藥理學虛擬仿真實驗在信息化實驗室開放下的教學應用研究*

陳靖 許斌 王卉 李京

1 遼寧中醫藥大學教學實驗中心 沈陽 110847 2 遼寧中醫藥大學中西醫結合學院 沈陽 110847 3 遼寧省中醫藥科學院 沈陽 110847

0 引言

虛擬仿真實驗是指在計算機上借助算法、虛擬仿真現實等技術，創建相對獨立的多媒體教學的數字化交互的軟硬件操作環境，能夠再現傳統實驗的場景，部分甚至完全模擬實驗操作輔助，讓實驗操作者可以像在真實環境中一樣完成各種實驗項目[1]，這可以彌補傳統實驗教學中的一些不足，例如由于實驗本身的局限性而無法進行的實驗。復雜而危險的實驗和抽象的實驗過程，借助這種高度虛擬現實的仿真實驗教學環境，學習者可以身臨其境感受實驗操作的全過程，從而最大限度地提高學生對實驗課程的興趣，有助于培養學生的創新性思維和動手能力。同時，實驗可以隨時隨地進行，無設備損耗，與實驗室零距離接觸。長期以來，機能實驗室藥理學實驗的教學一直在線下進行，包括實驗準備、實驗動物、儀器儀表、藥物試劑等，以及手術程序和觀察項目的實施，但它在實驗項目開發中面臨的問題也日益突出。因此，筆者所在教學團隊嘗試在藥理學實驗中進行虛擬仿真實驗，以減少線下實驗的一些缺點。通過線上與線下相結合的方式和開放實驗室，可以增加學生學習的課時數，提高藥理學實驗的教學效果和質量。

1 線下藥理學實驗的弊端

1.1 線下實驗成本高、損耗比較大

機能藥理學實驗過程中涉及的實驗動物，如蟾蜍、小鼠、家兔等往往需要預約，尤其是在發生新冠疫情期間，動物實驗更容易受到影響，加上某些實驗設備造價昂貴，如醫學圖像分析系統，千分之一天平、生物信號一體機等，并且某些實驗器械儀器搭配的耗材易損壞，如手術器械、張力壓力換能器、麥氏浴槽、雙聯球等，造成了機能藥理學實驗的高成本、大耗損。

1.2 實驗過程復雜，手法操作不當導致成功率低

機能藥理學實驗中的實驗項目均為活體動物實驗或者是離體實驗，手術過程復雜且操作難度大，如離體組織的剝離、動物麻醉、血管插管、藥物配比量的控制、精密天平或其他高精密儀器的操作控制等。學生在實驗過程中大多是新手，第一次接觸藥理實驗，沒有實驗技術操作經驗，往往會因為操作的不規范、手法不熟練導致實驗的失敗甚至實驗儀器的損壞。

1.3 實驗課程時間有限、學生實際鍛煉機會少

由于場地、設施、課時和教師等因素，一些實驗項目無法開展。例如，一些復雜性綜合性實驗，需要多種設備聯合應用，而且需要學生提前設計，學生沒有課前對實驗儀器的認識，很難有對實驗過程和目的的深刻體會，并且多數實驗通常是分組進行的。有限的動物、有限的場地和有限的時間無法滿足每個學生動手操作的要求，導致一些學生無法充分參與實驗。

2 虛擬仿真實驗的必要性和優勢

為推動一流專業建設，實現高等教育的內涵式發展，2019年起教育部先后出臺了《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》，明確提出了要發展線上線下混合、虛擬仿真的“金課”，積極發展“互聯網+教育”、探索智能教育新形態[2]。經過幾年的發展，虛擬仿真實驗作為一種新的教學手段和方法,已被開始應用于高等醫學院校的實驗課程教學中。然而虛擬仿真實驗目前只是在課堂教學中使用較多，并且課程實驗數量非常稀少，學生缺少反復練習的機會以及對其他綜合性實驗練習的機會。

虛擬仿真的實驗內容不受場地、對象以及藥品試劑的制約，隨著虛擬實驗的開展，其在機能藥理學實驗教學中的優勢也能得到顯著體現。1）降低實驗費用，在虛擬實驗中，所有儀器設備、實驗動物、藥物試劑、手術器械等都可以自動回收并無限次使用，不僅節省了實驗動物，降低了耗材和大型儀器的成本，還降低了實驗室的建設成本。2）具有良好的替代性和豐富的實驗項目，對于一些在實際實驗教學中無法進行的高能耗、高成本、高風險的實驗項目（如體外組織實驗），學生可以在不考慮技能水平、成本、實驗對象等的情況下進行虛擬實驗。虛擬實驗中有許多實驗項目，操作者在看完教學視頻后，即可動手操作，并隨時可以保存復習，也可以根據實驗結合自身的實際情況調整教學速度，實驗內容的自主選擇大大豐富了實驗項目，不僅可以加深學生對知識的理解和鞏固，還可以大大拓寬學生的知識面。3）它可以增加學生的實驗機會。虛擬實驗可以由一個人和一臺機器獨立進行。它們可以反復重復和修改，以增加學生的實驗機會，確保學生掌握實驗方法；此外，平臺支持單機版和網絡版，支持多終端操作（手機、iPad、電腦端、一體機等），讓學生可以隨時隨地學習，不受限制。4）在有趣的虛擬實驗中，大量的三維圖片、動畫、視頻和其他材料被用來更生動地展示實驗。網絡的吸引力往往比枯燥的理論知識更受學生歡迎，這激發了學生對實驗的興趣，也培養了學生的實踐能力、運用大腦的能力和創新思維的能力。

3 實驗室開放的必要性和優勢

3.1 實驗室開放的必要性

隨著高校招生規模的擴大，在校生人數的增加，而學校配套的實驗室數量、生師比、實驗設備卻難以在短時間內實現匹配，這就出現線下實驗課進行時，只有極少數學生在實際操作，大部分學生處于觀望狀態，他們很少有機會親自操作，久而久之也習以為常，這很難達到實驗教學的目的，嚴重影響了實驗教學的質量。開放式實驗教學可以滿足學生在實驗課前后預習和復習的需要，通過實地導學、實物操作，可以加深他們感性認識，提高理解力和實踐能力，調動學生主動參與實驗教學乃至實驗設計的積極性，培養學生的創新能力。實驗室的開放還可以促進教學方法的改革，結合多種教學手段和吸納教師科研課題參與，充實實驗室開放的項目種類及水平，為學生進行課程知識和科研前沿探索搭建平臺，對于提升整體教學質量十分有必要。

3.2 實驗室開放的優勢

開放實驗室打破傳統實驗室封閉獨立的單元分離狀態，充分利用各自的設備和技術優勢實現資源共享，向實驗者提供便利開放的實驗室資源。通過開放實驗室，現有資源可以被充分調用，為實驗操作者創造方便可靠、自由度高的實驗環境，為學生提供更多的動手鍛煉機會，不僅使學生能夠充分理解實驗原理的理論知識，還能快速掌握實驗技能和方法。通過開放實驗室，學生可以在較短時間全面熟悉各種儀器設備，了解掌握其工作原理、操作流程，掌握各種實驗手段，提高創新性思維和實驗操作設計的主動性和創造性，進一步提升綜合分析和解決問題的能力，充分挖掘潛力，培養科學素養。

實驗室開放是高等學校開展實踐教學創新,加強實踐性教學環節,增強學生的創新能力和實踐動手的重要途徑，可以為學生提供更多實驗實踐的機會，通過實驗操作激活學生思維，提升學生創新實踐能力。在互聯網+時代，信息化的實驗室開放管理模式和方法將更有助于提高實驗室的創新的能力[3]，提高實驗室開放管理的效率，為培養學生鞏固新知、創新思維有重要意義。因此“以學生為中心”理念為主，培養學生自主學習能力，利用藥理學虛擬仿真實驗教學資源平臺（含綜合性實驗和教學資源庫）和信息化實驗室開放管理平臺系統，將能實現學生系統快速掌握多個藥理學實驗課程要點，逐漸形成進一步開展綜合性設計性實驗的能力，從而提高藥理學課程的學習效率和質量。

4 藥理學虛擬仿真實驗與實驗室開放結合

4.1 建立藥理學虛擬仿真實驗資源庫

虛擬仿真實驗教學平臺的建設需要建立廣泛的學科素材庫，通過校企合作，筆者所在教學團隊和重慶、四川、安徽等多家機能儀器設備廠家和軟件開發商建立良好合作關系，不僅獨立開發藥理學虛擬仿真實驗項目，還利用機能集成化信號采集與處理系統（一體機）配置的機能學仿真實驗教學系統作為機能學虛擬仿真實驗教學平臺的重要組成部分,其中藥理學虛擬仿真實驗素材庫已經初具規模,擁有“藥物對神經興奮性的影響”“藥物對家兔動脈血壓的作用”“乙酰膽堿對家兔動脈血壓的作用”等20 個虛擬仿真實驗項目，還包括3D虛擬實驗室和實驗室儀器設備介紹、實驗動物操作、實驗數據、數據統計、實驗報告及樣例、相關學習資源及課件、實驗自測多選題等諸多素材。

4.2 搭建信息化實驗室開放管理模式

順應互聯網教學的趨勢，創立具有遼寧中醫藥大學自主產權的信息化實驗室開放管理平臺系統，基于html 網頁框架結構，前后端語言程序實現信息化實驗室開放管理平臺系統開發，實現在線預約、審批模塊，實驗室設備二維碼管理模塊、學生開放實驗前自主測試學習模塊等[4],見圖1。

圖1 信息化實驗室開放管理流程

信息化實驗室開放管理可以鍛煉學生自主學習能動性，進入實驗室前先線上預約，預約成功后，在進入實驗室之前，必須先完成安全測試學習（視頻和學習資料），學習測試成功后方可進入，避免學生對實驗室安全知識和設備操作不了解，做到提前學習，主動學習。對實驗室設備信息事先采集入庫，采用二維碼方式，掃描即可顯示相關信息和操作教程，提高實驗室開放管理的可操作性和便捷性。

4.3 開展線上與線下實驗室開放結合的虛擬仿真實驗訓練模式

在搭建信息化實驗開放和建立藥理學虛擬仿真實驗平臺之后，我們擬開始從兩者結合應用的角度出發，加大虛擬仿真實驗在教學中的應用頻次和場景應用。

首先，在平時教學過程中，虛擬仿真實驗在線下教學中所占比例較小，往往都是在課堂教學中穿插進行，不能充分有效地滿足學生的操作需求。其次即便是在疫情防控期間，學校全部采用線上授課，但實驗操作依然有時間限制，并且僅僅限于上課的科目，仿真實驗的數量十分受限。因此，開展線上與線下實驗室開放結合的虛擬仿真實驗訓練模式將十分有必要，可以充分將線下教學和線上操作緊密結合，將學生的興趣和業余時間充分利用起來。

一方面，藥理學虛擬仿真實驗教學資源平臺可以搭建在機能實驗室的一體機上，通過架設無線局域網，實現數據互通，學生可以通過實驗室開放，利用課余時間，隨時預習和復習實驗課程，并結合上課的內容反復操練，不懂的地方可以在線咨詢實驗室老師。借助信息化實驗室，實現管理員審批、實驗室設備二維碼管理、學生與指導教師或實驗室管理員實時交互的功能。

同時，教研室在實施藥理學實驗的具體教學活動中，可以通過騰訊會議或者超星學習平臺結合線上虛擬仿真平臺方式開展藥理學實驗教學，將教學過程分解為三部分：第一通過騰訊會議或者超星學習平臺采用PPT/白板教學講解實驗目的、原理、實驗流程；第二通過藥理學虛擬仿真平臺，通過共享屏幕給學生演示實驗操作；第三通過共享屏幕，讓部分同學在虛擬仿真平臺獨立完成實驗操作，教師點評，學生互動提問題，同時對知識點進行總結。課后，學生通過賬號可以繼續登錄線上藥理學虛擬仿真平臺，反復練習，并可以自學其他實驗。

因此，借助前期開發的信息化實驗室開放系統，“以學生為中心”理念為主，培養學生自主學習能力，實現學生自主預約實驗室，在利用前期開發的藥理學虛擬仿真實驗教學資源平臺基礎上，進一步完善補充教學資源庫，開展信息化實驗室開放下的藥理學虛擬仿真實驗課程的自主學習，有助于倡導學生自主、合作、探究式學習以及師生間互動研討式教學[5]，不僅讓學生更好地理解課本知識，還能加強預習和復習的效果，可以促進實驗教學與理論學習。實現學生系統快速掌握多個藥理學實驗課程要點，有進一步開展綜合性設計性實驗的能力，從而提高藥理學課程的學習效率和質量。

實驗室是高校人才培養的重要支撐，是學科發展、科研成果產出的重要前提。當線下常規實驗課程已經不能滿足學生對實驗創新和創造的需要，這種通過虛擬仿真實驗結合實驗室的開放方式有利于發展創新和探索性實驗，培養創新創業人才。

線上與線下結合必將是未來發展的趨勢，因此，高校應積極推進虛擬仿真實驗結合實驗室開放進程，并將實驗室開放程度納入學校整個教育教學的總體評價之中。

開放實驗室可以為每個學生獨立完成實驗提供保障，滿足課程學習和個人發展的需要。其開放式管理模式可以滿足多種實驗教學模式，如綜合性設計性教學實驗、學生興趣小組專題訓練、大創研究練習等，虛擬仿真實驗結合開放實驗室有利于整合優化配置各類相關的教育教學資源，在共享的基礎上促進學生創新能力的提高，從而為提高教育教學質量提供堅實保障。