(yàn)的難度，富有挑戰(zhàn)性，激發(fā)學(xué)生的探究與創(chuàng)新欲望，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中挑戰(zhàn)自己能力極限，滿足不同層次和不同能力學(xué)生的教學(xué)需要。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要符合人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱的要求，專業(yè)特色鮮明，引入醫(yī)學(xué)科技研究的最新成果。要高潮迭起，精彩紛呈，引人入勝。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果要真實(shí)可靠，仿真盡量做到逼真。科學(xué)的問題來不得半點(diǎn)虛假。操作過程可做一個(gè)輔助性鏈接，方便學(xué)生在遇到困難時(shí)可以自主學(xué)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)過程的每一個(gè)具體環(huán)節(jié)都可設(shè)置相應(yīng)的考核觀察點(diǎn)，便于全面準(zhǔn)確掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的過程，進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)應(yīng)設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)，并能及時(shí)反饋。要從實(shí)驗(yàn)過程的行為規(guī)范，科學(xué)思維與嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。要有系統(tǒng)客觀評(píng)價(jià)的完整評(píng)價(jià)模型。

簡(jiǎn)而言之，圍繞立德樹人，適應(yīng)新醫(yī)科人才培養(yǎng)的要求，充分考慮當(dāng)代醫(yī)學(xué)生的成長(zhǎng)特點(diǎn)以及5G時(shí)代教育教學(xué)的新規(guī)律，以提高醫(yī)學(xué)生基本實(shí)踐操作能力和培養(yǎng)創(chuàng)新能力為核心，科學(xué)訓(xùn)練學(xué)生的臨床思辨能力，支撐生理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高生理教學(xué)質(zhì)量為目的，全方位打造生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

二、利用虛擬仿真技術(shù)，做好課前預(yù)習(xí)

醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)大多是用活的生物體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，因而對(duì)操作者具有較高的要求，既要完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，還要最大限度保持實(shí)驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)與功能的完整，才有可能獲得理想的實(shí)驗(yàn)效果。學(xué)生先在虛擬中完成生理實(shí)驗(yàn)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)就有了全新的認(rèn)識(shí)和整體把握。通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生便可掌握實(shí)驗(yàn)原理，理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；進(jìn)過反復(fù)演練，學(xué)生可熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，知曉可能出現(xiàn)的各種情況以及應(yīng)該采取的措施，從而提高真實(shí)實(shí)驗(yàn)的成功率。例如，蛙心灌流實(shí)驗(yàn)，利用虛擬仿真技術(shù)，既可真實(shí)再現(xiàn)蛙心的結(jié)構(gòu)，血管的走向，還能演練如何將蛙心插管插入心室，如何判斷插管已進(jìn)入心室。通過仿真實(shí)驗(yàn)，可以觀察不同理化因素對(duì)心率、心肌收縮力以及心臟博出量的影響，繼而理解內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)對(duì)于器官功能活動(dòng)的重要性。運(yùn)用仿真技術(shù)進(jìn)行生理學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以清晰地看到不同的操作或處理可能對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，便于警示學(xué)生在正式實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量避免或消除不利因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

三、利用虛擬仿真技術(shù)，進(jìn)行回憶性實(shí)驗(yàn)，升華生理學(xué)知識(shí)

通常我們用活的生物體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，許多時(shí)候生物材料只能運(yùn)用一次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是理想的，也可能是不理想。無論是從時(shí)間還是實(shí)驗(yàn)對(duì)象都只能給予學(xué)生一次機(jī)會(huì)。現(xiàn)在利用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可在真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，不受時(shí)間和生物材料的影響，進(jìn)行數(shù)次模擬實(shí)驗(yàn)，直至全面掌握生理學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。學(xué)生在這種真實(shí)實(shí)驗(yàn)之后，再次與模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，學(xué)生可發(fā)現(xiàn)某些真實(shí)實(shí)驗(yàn)中懸而未決的問題，通過虛擬仿真技術(shù)求證解決的方法，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)操作基本的印象，激發(fā)學(xué)生對(duì)生理學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)生理學(xué)知識(shí)的探究欲，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)生理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的理解與掌握，從而不斷提升生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。從利用虛擬技術(shù)進(jìn)行預(yù)習(xí)，到真實(shí)實(shí)驗(yàn)，再到虛擬仿真進(jìn)行回憶性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解不斷加強(qiáng)，生理學(xué)知識(shí)的積累在螺旋式上升。

四、利用虛擬仿真技術(shù)，做好形成性評(píng)價(jià)

在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，對(duì)于實(shí)驗(yàn)課的考核內(nèi)容主要依賴學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、平時(shí)考勤；缺少對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過程中學(xué)生的具體表現(xiàn)及其評(píng)價(jià)。在學(xué)生利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行常規(guī)性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，借助該實(shí)驗(yàn)技術(shù)可同時(shí)采集學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的第一手資料，為進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。通過后臺(tái)數(shù)據(jù)，教師可準(zhǔn)確知道學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的掌握情況，學(xué)生課前復(fù)習(xí)和相關(guān)理論知識(shí)的準(zhǔn)備情況，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)以及分析的情況。為了科學(xué)評(píng)價(jià)生理實(shí)驗(yàn)的整個(gè)教學(xué)過程，必需根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要素設(shè)置觀察點(diǎn)，并予以賦分。將其整合到虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，在生理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程及其表現(xiàn)，給予實(shí)時(shí)評(píng)分。師生可以快速進(jìn)行反饋，便于及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度或教學(xué)內(nèi)容；另可根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件和環(huán)境等諸多因素改進(jìn)方法，以便于得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有利于學(xué)生進(jìn)行分析、概括與總結(jié)。

利用虛擬仿真技術(shù)，開展碎片化學(xué)習(xí)，不受時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以主動(dòng)開展實(shí)驗(yàn)，或預(yù)習(xí)，或鞏固復(fù)習(xí)，一切皆由學(xué)生根據(jù)自己的情況而定。同樣，學(xué)生還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的線索，追根溯源，進(jìn)行生理學(xué)知識(shí)的拓展學(xué)習(xí)。讓學(xué)生在這個(gè)無圍墻的大學(xué)中自由翱翔。

總之，隨著信息技術(shù)高速發(fā)展，新技術(shù)與新方法必將豐富生理學(xué)的教學(xué)手段，只要我們始終牢記以學(xué)生為中心，勇于探索，不斷改革生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，促進(jìn)生理學(xué)教學(xué)質(zhì)量逐步提升，為新時(shí)代培養(yǎng)和輸送合格醫(yī)學(xué)人才。