虛擬仿真實驗技術在動物生理學實驗教學中的應用探索

楊 迪，吳慧昊，王家敏，喬自林＊

（1.西北民族大學 實驗教學部，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學 生物醫學研究中心/甘肅省動物細胞技術創新中心，甘肅 蘭州 730030）

虛擬仿真實驗技術是近年來高等教育教學領域里繼多媒體、網絡技術之后的又一項應用類新技術，對虛擬仿真教學平臺的建設與應用研究也成為目前高等教育領域的焦點。黨中央已明確指示要強化人才培養的核心地位以及“雙一流”建設的新要求，2018年中國高等教育國際論壇發起了建設中國“金課”的號召，再一次將依托高新技術的創新型虛擬仿真技術課程推到了新的高度[1]。教育部計劃到2020年末啟動1 000個“示范性虛擬仿真實驗教學項目”[2]。

本文借助于西北民族大學實驗教學部虛擬仿真實驗系統，分析動物生理學課程的傳統實驗與虛擬仿真實驗的各自特征，探究虛擬仿真實驗技術在動物生理學實驗教學中的應用和發展前景，為動物醫學類專業實驗教學的發展提供新思路。

1 傳統動物生理學實驗教學的弊端

動物生理學是動物醫學類專業中一門至關重要的專業基礎課。主要研究動物體的機能，如消化、循環、呼吸和生殖等，是涉及機體的調節和對環境條件變化——反應的學科，是生命科學的核心機能課程。由于該課程內容抽象，從書本和理論講授時不易理解，實驗教學就顯得尤為重要。但是傳統的實驗教學多采用教師講授與學生實操相結合的方式，在實驗教學的過程中存在以下問題。

1.1 實驗模式單一

傳統的動物生理學實驗教學模式形式單一，教師將實驗儀器、試劑耗材等準備齊全，講解實驗原理、步驟后，學生只需對照實驗指導進行操作。實驗操作按照既定的規則進行，且在實驗設置方面多為驗證型實驗[3]，導致學生只是刻板地完成實驗內容，對幫助理解知識的效果有限，也不利于學生創新意識培養和教師教學能力提升。

1.2 學生對實驗課的興趣不高

在實驗操作前教師通常會講解實驗操作要點，對于綜合型實驗，學生往往無法從語言中領會操作要點，實驗失敗的概率比較高，如影響尿生成的因素、血壓測定、心血管活動神經體液調節以及影響血液凝固的因素等實驗，通常都是教師幫助完成。由于實驗耗時長、難度大、教師無法顧及多組學生同時進行，導致學生在實驗過程中常常產生畏難情緒，畏懼失敗，害怕動手，因此會影響學生對實驗課的興趣。

1.3 缺乏有效的考核模式

目前，許多學校尚無建立結合實際的實驗課程考核體系，大多為傳統地評閱實驗報告的方式進行考核或成績評定，不能有效地反映學生真實的實驗情況以及實踐操作的能力，亟待改革[4]。

2 虛擬仿真實驗教學的優勢與應用

虛擬仿真實驗教學模式已經為實驗教學開辟一種新的模式，是一種進步，也是計算機技術發展的必然結果。它有效地將教學內容從傳統的書本集成到現代信息技術載體中，表達方式也從以往的靜止的文字和圖片轉化成動態動畫和視頻，逼真的表達形式讓教學內容更加容易被學生所接受。為生物醫學類專業實驗教學革新提供了新機遇，也為動物生理學實驗教學提供了新理念和新思路。

2.1 虛擬仿真實驗在動物生理學實驗教學中的優勢

虛擬仿真技術是在計算機平臺，人機交互、網絡技術等信息技術不斷發展的基礎上，將仿真技術與虛擬現實等技術相結合而產生的一種高級的仿真技術。與傳統實驗教學方法相比較，應用虛擬仿真實驗輔助動物生理學的實驗教學具備以下幾個優勢[5]：第一是真實感，當虛擬仿真技術與動物生理學實驗相結合時產生的虛擬環境，可以讓學生全方位地產生一種沉浸于真實環境的感覺。第二是交互性，虛擬現實是一個互動環境，學生可以在實驗項目中選擇需要的實驗耗材、試劑，自主進行實驗設計。不同的實驗設計得到的實驗結果也各有不同，有助于引導學生對實驗原理的思考。第三是虛幻性，即環境是由虛擬仿真系統構建的，可以模擬現實中真實存在的環境。可以有效地避免傳統實驗中存在的危險，如家兔的有機磷中毒實驗，虛擬仿真實驗可以有效避免學生接觸毒物而引起傷害事件的發生。第四是逼真性，虛擬環境與所模擬的現實極其相像，學生可以通過模擬實驗還原手術環境。在實際操作之前感知實驗場景，充分認識實驗中可能產生的預期結果。

2.2 虛擬仿真實驗在動物生理學實驗教學中的應用

在動物生理學實驗教學中運用虛擬仿真技術，將現實中難度大、有毒性和抽象實驗利用虛擬技術系統實現簡單、安全和具體地展示，與教師平鋪直敘地講解、學生機械式地重復實驗步驟的教學方式相比，具有傳統實驗教學達不到的教學效果和意義[6]。

西北民族大學實驗教學部的機能學虛擬仿真實驗室由生物仿真數據庫、局域網硬件平臺以及虛擬實驗環境界面幾部分組成。在實驗課開始前，學生能夠在動物生理學實驗室可以通過網絡終端進入虛擬仿真系統，預習實驗內容，觀看實驗操作視頻。然后，使用動畫模擬操作整個實驗過程，自主選擇需要的實驗耗材及藥品，模擬實驗過程并記錄實驗結果。教師也可以為學生演示實驗操作并評價學生的學習效果，以達到教學大綱規定的教學要求和培養目標。通過虛擬仿真實驗系統，學生可以自主或在教師的指導下完成實驗預習、模擬操作、預測實驗結果等項目；不僅如此，隨著移動終端功能的不斷優化，虛擬仿真實驗系統能夠打破課堂界限，學生可以隨時隨地訪問服務器，完成對實驗的預習、模擬和復習。在考核方面，教師可以將筆試內容上傳至服務器，進行實驗網上考核以及網上閱卷；抽選模擬實驗內容作為考核項目，考核學生的模擬操作能力。

動物生理學實驗是學生對動物機體基本作用理論知識有了充分認識后在實踐上的拓展。綜合型、設計型實驗往往是最能培養學生綜合分析、實踐創新以及操作能力的實驗項目[7]。但是由于其耗時長、操作能力要求高等特點往往不易開展或實驗成功率較低。因此，結合虛擬仿真實驗系統，教師設計了多個綜合型設計型實驗，以培養學生的實驗能力和科研素質。例如，綜合型實驗項目心血管活動的神經體液調節，實驗開始前學生可通過服務器登陸虛擬仿真實驗系統，通過動畫演示觀察心臟起搏點和收縮特性，掌握血壓測定方法，加深對心血管活動的神經體液調節的理論知識的理解；然后觀看實驗操作視頻，熟悉實驗原理、方法以及實驗步驟；最后利用模擬實驗室，完成實驗手術的操作模擬。利用該方法，不僅激發學生的學習興趣，使學生充分理解實驗目的和內容，將實驗與理論知識相結合；更有利于提高學生實驗的成功率，提高動物生理學實驗課的效率，為今后學生獨立開展科學研究打下基礎。

3 結語

虛擬仿真實驗教學模式實現了教學實踐與信息技術的融合，已成為當今高等學校實驗教學重要的教學工具之一。實踐表明，虛擬仿真實驗技術與動物生理學實驗教學的結合，可以有效地提升學生的分析和實踐能力，激發學生的學習興趣，推動傳統教學模式向信息化、智能化方向的變革。隨著虛擬仿真技術的不斷開發以及動物醫學專業實驗教學項目建設的不斷深化和拓展，必將構建更多更優秀的虛擬仿真實驗教學平臺和實驗項目，助力高水平動物醫學專業人才培養體系建設，推動高等院校實驗教學體系創新發展。