虛擬實驗技術在生理學實驗教學中的應用與思考

施曉琳

（蘇州大學 江蘇 蘇州 215000）

生理學是研究人體正?；顒右幝杉皺C制的一門學科，與解剖學、病理學、藥理學等許多學科互相交叉，起到了橋梁和紐帶的作用，故生理學是高等醫學院校的重要基礎課程之一。生理學實驗是生理學的重要組成部分，通過實驗不僅可將抽象的概念與實驗結果聯系起來，幫助學生理解消化理論知識，還能培養醫學生的基本操作技能，提高解決問題的能力，提升創新思維。

伴隨著醫學教育的不斷改革發展，傳統實驗教學由于課程整合、實驗對象、儀器設備等諸多條件的限制，已經不能完全覆蓋生理學實驗的教學需求。而虛擬實驗的發展應用能在很大程度上彌補傳統實驗在客觀條件上的不足[1]。國內已有多所高校開始在生理實驗中探索發展虛擬實驗教學，教育部也提出要求高校要高度重視實驗教學與信息化的深度融合[2]。本文以蘇州大學為例進行說明，該校醫學院已建設完成相應的虛擬實驗教學平臺并投入使用，實現了將傳統實驗與虛擬實驗相結合的教學模式，在實驗教學改革中起到了巨大的作用。

1 傳統生理學實驗教學現狀

傳統生理學實驗的教學模式是根據教學大綱結合實際教學需求制訂教學日歷，課前由實驗技術人員準備好實驗所需的教室、實驗動物、儀器設備以及試劑耗材，在課堂上由教師講解相關理論知識，通過多媒體或者現場示教進行教學。學生將理論知識運用到實際操作中，并通過實驗結果反向驗證理論知識，從而加深對抽象概念的理解。但隨著醫學教育的不斷發展，傳統實驗教學的缺點也逐漸暴露出來：

1.1 實驗客觀條件限制

生理學實驗采用活體動物作為實驗對象，出于安全和保證教學質量的考慮，對實驗條件和場所有著較高的要求。實驗室面積要能容納一定數量的手術臺和實驗所需的儀器設備，確保每個實驗小組有足夠的實驗手術空間。同時實驗場所還要滿足不同實驗的特殊需求。例如神經干動作電位的引導，傳導速度和不定期的測定實驗，由于生物電信號比較微弱，容易受電磁干擾，所以實驗需要在電磁屏蔽的實驗室進行，才能獲得比較理想的實驗結果。另外，隨著實驗動物倫理學的發展成熟，有關動物福利的相關問題越來越受到關注，實驗動物的使用逐步規范，在品種、數量和質量等方面都受到了嚴格的限制，這也在很大程度上影響了生理學實驗教學的發展[3]。

1.2 教學資源的限制

一方面，隨著課程改革的深入，諸多醫學類院校將生理學實驗與其他關聯學科合并為綜合性實驗課程，生理學實驗課的課時數大大減少；另一方面，隨著醫學類院校擴招，學生人數增多，導致每個實驗教學班人數上升，但實驗室數量與開放時間有限，學生動手機會隨之減少。一旦實驗失敗，現有的教學資源也不足以支持學生重復實驗，導致了大部分生理實驗的“一次性”[4]。

1.3 實驗形式的單一性

生理學實驗絕大部分都是在實驗動物身上進行，通過人為地控制某些變量因素來重現動物身上正常生命活動的過程，通過儀器記錄實驗結果并加以分析研究。所以生理學實驗以驗證性實驗為主，學生按照實驗步驟完成實驗內容，通過實驗結果驗證理論課上所學的理論知識，鮮有創新性、開放性的內容，學生獨立思考的機會較少，同時也限制了教師和實驗技術人員的成長。

1.4 實驗嚴謹復雜，成功率低

作為最早開設的動物實驗課程之一，學生課前實驗經驗缺乏，操作基礎薄弱。而且由于生理實驗的抽象性，學生很難通過預習掌握實驗原理和步驟。且綜合性實驗手術難度高，設備軟件操作復雜，實驗過程困難重重，實驗成功率低，導致學生動手意愿消退，實驗積極性降低。

2 虛擬實驗的優勢

虛擬實驗是指借助于多媒體技術在計算機上營造一個逼真的具有視聽等多種感知的軟硬件環境，使學生在較為真實的環境中完成各種實驗項目。

2.1 打破實驗教學對客觀條件的依賴

虛擬實驗通過在計算機模擬的教學環境中完成實驗，不涉及任何實驗動物、儀器設備和試劑耗材。虛擬實驗室的開放打破了時間和空間的限制，學生可隨時隨地利用移動終端登陸虛擬實驗平臺進行實驗操作。一些操作因難度大、成本高且難以開展的實驗，也可通過虛擬實驗平臺向學生展示，大大豐富了實驗項目的多樣性，滿足不同層次的學生的實驗需求[5]。

2.2 將抽象概念具象化，提高學習效率

虛擬實驗能通過動畫等形式將實驗過程清晰有序的展示，將抽象知識可視化呈現，使教學過程更具趣味性。學生可以在虛擬實驗操作過程中了解實驗的原理和步驟，對于實驗中的重點難點提前關注，可以在傳統實驗中有效減少教師的講解時間，提升實驗成功率。

2.3 滿足實驗創新的需求

任何一門學科都不是獨立存在的，尤其是生理學，作為一門“橋梁型”學科，生理學與許多其他課程關系緊密，在醫學教育中起著承前啟后的作用。但由于教學配置等客觀原因，大部分課程的線下實驗課還是獨立進行。通過虛擬實驗技術可以實現跨課程綜合實驗，將生理學與解剖學、病理學等實驗課程根據教學需求融合創新，使課程更加整體化、系統化。

3 虛擬實驗平臺在教學中的應用

以蘇州大學為例，醫學虛擬實驗教學平臺由上海夢之路數字科技有限公司提供技術支持，目前涵蓋臨床醫學、基礎醫學、醫學技術等11個專業，內容包括解剖學、機能學、形態學等13大類別。其中機能學中包含基礎操作類，基礎實驗類以及綜合實驗類等總共99項實驗，生理學相關13項，數量種類基本與線下實驗課程齊平，為推進生理實驗教學改革打下了堅實的基礎。

3.1 虛擬實驗教學平臺作為預習和復習的工具，提升了學生對基礎概念的掌握

生理學是一門重要的基礎理論課，所有的知識點和結論均從實驗中獲得。然而大部分生理學實驗的結果并不能通過人的感官觀察到，需要通過儀器觀察記錄，導致生理學內容抽象難懂。且現實中生理學理論課與實驗課無法完全同步，導致理論課后不能及時銜接實驗課加以鞏固，或實驗課上沒有相應的理論知識支撐，使生理學學習更加困難。虛擬實驗通過動畫與視頻的講解，不僅能在課前幫助學生掌握實驗原理流程，也可在課后加深學生對于理論知識的理解，幫助總結實驗技巧與難點，與僅僅通過文字來進行預習復習相比，顯然要事半功倍[6]。

3.2 虛擬實驗作為示教工具，參與到線下實驗課中

在帶教導師示教實驗時，由于實驗人數眾多，往往只能照顧到某一個小組或者抽取每組的一名同學觀看；盡管在實驗過程中有教師和技術人員巡查指導，但由于實驗耗時長、難度大，教師無法同時顧及多組學生，大部分學生還是需要根據書本和教學視頻自己探索，容易產生畏難情緒。虛擬實驗平臺通過視頻加講解的方式，可以在實驗過程中精準指導學生的實驗進程。虛擬實驗演示的畫面有細節有整體，可以減少學生盲目操作，增強學生對實驗流程的掌控。而且學生可以通過反復觀看來更好地掌握實驗中的重點和難點，有效彌補了傳統示教中的不足。

3.3 虛擬實驗參與實驗成績評估，豐富實驗考核手段

在實驗考核中，除去線下實驗操作考試外，還可以抽取虛擬實驗作為考核項目，通過學生的模擬操作能力，更全面地判斷學生的操作水平以及對實驗的掌握程度[7]。不僅如此，還可以通過虛擬實驗平臺中學習次數、操作成績、實驗報告等后臺數據統計學生的平時成績，作為最終成績的參考[8]。

4 虛擬實驗的限制

虛擬實驗技術為生理實驗教學的改革和發展提供了新概念和新思路，相較于傳統實驗教學有諸多優勢，但現階段虛擬實驗的局限性使其并不能完全替代傳統實驗教學，虛擬實驗只能作為一個輔助手段參與生理學實驗教學[9]。

4.1 不能鍛煉學生的實踐動手能力

醫學生尤其是臨床類學生，未來會參與到各種手術中去，所以培養學生的實踐動手能力是實驗教學的重中之重。學生在生理學實驗課程中學習基本動物實驗操作技能，如手術器械的使用、各類動物的麻醉方法等，為后續的課程學習打下基礎。這些實驗技巧需要反復練習才能熟練掌握，這是現階段的虛擬實驗技術所不能提供的[10]。

4.2 不利于鍛煉應對變化的能力

在傳統實驗過程中經常會出現突發情況，需要學生根據理論知識結合實驗情況及時調整實驗進程。比如由于麻醉深度不夠，實驗對象在實驗中途醒來；比如在氣管插管時血凝塊堵住氣管造成實驗對象窒息；比如手術時意外破壞動脈后大出血等。突發情況的處理不僅能考驗學生利用理論知識和操作技巧解決實際問題的能力，還能鍛煉心理承受能力和抗壓能力，這些都是成為醫生必不可少的基本素質。而虛擬實驗是根據實驗結果預先設置的，實驗只能朝著單一的方向進行，很少有其他因素的干擾和影響。這不僅不能鍛煉思維能力，還有可能讓學生忽視活體動物實驗的復雜性和多變性，不利于學生養成謹慎、細致、科學的實驗態度。

4.3 不利于培養學生的團隊合作、協調、溝通能力

在生理學實驗課程中，通常將學生分為4-5人一個實驗小組，綜合性實驗需要小組中各個成員分工合作共同完成實驗任務，這不僅能鍛煉學生的溝通協調能力，還能在不同意見的碰撞中發散思維。學生遇到問題時也能通過和老師的交流來增強對實驗的理解。而虛擬實驗只需要在移動終端上單人操作，現階段還無法實現團隊合作的功能。

5 總結

虛擬實驗作為一種新型的實驗教學手段，在幫助學生掌握生理學基礎知識以及實驗操作要點上得到了廣大師生的廣泛認可。雖在培養學生操作能力上尚存在一些不足，但其靈活性和穩定性彌補了傳統實驗的空缺，特別是在疫情網課期間，虛擬實驗承擔了生理學實驗教學的主要任務，在很大程度上彌補了學生無法參與線下實驗的遺憾。在生理學實驗教學中，要正確處理虛擬實驗與傳統實驗的關系，采用傳統實驗為主、虛擬實驗為輔的“虛實”互補教學模式，通過兩者的配合來滿足生理學教學改革的發展趨勢和人才培養的實踐需要，從而更好地提高生理學實驗教學水平。