虛擬與現實結合模式在藥理學實驗教學中的應用

王 敏,王欣賞,張 鹍,李旭波,吳玉梅

(中國人民解放軍空軍軍醫大學藥學系藥理學教研室,陜西 西安 710032)

藥理學實驗是《藥理學》課程的重要組成部分,學生通過藥理學實驗課程的學習,可驗證抽象的理論知識,深化對藥理學理論知識的理解,掌握藥理實驗設計的基本原則和基本的實驗操作技能,培養分析和解決問題的能力[1-2]。然而,有些藥理學實驗因為操作步驟多,實驗技術要求高,傳統教學模式下實驗成功率不高,不能收到滿意的教學效果[3]。那么,如何提高實驗的成功率,有效培養學生的實驗操作技能,深刻掌握理論知識是亟須探討的問題。虛擬仿真實驗是通過虛擬仿真技術模擬真實的環境,以計算機為媒介,利用視頻學習、人機交互等方式,學生仿佛置身于真實的實驗環境中,通過運用各種虛擬機械設備對實驗對象進行虛擬操作,輔助完成藥理學實驗教學[4-5]。

為此,在以課件和示教操作的傳統教學的基礎上,本研究將虛擬仿真實驗技術引入藥理學實驗教學課程,探討虛擬與現實結合的授課方式是否可達到滿意的教學效果并分析其中的原因。本研究擬將虛擬與現實結合的授課方式用于實驗課程教學的可行性提供一個參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取空軍軍醫大學2019級五年制臨床醫學專業120名學生作為研究對象,隨機分為兩組,實驗組(60人)采用虛擬與現實結合教學,即學生先進行虛擬仿真實驗,然后通過線下實驗完成實操;對照組(60人)采用傳統方法進行實驗教學。其中,4人組成一個小組,每輪次60人,兩個授課輪次完成該研究。教材選用空軍軍醫大學自編教材《藥理學實驗指導》,授課教師均為同一教員,教學大綱、目標要求、教學時數均相同,所有研究對象對本研究均已知情同意。

1.2 研究方法

授課教師根據空軍軍醫大學《藥理學》課程安排的22學時教學內容進行實驗教學,實驗內容包括藥物對家兔血壓的影響、酚磺酞半衰期及分布容積的測定、藥物體外抗菌作用的測定、有機磷酸酯的急性中毒及解救等,本研究主要以藥物對家兔血壓的影響實驗為例,探討虛擬與現實結合教學模式的教學效果。

1.2.1 實驗組教學

實驗課前,虛擬與現實結合組按照要求進行2個學時的虛擬仿真練習,通過虛擬仿真系統學習實驗藥物對家兔血壓的影響,包括實驗目的、實驗原理的介紹,復習腎上腺素、去甲腎上腺素、酚妥拉明的藥理作用,分析其對家兔血壓的影響。通過觀看實驗操作示范視頻,熟知本次實驗流程及操作注意事項。然后按照實驗流程進行規范化的模擬操作,包括動物稱重、固定、麻醉、氣管插管、頸總動脈分離及插管、心電導聯、儀器設備連接以及血壓信號記錄等。模擬操作過程中設置問題,特別是操作比較難的氣管插管,動脈插管部分,通過回答問題的方式讓學生充分掌握實驗細節,跟蹤記錄每一步驟操作,實現動態錯誤糾正,直至解決實驗過程中的問題。模擬操作通過后,4人一組進行線下實驗操作。

1.2.2 對照組教學

實驗課前,傳統教學組按照要求進行2個學時的實驗預習。然后傳統教學組進行實驗教學,首先,教師講解實驗目的、實驗原理,以提問的方式復習腎上腺素、去甲腎上腺素、酚妥拉明的藥理作用。然后圖文形式講解整個實驗流程,包括動物稱重、固定、麻醉、氣管插管、頸總動脈分離及插管、心電導聯、儀器設備連接、血壓信號記錄等,特別強調手術操作的重難點及注意事項,然后示教頸動脈插管。講解結束后,學生4人一組進行實驗操作,教師仔細巡視,一旦發現錯誤及時糾正,提醒操作注意事項。

1.3 教學評估

1.3.1 動物實驗成功率

手術操作完成,儀器連接正確,壓力波形誘導成功后,通過耳緣靜脈分別給予腎上腺素、去甲腎上腺素、酚妥拉明后,采集到正確的波形信號視為實驗成功。

1.3.2 理論及操作考核

依據教學目標要求,考察教學中涉及的理論知識,手術操作的準確性、儀器設備使用的規范性,評價學生對本次實驗的掌握情況并給出相應的成績。成績總分為100分,其中理論知識部分40分,包括α、β受體的分布,受體激活或拮抗后的作用,腎上腺素、去甲腎上腺素、酚妥拉明的藥理作用及機制等;手術操作的準確性部分40分,包括動物稱重、麻醉、固定、備皮、耳緣靜脈注射、氣管插管、頸總動脈分離及插管等;儀器設備使用的規范性為20分,包括生物機能實驗系統軟件的應用、儀器的導聯以及信號輸入等。

1.3.3 問卷調查

采取無記名問卷調查的方式,要求學生對各自授課模式進行評分,內容包括提升學生主動學習的動力、增加對實驗原理的理解、激發對科研的興趣、促進小組成員之間的交流、強化安全意識5個方面的調查,每項均為20分,共100分。

采取無記名問卷調查的方式,評估兩組學生對實驗授課模式的主觀感受,了解學生對傳統實驗教學和虛擬與現實結合教學的滿意度,分為滿意、一般滿意以及不滿意。

1.4 統計方法

各組數據核對、整理收集后,錄入SPSS 22.0,考核成績采用(均數±標準差)表示,兩組數據采用t檢驗進行統計分析,當P<0.05則表示有統計學差異。

2 結果

2.1 實驗成功率的比較

成功的實驗不僅幫助學生理解抽象的理論,還可以增強學生的自信心。本次研究發現,傳統教學組實驗成功率為53.3%,顯著低于虛擬與現實結合教學組的86.7%,且實驗耗時也明顯高于虛擬與現實結合組,達不到教學要求,見表1。分析其原因,包括以下幾個方面:①耳緣靜脈注射失敗。最常見的是在血管不清晰或較細的情況下盲目進針,進針失敗后仍盲目給藥,導致血管周圍腫脹,再次穿刺困難。②動脈血管分離困難。在術中,分離頸總動脈時,造成小血管破裂,視野受限導致分離困難,更有甚者導致動脈血管破裂,家兔休克死亡。③頸動脈插管失敗。此為實驗的關鍵步驟,失敗原因包括動脈剪口太靠近近心端,插管前方被近心端的動脈夾擋住,不易操作;動脈剪口太深導致頸總動脈斷裂;剪口后,插管動作慢,插管前端血液流出凝固,動脈管壁塌陷,不易插入,血液凝固后壓力無法傳遞至感受器形成信號。④術后壓力信號微弱或無信號。失敗原因包括插管處血流不暢;換能器中含有氣泡,妨礙壓力信號的傳導。虛擬與現實結合組實驗則較為順利,雖然也遇到突發問題,但是組內可以較好地解決,這主要得益于他們前期的模擬操作,熟悉實驗流程及操作技巧。

表1 實驗成功率比較

2.2 實驗考核成績的比較

由于兩組學生實驗成功率及實驗耗時差距較大,為了找到其中原因,本研究對本實驗中涉及的理論知識、實驗手術操作、儀器設備使用的規范性三個方面進行考核,理論知識的掌握通過課后習題考核。結果顯示,在理論知識的掌握方面,傳統教學組成績(35.43±2.05)分,低于虛擬與現實結合組的(38.63±1.53)分;實驗手術操作的準確性方面,傳統教學組成績為(22.64±3.47)分,明顯低于虛擬與現實結合組的(36.51±1.94)分;儀器設備使用的規范性方面,傳統教學組成績為(10.56±2.14)分,也顯著低于虛擬與現實結合組的(17.85±1.62)分,見表2。可以看出,在理論知識的掌握方面,兩組學生成績雖然有差異,但不明顯,說明兩組學生均已基本掌握相關理論知識。在實驗操作準確性和儀器設備使用規范性方面,傳統教學組得分明顯低于虛擬與現實結合組,這說明虛擬與現實結合組實驗操作技巧更好,可能因為他們通過虛擬仿真實驗系統模擬操作過整個實驗流程,對操作細節有充分的掌握。而傳統實驗組是通過課前預習,課上教師講解實驗流程和注意事項,觀摩示范操作頸動脈插管,然后開始動物實驗。傳統實驗組在實驗手術操作準確性和儀器設備使用規范性的考核成績偏低,可能是因為學生觀摩位置有限,部分學生看不清,導致無法較好理解、掌握實驗操作的細節和要領,后續實驗中也可能由于手術操作的失敗導致實驗無法順利進行。

表2 理論與操作考核成績分)

2.3 不同教學模式的評分對比

在考察完學生對理論和實驗操作的基礎上,通過無記名問卷調查學生對本次實驗授課是否能提升主動學習的動力、增加對實驗原理的理解、激發對科研的興趣、促進小組成員之間的交流、強化安全意識五個項目進行評分,每個項目20分。發放調查問卷120分,收回120分,回收率100%。通過表3可見,虛擬與現實結合組5個項目的得分均高于傳統教學組,這說明學生更滿意虛擬與現實結合的教學模式。提升主動學習的動力方面,虛擬與現實結合組(19.53±0.59)分明顯高于傳統教學組的(14.31±3.34)分,主要體現在虛擬仿真系統不受實驗試劑,動物和場地的限制,學生可以在網絡平臺自主學習,模擬操作,還有相關的闖關游戲,增加學習的趣味性。增加對實驗原理的理解方面,虛擬與現實結合組(18.62±1.47)分明顯高于傳統教學組的(13.64±3.05)分,主要體現在虛擬仿真系統將復雜抽象的內容具體化和直觀化,學生可以直接看到給藥后家兔的血壓走勢和變化,而且虛擬與現實結合組通過實驗成功驗證給藥后,家兔血壓的變化與虛擬仿真實驗看到的一樣,進一步加深對實驗原理的理解。激發對科研興趣方面,虛擬與現實結合組(18.27±1.15)分明顯高于傳統教學組的(12.98±2.40)分,體現在學生可以自己登錄虛擬實驗平臺,提出問題,設計實驗,充分發揮他們的自主能動性,教師只需在旁輔導,更好體現以學生為中心的教學理念。促進小組成員之間的交流方面,虛擬與現實結合組(19.35±0.55)分明顯高于傳統教學組的(14.49±2.55)分,虛擬與現實結合組每個人都在虛擬仿真系統中進行了訓練,熟知實驗步驟和技術操作要領,對整個實驗流程心中有數,所以在實驗操作時,小組成員之間配合更為默契,交流更加有效,小組之間的氛圍也更為輕松。強化安全意識方面,虛擬與現實結合組(19.41±0.43)分,傳統教學組(18.90±1.03)分,兩組之間沒有明顯差異,說明不論哪種授課模式下,教師強調的安全意識都已融入實驗操作中。

表3 不同教學模式的評分分)

2.4 教學滿意度對比

通過無記名調查問卷考查學生對授課模式的滿意度,發放調查問卷120份,收回120份,回收率100%。與傳統教學組相比,虛擬與現實結合組對本次實驗教學的滿意程度更高,如表4所示。傳統教學組中,21名學生表示滿意,24名學生表示一般滿意,15名學生表示不滿意。分析原因可能是傳統教學組學生實驗成功率較低,有的組課程結束時,實驗沒有順利完成,氣管插管、動脈插管等操作耗時太久,出現急躁情緒,影響滿意度。以上結果提示,傳統實驗教學的授課模式學生滿意度不高,亟待改進。虛擬與現實結合組結果顯示,56名學生表示滿意,4名學生表示一般滿意。分析原因可能緣于實驗成功率較高提升了學生的滿意度,但必須看到虛擬操作和實操依然存在差別,實操中可能會出現一些意外情況,如實驗動物對藥物反應的個體差異等需要處理,造成部分學生的滿意度不高。

表4 教學滿意度比較[n(%),n=60]

3 討論

藥理學實驗是學生通過實驗操作認識藥物與機體相互作用及其作用機制的重要手段,是應用實驗操作驗證基本理論知識及某些藥理現象的根本,是培養學生理論聯系實踐的能力,動手能力,科研思維能力的基礎[6-7]。藥理學實驗教學需要不斷更新觀念,緊隨日益發展的科學技術,運用虛擬仿真技術克服傳統實驗教學中存在的一些問題,提高實驗教學的教學質量,達到培養創新性人才的要求[8]。通過對本次實驗結果的分析,虛擬與現實結合授課模式的優勢主要體現在以下幾個方面。

3.1 提高課前預習的有效性

學生對虛擬與現實結合的授課模式評價比傳統教學模式好,特別體現在課程前的預習上。因為學生可以通過虛擬仿真實驗,利用多種手段,將復雜抽象的內容條理化、直觀化和模塊化,有助于明確學習目標,理解實驗原理,熟悉實驗流程,掌握復雜程度較高、難度較大的實驗技術,達到課前預習的目標。以虛擬仿真實驗為基礎,基于學生較好的預習效果,在藥理學實驗課堂上,結合教師的講解與實際操作,幫助學生掌握實驗技術,提高實驗成功率,有利于教學質量的提高,本研究結果中學生對虛擬與現實結合授課模式滿意度的反饋情況也得到直觀地反映。而傳統模式下學生對預習感到枯燥乏味,缺乏興趣,不利于調動學生的主觀能動性,對后續的實操造成影響。

3.2 提高課中實驗的成功率

由于學生在課前已經通過虛擬仿真實驗系統進行了有效訓練,熟悉實驗流程并掌握復雜操作如動脈插管中的細節和難點,實操時可有序開展。對于實驗中復雜的操作和遇到的突發問題,大部分學生可以自己解決,增加學生實驗過程中的主體性[9]。教師只需要在學生遇到困難時旁加指點即可,改變了傳統實驗教學中“以教師為中心”的教學模式[9-10]。同時,可培養學生的實驗技能及動手能力,極大激發學生們的科研思維和科研興趣。

3.3 提高課后學生自主設計課題的興趣

運用虛擬與現實結合的教學模式,學生不僅在本次實驗課中表現優秀,而且課后完成實驗報告時,會認真分析本次實驗的重點、難點,成功及失敗的原因,并提出改良方案。一部分學生通過對本次實驗的理解,提出科學問題并自主設計出很多探索性實驗,這是對學生科研思維培養的最好體現[11]。藥理學是一門實驗性學科,鼓勵學生提出科學問題設計實驗方案,并通過虛擬仿真系統進行模擬練習,最后由教師確定安全可行的實施方法進行線下實操,組織全班學生進行討論,分析實驗成功或失敗的原因,培養科研思維[12]。這一過程凸顯了學生的主體地位,學生分析解決問題的能力,探索創新的能力均得到提升,形成了良好的科研思維和科研習慣,同時對于教師也是一種提升,達到了教學相長的目的[13]。

虛擬仿真實驗技術可以模擬逼真的實驗儀器設備和實驗場景,解除了傳統藥理實驗時間和空間限制,滿足學生隨時做實驗的需求[14],但由于虛擬實驗提供了一個完美的實驗環境,無法反映真實實驗的復雜性,使學生缺乏對科研實驗的真實性體驗;結合現實的正式實驗,可給學生一個真實的實驗環境,鍛煉其動手能力和團隊協作能力,這種虛擬與現實結合的授課模式互相補充,相輔相成,發揮各自的優勢,促進二者共同發展[15-17]。我們還在酚磺酞半衰期及分布容積的測定、藥物體外抗菌作用的測定、有機磷酸酯的急性中毒及解救等多個實驗教學中,均發現虛擬與現實結合的授課模式應用效果較傳統教學模式效果好。綜上所述,虛擬與現實結合的授課模式可在藥理學實驗教學中合理應用,以提高實驗教學的質量。