虛擬仿真系統在高職藥理學實驗中的應用*

李子玄 江增宏 陳天宇 盧佳佳

合肥職業技術學院醫學院,安徽省巢湖市 238000

目前,我國教育信息化不斷深入,醫學虛擬仿真技術也取得了較大進步,在新一輪職教改革的浪潮中,虛擬仿真教學嶄露頭角,并逐漸成為重要的引領技術之一。國外高校如麻省理工學院、英國開放大學等憑借信息技術的快速發展,紛紛建立虛擬仿真實驗平臺,不斷探索實驗教學理念、模式、手段的變革[1]。國內高校借助虛擬仿真技術,也在進行全方位、多層次的教學革新。

高職醫學院校中藥理學是一門重要的橋梁學科,它連接著基礎醫學和臨床醫學,同時藥理學也具有很強的實驗屬性,實驗教學在醫學專業學生的培養中占有重要地位,但部分實驗教學難以在傳統的實驗室為學生開展,在一定程度上影響了創新型、應用型醫療人才的培養。為了提高實驗教學的質量和水平,突破傳統實驗教學的弊端,藥理學實驗教學迫切需要改革創新。隨著醫學虛擬仿真系統的開發,藥理學實驗可以探索開展虛擬仿真教學,創新實驗教學模式[2-3]。

1 傳統藥理學實驗窘境

1.1 難以觀測到微觀層面 藥理學屬于生命科學,藥理學中大多數藥物要進入機體內并與相應受體結合,發揮調控能力,但這些藥物調控過程普遍是在細胞分子水平上完成的,傳統的宏觀實驗無法觀察到受體接受藥物調控的微觀過程,學生學習起來感到很抽象,難以理解,因此限制了實驗效果和教學質量。

1.2 不符合“3R原則”傳統藥理學實驗存在大量的重復教學,醫學院校中絕大部分專業都開設了藥理學課程,因此每年傳統藥理學實驗都要用到大量實驗動物,動物的價格較高,學校實驗支出資金緊張。如牛蛙、小白鼠、家兔等實驗動物不僅價格昂貴,而且從實驗動物倫理保護角度而言,僅僅出于教學目的而大量殘殺動物,不符合“3R原則”[Reduction(減少)、Replacement(替代)和Refinement(改進)][4]。

1.3 實驗藥品問題 傳統藥理學實驗用的麻醉類和精神類藥物屬于管制藥品,一方面購買不方便,有諸多限制;另一方面在實驗室保管上也存在安全風險。在家兔麻醉過程中,使用的20%烏拉坦溶液可通過呼吸道進入體內,該藥物是可疑的人類致癌物,健康危害為藍色等級。

1.4 部分實驗難以實現 在傳統藥理學實驗中,有些實驗時間跨度太長,有些實驗存在一定危險性,還有一些實驗對于實驗環境要求苛刻,導致實際教學中難以開展。因此,針對以上傳統藥理學實驗教學的種種困難,創新教學方式勢在必行,借助現代虛擬仿真實驗技術,開展虛擬仿真實驗教學是一種積極探索。

2 藥理學虛擬仿真實驗的應用

2.1 應用方法 研究對象：選擇我校高職三年制2020級康復專業3、4、5、6班共計146名學生,高職一年級第二學期。在第一學期學習過《生理學》和《人體形態學》等基礎醫學課程,有一定的醫學基礎。教材選用王開貞、李衛平編著的《藥理學》(人民衛生出版社,2020年10月第8版)。虛擬仿真實驗教學平臺：我校與成都某公司共同建設的VMC-100醫學虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺內容主要為機能實驗教學,包含生理學和藥理學的基礎實驗,可以通過電腦和手機端口訪問,既方便線下統一考核,又方便學生自主學習。實驗教學模塊中包含實驗原理、實驗動物、實驗設備和實驗器械的介紹,學生可以詳細了解實驗的理論知識。教學模塊核心是模擬實驗操作的過程,學生通過一步一步的操作流程虛擬還原傳統的操作步驟,此外虛擬仿真實驗系統獨有的實驗波形模擬和標記對比等功能可以將抽象內容圖形化、圖表化。目前我校開展的藥理學虛擬仿真實驗項目主要為綜合性實驗,如強心苷對離體蛙心的影響、尼可剎米對家兔呼吸運動的影響、藥物對家兔動脈血壓的影響、影響尿生成的因素及利尿藥物等。實驗教學中圍繞實驗目的、實驗原理、實驗對象、藥品及器械、實驗方法與步驟為中心進行展開,并且包含實驗觀察、注意事項和思考題三個方面進行啟發教學。此外還包含機能實驗考試功能,加入了11個模擬實驗的考試評分系統,學生可以進行模擬步驟的考試測驗,教師可以通過平臺了解學生的掌握情況。

教學過程：首先由教師講解實驗目的、實驗材料、實驗原理和實驗對象,再結合系統中預先準備的實驗視頻講解實驗步驟和注意事項,然后學生利用手機通道登錄虛擬仿真實驗中心,依次學習簡介、原理、視頻,再進行虛擬仿真操作,最后完成考試。以藥物對家兔血壓的影響實驗為例,先通過實驗簡介了解心血管活動的藥物對血壓的作用知識后,再進入到虛擬仿真實驗的模擬操作中,通過步驟引導式的訓練方法,在工具選擇和知識點考核環節中,充分發揮學生自主思考和探索能力,完成實驗操作后,在波形演示中自由選擇藥物或干擾處理,觀察生物機能的波形變化,掌握藥物的藥理作用。最后在實驗成績報告中回顧課程內容,提交成績后由平臺統一管理。

2.2 效果評價 對藥理學虛擬仿真實驗教學應用的評價主要通過學生座談和問卷調查的形式進行。召集實驗班級的146名同學進行座談,了解學生們對于虛擬仿真實驗的感受,并且通過問卷星軟件進行問卷設計和發放,最終發放146份問卷,回收146份,回收率100%,其中146份有效,0份無效。

2.3 結果 問卷調查結果見表1。

表1 虛擬仿真實驗問卷調查(n=146)

3 虛擬仿真實驗教學的優勢和展望

3.1 虛擬仿真實驗教學的優勢 虛擬仿真實驗激發了學生們的學習興趣,其天然具備新技術、新模式的屬性,對于高職學生來說具有獨特的吸引力,其中的人機交互、場景還原和動畫演示,讓學生更愿意去了解和學習,從視覺和聽覺上幫助學生在腦中更容易構筑形象的知識內容。系統中包含的考核模塊,可以自動完成對學生的操作打分,實驗環節層層遞進,類似于一個個關卡,學生通過不斷闖關獲得獎勵,從而達到最終目標,充分培養了學生的創新思維[5]。

虛擬仿真實驗能很好連接教師的理論講解和學生的實際操作。通過虛擬仿真實驗反復練習,加強細節操作,能有效提高學生的成功率和自信心[6]。傳統實驗中教師往往難以解決圍觀式教學難題,應用虛擬仿真系統每個同學都可以在系統中全面對實驗的細節進行反復觀察,并且教師也可以通過系統中設置的考核,了解學生們的薄弱點,進行針對性加強。虛擬仿真實驗教學擁有傳統實驗教學無法匹敵的優勢,學生可以通過手機跨越時間和空間的限制隨時完成課前預習、課中學習和課后復習的任務,為信息化教學提供多樣化的選擇[7]。

3.2 展望 在本次研究中,可以看到雖然虛擬仿真實驗有很大優勢,但是目前依舊無法完全替代傳統的實驗教學,通過與學生們的座談,筆者認為虛擬仿真實驗應該在如下幾點進行加強：第一,提高仿真程度。我校與軟件公司合作建設的VMC-100醫學虛擬仿真實驗教學平臺目前資源量較少,虛擬仿真的實驗也比較簡陋,主要還是以動畫的形式呈現,仿真程度比較低,學生缺乏實操的真實感。因此,可以開發更高清的實錄視頻,給出更多的實驗分支結局,增加實驗動物的隨機性反應,補充微觀變化的動畫演示,從而提高軟件仿真程度。第二,增加更多交互方式。目前虛擬仿真實驗中的交互方式比較簡單,主要以圖片選擇題形式出現,部分學生只是通過不斷嘗試,排除錯誤選項。因此,有必要增加更多的交互方式,例如引入VR、AR等技術,利用三維的模擬技術,增加一些力反饋技術,全面提高學生的實操水平,鍛煉學生的操作手法。同時也要增加更多的實驗分支操作過程和結果,學生可以在錯誤分支中總結經驗,調動學習興趣和積極性,提高實驗成功率。第三,加強系統共同開發。虛擬仿真系統的開發需要軟件公司和一線教師共同合作,割裂、閉環的系統生態無法適應當今的教學要求。目前的虛擬仿真實驗仍舊存在教學需求和系統內容支持不匹配,例如一線教師需要的評價體系未能健全,更無法為學生提供個性化的培養,以及醫學實驗中學生需要鍛煉的操作能力,其中的關鍵應該是能力反饋技術也非常缺乏。因此由一線教師反饋實際教學中的意見,再由軟件公司進行針對性的優化,才能不斷加強虛擬仿真實驗系統的實用性[8]。

綜合以上情況來看,虛擬仿真系統在高職院校藥理學實驗中有著廣闊的應用前景,更多的教師應該積極嘗試新技術,改變傳統的教學方式,并且進一步深度地應用和探索,為學生提供更加多元化的學習方式,更加豐富的教學內容,提高學生學習積極性,培養學生的創新思維,逐步完善藥理學實驗教學新模式,完成職業教育改革賦予的使命。但是,我們也要了解虛擬仿真系統目前存在的問題,明白“仿真”并不等于“真實”,不能用虛擬仿真實驗完全替代傳統實驗。因此,需要進一步探究“虛實”結合的新模式,增加一部分傳統實驗無法開展,卻又非常重要的內容,減少一些傳統實驗浪費嚴重、危險性大的內容。“以實為主、以虛為輔,實虛結合”,不斷優化實驗模式,不斷完善評價體系,推進高職藥理學實驗創新發展,不斷提高教學質量,為社會提供更優秀的醫學人才。