動物生理學虛擬仿真實驗在生物技術專業學生培養中的應用及其重要性

郭東光，陳明艷，孫國鵬，岳 鋒，朱艷平，張艷芳

新鄉學院生物工程學院，河南 新鄉 453000

虛擬仿真技術是一種基于計算機模擬的技術，該技術通過構建虛擬實驗環境、模擬實驗過程和結果，為學生提供一種更加安全、自主、個性化的學習體驗，從而提高學生的學習積極性和學習效果。然而，傳統的生理學教學模式以理論知識講解為主，開展實驗操作和探究學習的機會較少，甚至有些實驗難以在學校實驗室開展，學生難以真正理解并掌握生理學的知識和技能，也難以充分培養自身實驗操作和解決問題的能力。此外，傳統的生理學教學模式還存在實驗條件受限、安全風險高等問題，進一步限制了學生對生理學實驗的學習和探究[1]。

1 動物生理學虛擬仿真實驗的特點與優勢

動物生理學實驗涉及動物的取材、飼養、操作等多個環節，存在著實驗成本高、實驗風險大、操作難度大等問題。而采用虛擬仿真技術進行動物生理學實驗可以有效地彌補這些不足，該技術主要具有以下特點和優勢。

1.1 凝練和總結知識點

虛擬仿真實驗可以將動物生理學中復雜的生理現象、實驗操作等通過計算機圖像和聲音等形式直觀地呈現出來，使學生更加深入地理解和掌握其中的知識點。例如，在呼吸系統的教學中，教師可以設置多個實驗環節，包括肺活量測定、呼吸頻率測定、肺功能測定等，通過實際操作與仿真實驗的結合，讓學生更好地理解呼吸系統的結構和功能。

1.2 方便實驗設計和操作

以心電圖（ECG）實驗為例，傳統的ECG 實驗需要用到實驗動物（如小鼠、大鼠或兔子等），通過實驗操作記錄動物的心電圖，并進行數據分析。實驗過程中動物可能會發生受傷或者死亡，實驗操作容易受到環境和人為因素的干擾等。相比之下，虛擬仿真實驗可以提供更加靈活、可控的教學場景，教師可以自由設置實驗參數，如心率、心臟疾病模型等，模擬不同的實驗條件；學生可以通過虛擬實驗軟件進行實驗操作，記錄心電圖數據，并進行分析和解讀[2]。

1.3 模擬真實實驗環境

虛擬仿真實驗可以在不同的虛擬環境中模擬真實實驗環境，為學生提供視覺、聽覺和觸覺等多種感官體驗，讓學生身臨其境，從而更好地理解實驗過程和實驗結果。以胃液分泌實驗為例，傳統的實驗過程需要用到胃管等器材對實驗動物（如大鼠）進行胃液分泌實驗，過程繁瑣、操作復雜，且需要耗費大量的實驗動物。而通過進行虛擬仿真實驗，學生可以在虛擬環境中模擬胃液分泌實驗，不僅可以避免實驗動物的使用，而且可以模擬不同的實驗條件，如不同藥物的作用、不同的飲食環境等，讓學生更好地理解和掌握胃液分泌的原理及機制。

1.4 提高實驗安全性

虛擬仿真實驗可以提高動物生理學實驗的安全性，降低實驗中可能出現的風險和危險。傳統的實驗過程需要用到化學試劑、手術器械等器材，但這些器材的使用可能會對實驗人員造成傷害。而虛擬仿真實驗則可以在不使用這些器材的前提下完成實驗操作，避免實驗人員受到傷害。例如，在研究心臟的生理功能和病理機制時，需要使用電極對心臟進行電生理記錄和刺激，這項操作可能會對實驗人員造成傷害。而虛擬仿真實驗可以通過模擬心臟的電生理活動，讓學生了解心臟的生理功能和病理機制，同時避免實驗人員受到傷害[3]。

1.5 增加實驗重現性

讓學生可以反復進行實驗，并對不同條件下的實驗結果進行比較和分析。傳統的實驗過程往往會受到許多因素的影響，如實驗人員的能力和經驗、實驗器材的品質等，導致實驗的重現性較差。而虛擬仿真實驗可以減少這些因素的干擾，保證實驗的重現性。例如，在研究呼吸系統的生理功能和病理機制時，需要開展呼吸功能測試。傳統的實驗過程中，呼吸功能測試需要用到呼吸機、氣體分析儀等器材，而這些器材的狀態可能會對實驗結果產生影響，導致實驗的重現性較差。而虛擬仿真實驗可以在模擬實驗中減少這些因素的影響和干擾，保證實驗結果的可重復性[4]。

2 動物生理學虛擬仿真實驗的應用及其重要性

2.1 提高學生的實驗操作能力

一項針對大學生生理學實驗課程的研究表明，虛擬仿真實驗技術能夠有效提高學生的實驗操作技能和熟練度，增強學生的實驗設計和實驗思維能力。在這項研究中，研究者采用虛擬仿真實驗技術來輔助大學生的生理學實驗教學，結果表明，在使用虛擬仿真實驗技術之后，學生的實驗操作技能和熟練度有了明顯的提高，同時學生的實驗設計和實驗思維能力也得到了一定程度的加強。另一項研究比較了虛擬和實體實驗室在提高本科生對人類生理學理解方面的有效性，發現虛擬實驗室組在理解生理學概念并將其應用于現實情境的表現和實體實驗室組一樣好[5]。

2.2 增強學生的科學研究思維能力

生理學領域的一些研究表明，虛擬仿真實驗的應用可以更好地幫助學生理解和掌握科學研究的基本原理，并培養學生的科學研究思維能力。例如，在神經生理學中，虛擬仿真技術可以模擬神經元的活動過程，學生可以通過計算機軟件對神經元的活動過程開展模擬實驗，觀察神經元活動的變化規律，并進一步思考神經元活動對于生物體的生理功能和行為的影響，從而深化對神經生理學的理解和對神經生物學研究的認識。

另外一項研究探討了如何通過虛擬仿真實驗來培養學生的科學研究思維能力和實驗技能。在該研究中，學生通過虛擬仿真實驗進行實驗操作和數據分析，然后通過論文撰寫和演示的方式將其研究成果展示出來。結果表明，使用虛擬仿真實驗進行教學可以顯著提高學生的科學研究思維能力和實驗技能，并促進學生對生物技術領域的深入探索和理解[6]。

2.3 提高學生的實驗數據處理和分析能力

虛擬仿真技術可以模擬不同實驗條件下的實驗數據，并能將實驗數據以圖形或表格的形式呈現出來，促使學生更好地理解實驗數據的含義和分析方法。例如，在心血管生理學的教學中，通過虛擬仿真實驗，學生可以獲得大量的心電圖數據，這些數據可以用于研究心臟的電生理特性及不同疾病狀態下心電圖的變化。學生可以通過虛擬仿真實驗學習和掌握心電圖信號的處理及分析方法，如濾波、放大、時間和頻率分析等。同時，他們還可以使用數據處理軟件對心電圖數據進行定量分析，例如心率、QRS 波寬度、ST 段變化等指標的計算和比較。

3 動物生理學虛擬仿真實驗的局限性和未來發展方向

3.1 動物生理學虛擬仿真實驗的局限性

首先，虛擬仿真實驗無法完全模擬出真實實驗中的復雜情況。例如，在研究神經系統的生理功能和病理機制時，真實實驗需要考慮神經元之間的復雜相互作用、細胞內信號傳遞等復雜過程，而虛擬仿真實驗可能無法完全模擬這些過程。其次，虛擬仿真實驗可能無法完全代替真實實驗的實際操作體驗[7]。雖然規避了不利因素，但容易導致學生在實際中缺少應對困難的經驗。另外，虛擬仿真實驗可能無法解決某些特殊情況下的實驗問題。例如，在研究腫瘤的生長和轉移機制時，真實實驗需要考慮腫瘤細胞與周圍組織的相互作用和局部免疫反應等問題，而虛擬仿真實驗無法完全模擬這些情況。因此，在運用虛擬仿真實驗時，需要根據實際情況進行評估和選擇，盡可能克服其局限性，并在真實實驗的基礎上，進一步提高學生的實驗技能和實驗能力。

3.2 動物生理學虛擬仿真實驗的未來發展方向

隨著虛擬技術的不斷發展和應用，動物生理學虛擬仿真實驗的未來發展方向將更加廣闊。首先，虛擬實驗平臺的軟件技術和數據分析方法將會不斷更新和完善，以提高虛擬實驗的準確性和可靠性。其次，虛擬實驗平臺將會向多方面發展，包括多樣化的實驗樣本和場景、更加精細化的實驗操作和數據分析、更加便捷的數據共享和交流等。最后，虛擬實驗平臺將會與真實實驗相結合，形成完整的實驗教學體系，為學生提供更加全面和深入的實驗教學體驗。

4 結論

虛擬仿真實驗作為實驗教學方法之一，具有諸多優點和重要應用價值。虛擬實驗平臺可以提高學生的實驗技能、實踐能力和操作能力，拓展學生的實驗思維，提高學生的綜合素質和競爭力。同時，虛擬仿真實驗也存在著一些局限性，需要不斷完善和更新。因此，建議在生物技術專業課程中增加動物生理學虛擬仿真實驗的教學內容，將其作為實驗教學的重要組成部分，進一步加深學生對實驗知識的理解和記憶，進而提高學生的實驗技能和實踐能力。