教學實踐中機能虛擬仿真實驗平臺的發展與完善

趙元淑 許小洋

廣州醫科大學基礎醫學院，廣東省廣州市 511436

醫學機能實驗學是高等醫學院校基礎醫學教學中重要的實驗課程，該課程將醫學課程中的生理學、病理生理學、藥理學等基礎醫學課程的實驗內容進行有機結合，對于培養學生動手、分析問題、解決問題的能力尤為重要，為學生創新能力的培養和臨床知識的學習奠定基礎。近年來，教育部、衛生部啟動和實施的“教學質量工程”“十二五”發展規劃中特別強調實驗教學的重要性。為了提高實驗教學質量，解決醫學院校實驗教學資源相對不足的弊端，國內一些高校利用最新的計算機虛擬現實(Virtual reality，VR) 技術進行實驗虛擬平臺的建設，如南方醫科大學的“病理學遠程虛擬實驗室”[1]、中山醫科大學的虛擬仿真中心等。我校也緊跟最新的教學改革形式，在國內較早進行了機能虛擬實驗課程的建設，該課程對傳統的機能實驗教學方式起到了有效的補充及促進，我校機能中心針對該課程在教學實踐過程中也出現了一些問題對虛擬實驗平臺進行了相應改進和完善，對發揮虛擬課程在實驗教學中的作用進行有益的探索。

1 醫學機能實驗學教學的現狀分析

實驗教學最主要是培養和提高學生的基本操作能力、綜合能力和創新能力[2]。隨著全國高校學生的擴招，教學資源變得相對不足，尤其是醫學院校，由于醫學實驗課程教學內容的特殊性，需要用到大量的實驗動物和昂貴的實驗試劑，實驗課開設成本高，不能滿足學生反復操作探究實驗機理的愿望，嚴重限制了學生實踐創新能力的培養。為了節約教學資源，規范學生的操作技能，提高學生參與實驗的興趣，我校機能實驗中心從2006年開始陸續研發虛擬實驗軟件，將一部分實驗項目制作成學生感興趣的虛擬游戲，讓學生利用選修課的形式進行學習。通過近10年的改進，虛擬實驗軟件對于促進機能實驗教學起到了一定的效果，但是教學實踐過程中也發現了一些問題。

(1)虛擬實驗項目有待進一步豐富。從2006年開始，我校機能實驗中心陸續研發了家兔、青蛙的虛擬實驗項目共8項[3]，主要為機能的經典驗證性實驗。隨著課程改革的不斷深入，保留經典驗證性實驗，增加綜合性實驗、設計性實驗是我國高等醫學實驗教育的共識[4]。目前我校虛擬實驗平臺存在綜合性實驗項目數量不足，實驗項目也只限于動物實驗，缺乏實驗的延伸和拓展項目。此外，學生們對于醫學前沿知識有很濃厚的興趣，而我們的實驗內容多為基礎知識，不利于學生對新知識的學習及創新精神的培養。(2)高端科研儀器的數量不能滿足學生的需要。由于教學和科研的需要，我校機能中心購置了膜片鉗、流式細胞儀等高端科研儀器設備。但是由于高端科研儀器使用成本高，數量有限，不可能使每一名學生都受益，而學生又對膜片鉗、流式細胞儀等高端科研儀器資源的使用很感興趣，希望了解基本的使用方法。(3)基礎醫學教育與臨床醫學知識脫節。目前機能中心的虛擬實驗都是動物水平的實驗項目，實驗項目存在一定的局限性，這就造成學生們在未來進行臨床課程學習時，很難將從前學習的基礎知識與臨床結合起來[5]。雖然綜合性實驗項目與臨床有一定的關聯，但是沒能從實質上解決基礎與臨床脫節的問題，學生進入臨床后，仍然不能用基礎醫學知識解釋臨床現象。(4)現有虛擬實驗平臺資源有限。我校從2006年開始陸續建設虛擬實驗平臺，平臺資源主要由機能虛擬實驗項目構成，雖然這些實驗項目對實驗教學起到了輔助作用，但是虛擬資源相對有限，缺乏與學生生活相關的趣味性內容，學生在課下的點擊率并不是很高。(5)學生在虛擬實驗課中缺乏溝通。虛擬仿真實驗對電腦軟件的依賴性大，久而久之，學生相互交流相對于傳統實驗模式有所減少，不利于學生團隊協作意識培養[6-7]。在前期的虛擬實驗課程中，我們采用一名同學操作一臺電腦的形式，學生間相互討論交流的機會較少，待回歸到傳統實驗操作時，同學間協作的默契性較差。

2 機能虛擬仿真實驗平臺的發展與完善

針對虛擬實驗平臺實踐中出現的問題，機能中心及時改進創新，在原有實驗平臺建設的基礎上，采取如下完善措施：(1)優化虛擬實驗內容：中心運用現代教育理念構建創新課程體系，增加綜合性實驗比例、增設了設計性實驗項目，新增如油酸性呼吸窘迫綜合征的發生與治療等9個綜合性實驗的虛擬實驗項目，實現3個學科(生理學、病理生理學、藥理學)實驗教學內容實質性的融合；并且開發3項人體機能虛擬實驗項目。至此，虛擬實驗平臺包括家兔、蛙、人的9大系統的18個實驗項目，實驗內容逐漸豐富。此外，為了開闊學生視野、提升知識水平，培養學生的創新能力和實踐能力，中心還積極將教師的科研成果引入教學，開發設計了如硫化氫對消化道平滑肌的影響等6項課外虛擬實驗項目。使學生能通過虛擬實驗項目了解科研最新動態，提高學生的科研素養，實現了科研和教學的相互轉化。(2)增加虛擬實驗儀器項目。為了滿足學生對高端儀器學習的愿望，讓學生們在實際使用前熟練掌握基本的操作技能，中心還請專業公司拍攝膜片鉗、流式細胞儀、PCR儀等高端實驗儀器，收集素材；由中心具有經驗的教師設計編寫實驗腳本；由公司進行虛擬實驗儀器的軟件制作。軟件仍然采用學生感興趣的游戲形式呈現，學生只有采用正確的使用方法才能游戲通關，界面仿真度高，人機交互性強。(3)國內首創應用模擬人服務于機能實驗教學。為了解決基礎醫學知識與臨床醫學知識教育脫節的問題，我們將臨床技能中心引進的美國METI生產的高級綜合模擬訓練系統 (Emergency care simulator，ECS)應用于機能實驗教學中。該系統利用計算機互動模型以及虛擬科技等模擬系統，模擬各種患者的生理及病理學特征，對所實施的各項操作產生相應的生理反應，并在相關的監護設備中顯示相應的生理數據，創建交互式教學情景，實現臨床真實場景下的治療。中心將基礎知識與臨床醫學課程相近的實驗內容進行融合，設計一些臨床表現與基礎知識相結合的典型實驗，通過腳本編寫、程序編輯、預試驗等過程，開發出10個模擬人仿真實驗項目。這些實驗項目具有高度安全性、高度仿真性、高度可控性、無任何風險等特點，實現了最大程度的虛擬仿真。(4)優化虛擬實驗平臺內容，提高學生參與興趣。通常情況下，一提到學習平臺，學生們就會覺得枯燥乏味，因此缺乏主動學習的興趣。為了增加學生對虛擬實驗平臺的關注度，中心增加了虛擬實驗平臺的內容。該平臺除了具有與課堂內容相關的虛擬動物實驗室、虛擬人體實驗室、虛擬儀器室外，還有虛擬資料室，學生在這里可以查閱教師上課的PPT課件、題庫、授課視頻等內容。此外，虛擬實驗中心還設立科普課堂，請專業教師講授將與生活相關的機能課程內容制作成視頻，力求知識趣味化、通俗化，比如緊跟社會熱點，制作了《霧霾—呼吸之殤》等一系列科普宣傳視頻，學生在進行科普教育的同時也學到了機能的相關知識，寓教于樂。將教師的科研成果應用在教學中，培養學生的科研素質和創新能力是我校教科研的指導方向。近年來，我校引導教師把科研成果轉化為科普講座，在虛擬實驗中心中設立學生第二課堂，在教學中分享教師科研工作的成果，加強學生科研素質、創新意識以及創新能力的培養，取得了一定成效，受到學生的歡迎。如基礎學院羅健東教授把教育部獲獎成果——辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及機制轉化為科普講座，藥學系袁牧教授結合自己主持研制的國家一類新藥萘哌地爾(國藥證字X20010136)項目作了新藥設計與構效關系的科普講座。這種科普講座不僅增加了醫學生對新技術、新成果的了解, 拓寬了他們的視野，也使學生對今后從事的醫學科研工作有了初步了解，逐步培養他們對科研工作的思維能力，這有利于學生進實驗室獨立開展課外科研活動，獲得良好的教學效果，也使得科研促進教學的內涵得到了豐富和延伸。(5)改變機能虛擬實驗授課形式。在機能虛擬實驗學選修課時，學生以小組為單位進行學習，教師只負責課堂組織，不負責解答學生的問題，有疑問時由各小組自行討論、查閱資料解決。

3 機能虛擬仿真實驗平臺的應用及體會

建設完善后的機能實驗平臺，已實現虛擬仿真實驗與真實實驗互補一體化，虛實并存，實為主體，以虛補實，虛實雙促的特色。以創新能力培養和素質教育為目標，全面推動實驗課程的全方位改革。

改進后的虛擬實驗平臺以公修課面向臨床醫學、口腔醫學、麻醉學、預防醫學、檢驗學、影像學和護理學等各專業本科生選修學習；并依托校園網，向全院的師生開放，學生和教師可以隨時隨地通過登錄校園網平臺進行學習，方便學生自主支配學習時間。該平臺在教學中的應用具有無可比擬的優點：虛擬實驗項目齊全，它不僅減少了資金的投入，而且減少了對實驗動物的需求，體現了人道主義精神。學生可反復通過實驗模擬進行課前預習和課后復習，為較好地避免操作失誤、提高實驗效率和減少不必要的實驗損失提供一個良好的平臺，大大減少了實驗動物的利用和資金的投入，解決了因學生人數增加而造成的實驗設備、場地和資金等不足問題。虛擬實驗儀器項目解決了高端科研儀器相對不足的狀況，又滿足了學生學習的愿望，提高了學生的創新意識；為學生了解高端科研儀器的基本使用方法、未來應用儀器及科研打下基礎；模擬人仿真實驗項目將基礎醫學和臨床醫學有效結合，使學生能夠用基礎的理論知識解決臨床現象，為學生進入臨床打下堅實的理論基礎；網絡視頻課堂內容豐富，趣味性強，緊跟社會熱點和科研前沿，提高了學生學習的主動性和創造性；改進后的虛擬實驗選修課方式，使學生可以通過討論、相互協作完成虛擬實驗項目，培養了學生協作意識。

每學期末我們都會給學生發調查問卷，了解學生對機能虛擬平臺的使用效果，調查結果顯示，對該平臺設計的滿意率為100%，類似玩游戲的實驗方式使學生感興趣的比例為100%；97.8%的學生認為能提高手術操作技能，98.6%的學生認為對避免實際操作中常犯的錯誤有很大幫助，93%的學生認為拓展了教學內容并使之更為生動，92%的學生認為提高了學習興趣和自主學習能力。

在我們虛擬實驗平臺建設實施的過程中也存在一些不足，比如，新開設的虛擬儀器和模擬人仿真實驗項目不是很豐富，沒能針對護理、檢驗專業研發一些專業性強的虛擬實驗項目，未來，隨著中心的不斷發展，虛擬仿真實驗平臺也會日益完善。

將現代化的教學手段服務于機能實驗教學，使機能的實驗教學不再是課堂理論的重復，而是學生主動學習和創新性學習能力培養的過程，是基礎理論和臨床技能整合的過程，是課內外知識延伸和拓展的過程，我校機能虛擬仿真實驗平臺的建設和完善對于機能的實驗教學是一個有益的探索和嘗試。