虛擬實驗在高職高專機能實驗教學改革中的探索#

劉慧霞 邢乾乾 吳林 石山慧

·教學管理·

虛擬實驗在高職高專機能實驗教學改革中的探索#

劉慧霞*邢乾乾 吳林 石山慧

（菏澤醫學專科學校生理學教研室，山東 菏澤 274000）

虛擬實驗以計算機網絡為核心，以實現數據采集、分析，遠程操作的系統；通過虛擬現實、多媒體和仿真等技術，進行的仿真實驗，強化實驗教學信息化建設，建成以教學過程可視化、質量控制、師生互動、遠程指導、自主學習等一體的泛在信息化云平臺。虛擬實驗教學作為新型實驗教學平臺，能節約實驗成本，能增加學生的興趣，調動學生做實驗的積極性，虛擬仿真實驗技術作為傳統實驗教學的輔助手段之一，可將虛擬實驗與真實實驗結合，做到“虛實結合、能實不虛”。

虛擬實驗；高職高專；機能實驗教學

醫學高職高專院校旨在為基層醫療機構培養德、智、體全面發展的醫學人才，使其具有扎實的醫學基本理論和技能，能從事臨床、護理、口腔、預防保健等工作。其醫學高職院校突出的特點是以職業崗位能力為本位，以知識應用為核心，尤其應重視實踐教學[1]。醫學機能實驗是基礎醫學實驗教學的核心課程之一，將生理、藥理、病理生理（簡稱“三理”）三門實驗課進行融合、更新和優化，以人體生理功能、藥物作用及機制和疾病的發生發展為研究對象，是醫學教學中的重要組成部分之一，注重培養學生綜合素質，創新精神，應將素質教育、創新教育融入實驗教學的各個環節中。機能實驗通常以活體動物為研究對象，是學生入學后首次接觸實驗學科。在傳統的機能實驗教學中，學生根據教師的講解和要求按部就班的實驗，由于高職高專學時較少，每次實驗課安排兩個學時，由于老師講解后學生操作的時間較短，動手操作的機會相對較少，學生實驗成功率偏低，多年來這些問題較普遍地存在于機能教學中[2]。

隨著我國教育體制的不斷深化改革，教師資源、實驗經費、儀器設備的局限性，使傳統的實驗教學模式已不能滿足教學需要。虛擬實驗系統通過網絡、多媒體和計算機等多種技術整合起來，使實驗項目內容、儀器設備、操作方法有機地融合在一起。因此，在傳統實驗教學基礎上，我校積極開展虛擬實驗教學，培養學生綜合素質能力、將知識融會貫通和科研思維能力，逐步建立以學生為中心的教學體制。

1 虛擬實驗教學的發展歷程

1989年，美國弗吉尼亞大學（University of Virginia）威廉·沃爾夫教授于首次提出虛擬實驗室的概念。虛擬實驗以計算機網絡為核心，以實現數據采集、分析，遠程操作的系統；通過虛擬現實、多媒體和仿真等技術，進行的仿真實驗，強化實驗教學信息化建設，建成了以教學過程可視化、質量控制、師生互動、遠程指導、自主學習等一體的泛在信息化云平臺[3]。實驗結果具有針對性，其效果明顯優于傳統真實實驗中的結果。因為虛擬實驗教學具有強大功能和突出優點，其廣闊的應用前景得到了大力開發，在許多高校的機能實驗教學中廣泛采用。

2 機能實驗教學開展虛擬實驗的必要性

2.1 有利于學生通過網絡平臺預習和復習復雜實驗項目

醫學院校的機能實驗步驟有些相對比較復雜，涉及的理論知識較深奧[4]，因此學生需要提前了解實驗原理和復雜的實驗操作步驟。傳統的實驗授課模式是教師先在課堂上完成實驗原理的講解，實驗課上首先精講實驗步驟和注意事項，耗時較長，學生務必要記住教師講解的內容才能完成后續實驗，由于傳授的知識較多，高職高專學生學習能動性相對欠缺，往往導致在后續實驗中出現眾多的問題，甚至導致實驗中途終止或失敗，達不到預期的實驗效果。虛擬實驗通過讓學生課前在網絡教學平臺或虛擬實驗室預習實驗課內容，熟悉實驗原理，多次觀看實驗操作的視頻，為進行真實的具體實驗操作奠定基礎。在傳統的實驗教學中，因為受動物活體生命客觀條件的限制，其重現性較差，使實驗中的某些項目不能得到較好的實驗驗證。而虛擬實驗卻能夠讓學生進行多次反復模擬，這一方面有利于進行在實際操作中被忽略的步驟，另一方面加深對實驗目的認識，對實驗原理更加深入理解。

2.2 改善實驗教學條件，提升實驗教學效果

機能實驗教學的實驗對象通常以動物為主，實驗教學花費相對較多，高職高專學生人均占有設備和動物資源較少，部分學生在機能實驗課中動手操作的機會較少，一般作為觀察者參與課堂[5]。某些實驗手術操作步驟較復雜，如影響血液凝固的因素實驗中動脈插管技術、影響心輸出量的因素實驗中中主動脈插管術等，在實驗中學生有時由于操作不熟練或失誤而造成實驗失敗。虛擬實驗教學平臺的運用可以彌補傳統實驗教學模式所存在的不足，學生在進行虛擬實驗中，降低了實驗儀器、動物的損耗，顯著降低了實驗動物和材料費用的成本，大大節省了資源成本[6]。學生首先通過觀看虛擬實驗錄像，然后后再獨自進行真實動物實驗操作，降低了實驗操作的盲目性，大大提高了實驗成功率，改善了實驗效果。

3 虛擬實驗教學模式在機能學實驗教學中的優勢

3.1 虛擬實驗的開展豐富了實驗教學內容

由于高職高專院校學制三年，在校學習時間短，課程人均學時相對較少，實驗學時占有比例也少，因此通常會安排一些實驗時間短，步驟簡單，方法經典，實驗成功率高的實驗項目，而用時較長、步驟復雜、需要特殊實驗設備的項目沒有面向學生開設。通過開展虛擬實驗，學生借助虛擬實驗平臺中的實驗項目，熟悉實驗的相關原理與應用，觀看演示、開展虛擬實驗手術操作。

3.2 虛擬實驗教學的開展節約了實驗動物和設備經費

醫學機能學實驗教學的主要目的之一是需要掌握一定量的動物實驗手術基本方法，提高實驗成功率，必然用到大量的活體實驗動物進行操作練習[7]。因實驗學時有限，學生操作較少，不能實現反復多次練習。虛擬實驗教學系統通過運用計算機仿真實驗技術來實現動物實驗的仿真操作。學生選擇生理、藥理、病理生理機能學科的相關實驗，點擊進入實驗項目，對虛擬實驗動物進行手術，可以反復多次練習，不但節省了實驗設備、實驗耗材和實驗動物的花費，而且能讓學生反復進行某項實驗操作，這有利于他們理解并掌握實驗相關的理論知識，熟悉實驗過程每一個步驟的操作過程，隨后在進行真實的動物實驗手術時，能夠順利完成實驗的每個操作達到預期的實驗教學目標，節約實驗藥品和實驗動物。

3.3 虛擬實驗教學的開展增加了學生的動手機會

醫學機能實驗傳統教學中通常以真實動物為實驗對象，往往會受到實驗方法復雜、操作安全存在隱患及實驗花費較高等諸多因素的制約，學生親自操作的機會受限，部分學生在實驗中只是旁觀者，實驗效果不理想[8]。隨著現代教育網絡信息化信息技術的更新發展，虛擬實驗教學系統通過對實驗對象和實驗儀器虛擬化，虛擬實驗環境通過多媒體技術在計算機上構建，學生能夠通過人機交互界面進行實時仿真操作，就能夠避免以上因素的影響，減少實驗成本，降低實驗器材損耗，充分利用實驗資源，減少實驗盲目性，最終完成各種預期的實驗操作，提高教學有效性，從而完成實驗教學的目標。

3.4 虛擬實驗教學具有較明顯的開放性

虛擬實驗不受時間、空間的限制，學生通過課外時間登錄校園網虛擬仿真實驗操作系統，進行課前預習或課后鞏固。在教學內容和教學形式上虛擬實驗教學也具有開放性，教師為適應不同學習要求、不同層次的學生，結合實際教學情況擴展實驗內容。學生還能夠有選擇性的學習、模擬實驗，提高學習積極性與參與度。虛擬實驗平臺能為學生創造一個自由靈活的學習環境，在課余時間對虛擬實驗有興趣的學生能夠到虛擬實驗室選擇實驗項目進行練習、操作，培養了學生自主學習的積極性，也提高了學生的創新思維能力。學生可以根據實際情況充分利用虛擬實驗。

3.5 虛擬實驗富有趣味性

在機能學實驗教學中，利用多媒體技術虛擬實驗形象、直觀的傳授實驗教學信息，并且學習過程帶有趣味性，不必顧忌實驗動物的死亡，實驗器械的損壞[9]。而且學生還能夠通過多媒體，自學發揮自己的創造力與想象力，避免傳統實驗教學帶來的弊端，擴展學生的視野，更加逼真、形象，在虛擬實驗教學系統中借助人機互動，學生的各種操作錯誤能夠得到及時地糾正，通過不斷改進，大大增強學生實驗操作成功的自信心，調動學生動手操作的積極性。

4 機能實驗教學開展虛擬實驗的注意事項

虛擬實驗雖然有很多優點，但仍不能夠完全代替傳統的動物實驗教學模式，虛擬實驗教學中的儀器、動物和藥品都是通過軟件虛擬出來的，學生通過點擊鼠標完成儀器操作、藥品添加，最終達到預期的實驗效果和目的，但這與真實的實踐操作還有著明顯的差別；虛擬實驗項目的實驗過程、現象，也是實驗軟件設計者根據理論支持事先在實驗模塊中設定好的，如果實驗條件略有改變，實驗結果可能就會有明顯的差異。這些弊端在一定程度上會減弱學生的探索精神、實踐操作能力和創新思維能力，在一定程度上也會存在使不夠嚴謹、不夠愛護儀器設備，削弱學生在實踐操作中細心和安全防范意識，對培養嚴謹的科學態度不利。此外，有些虛擬實驗操作項目太簡單，有些操作如家兔固定、皮膚切開、氣管插管、家兔頸部手術、動脈插管等不夠真實，而且無菌觀念缺乏。虛擬實驗設計需要繼續研究開發，以更好地服務于機能學實驗教學。所以，應將傳統實驗與虛擬實驗教學有機的結合起來，提倡實際操作為主，虛擬實驗教學為輔的原則，一些高危、復雜及需要大量動物和經費投入的實驗項目盡量采用虛擬實驗教學方式，實現優勢互補、虛實結合，利用虛擬實驗的靈活擴展性，將新發展的、反應學科前沿的實驗方法快速教授給學生，實現優秀醫學人才的目標。

機能實驗教學承擔著提高和培養學生動手能力、創新能力的責任。虛擬實驗教學作為新型實驗教學平臺，能節約實驗成本，能增加學生的興趣，調動學生做實驗的積極性，但是虛擬實驗教學也仍然存在著許多不足，不能完全代替傳統實驗。因此，虛擬仿真實驗技術作為傳統實驗教學的輔助手段之一，我們應該把虛擬實驗與真實實驗結合起來，使兩者相互彌補不足，做到“虛實結合、能實不虛”[10]。而且我們要聽取學生們的意見，采納同行們的建議，積極探索，不斷更新實驗項目，提高實驗水平，不斷完善虛擬仿真實驗系統，使之在機能學實驗教學中能夠發揮更好的作用。

1 劉慧霞. 微課在護理高職高專生理學教學中的應用[J]. 中華護理教育, 2013, 10(11): 489-490.

2 孫湛, 張雪梅. 數字化教學模式在人體機能學實驗中的應用[J]. 中國醫學教育技術, 2018, 32(4): 410-412.

3 吳曉燕, 袁藝標, 施睿臻, 等. 多元化網絡教學模式在機能實驗學課程教學中的應用[J]. 中國高等醫學教育, 2018, 3: 109-110.

4 莊文獻, 楊雪, 周玉霞, 等. 醫學機能學虛擬實驗教學系統設計研究[J]. 中國高等醫學教育, 2010, 11: 47-48.

5 劉慧霞, 馬建偉, 侯滕菲, 等. “組長責任制”在生理學實驗教學中的應用[J]. 中華醫學教育探索雜志, 2013, 12(2): 146-149.

6 趙紅梅, 包保全, 陳建平, 等. 淺談醫藥院校化學虛擬實驗教學平臺建設[J]. 藥學教育, 2015, 31(5): 59-61.

7 石冬梅, 李鵬, 李志軍. 虛擬實驗在生藥學實驗教學中的應用初探[J]. 福建醫科大學學報(社會科學版), 2016, 17(4): 40-43.

8 周麗芬, 馬寧芳, 章喜, 等. 基礎醫學虛擬仿真實驗教學資源建設及教學軟件研發與應用[J]. 基礎醫學教育, 2019, 21(8): 666-670.

9 樊守艷, 王繼浩. 基礎醫學虛擬仿真實驗教學現狀分析與展望[J]. 中國教育信息化, 2018, (2): 88-89.

10 楊丹聃, 王志飛, 王艷玲, 等. 基礎醫學虛擬仿真實驗模式探究[J]. 實驗技術與管理, 2017, (3): 124-126.

Exploration of virtual experiment in functional experiment teaching reform in higher vocational colleges#

Liu Hui-xia*, Xing Qian-qian, Wu Lin, Shi Shan-hui

(Department of Physiology, Heze Medical College, Heze 274000, Shandong)

Virtual experiment takes computer network as the core to realize the system of data collection, analysis and remote operation; through the technology of virtual reality, multimedia and simulation, the simulation experiment is carried out to strengthen the information construction of experimental teaching, and build a ubiquitous information cloud platform integrating the visualization of teaching process, quality control, interaction between teachers and students, remote guidance and independent learning. As a new experimental teaching platform, virtual experiment teaching can save experimental cost, increase students' interest and arouse students' enthusiasm for doing experiments. As one of the auxiliary means of traditional experimental teaching, virtual simulation experiment technology can combine virtual experiment with real experiment to achieve "combination of virtual experiment and real experiment, can not be virtual".

Virtual experiment; High vocational college; Functional experiment teaching

（2019-7-7）

菏澤醫學專科學校教研課題（編號：H13KG02）

劉慧霞，女，教授，主要從事生理學教學和心血管病理生理學研究，Email：liuhuixia1979@126. com。