人體解剖生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中虛擬仿真教學(xué)方法的探討

閆承志 馬慧

摘 要：虛擬仿真教學(xué)是教育信息化與高校教學(xué)改革的趨勢(shì)，有助于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主判斷問(wèn)題和分析問(wèn)題的能力。為探討虛擬仿真技術(shù)在人體解剖生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用效果，借助生命科學(xué)學(xué)院省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，開(kāi)展人體解剖生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生通過(guò)課前預(yù)習(xí)、線上操作及考核模塊，完成實(shí)驗(yàn)規(guī)定內(nèi)容。教學(xué)效果評(píng)價(jià)說(shuō)明，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，采用虛擬仿真教學(xué)模式具有更好的成績(jī)區(qū)分度，其趣味性、可操作性及學(xué)習(xí)效果得到學(xué)生普遍認(rèn)可，教學(xué)滿意度較高，但課程內(nèi)容的豐富性及實(shí)驗(yàn)時(shí)限仍有待改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；人體解剖生理學(xué)實(shí)驗(yàn)；教育信息化；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-5072（2024）02-0218-06

人體解剖生理學(xué)是以人體各部分正常形態(tài)結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)規(guī)律為研究對(duì)象的一門科學(xué)，教學(xué)內(nèi)容包括理論和實(shí)驗(yàn)操作兩部分，涉及范圍廣、內(nèi)容抽象復(fù)雜，對(duì)知識(shí)的邏輯性和實(shí)踐性要求較高，其實(shí)驗(yàn)操作以實(shí)際訓(xùn)練為主，通過(guò)動(dòng)手操作將抽象難懂的理論知識(shí)形象化、具體化［1-2］。然而，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仍存在一些難題：人體標(biāo)本缺乏，由于經(jīng)費(fèi)有限，標(biāo)本價(jià)格昂貴，導(dǎo)致多年來(lái)標(biāo)本庫(kù)沒(méi)有得到有效補(bǔ)充和更新，限制了授課內(nèi)容；學(xué)生的主動(dòng)參與性較弱，學(xué)生只能隔著容器觀察，而不能動(dòng)手操作，更不具備局部解剖的可操作性，導(dǎo)致對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解仍然比較模糊；某些實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生具有一定的生理和心理負(fù)面影響，人體標(biāo)本通常保存在福爾馬林或苯酚溶液中，氣味刺鼻，具有一定的生理危害性，面對(duì)人體標(biāo)本時(shí)，學(xué)生心理往往比較抗拒［3-4］。此外，由于部分實(shí)驗(yàn)課程對(duì)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、試劑的要求較高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，因此有些教學(xué)項(xiàng)目至今無(wú)法開(kāi)展，無(wú)法滿足學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的需求，教學(xué)方式亟需改進(jìn)，而虛擬仿真技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)可以較好地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的局限性［5-6］。

虛擬仿真技術(shù)又稱VR技術(shù)，通過(guò)綜合計(jì)算機(jī)圖形渲染、傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互等，在虛擬環(huán)境中充分調(diào)動(dòng)人的各種感覺(jué)器官，具有良好的多感知性、浸沒(méi)感、交互性，是高等教育信息化建設(shè)的重要技術(shù)手段［7］。墨西哥醫(yī)學(xué)中心和衛(wèi)生中心的Lopez等［8］在“human neuroanatomy”教學(xué)中，將學(xué)生分為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)組和傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)一測(cè)試，結(jié)果顯示，采用虛擬仿真的學(xué)生更容易觀察到神經(jīng)組織的內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)，并能及時(shí)評(píng)價(jià)并得到反饋，因此平均成績(jī)也優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)照組。在傳統(tǒng)教學(xué)中，老師講解后，學(xué)生需完成自主觀察和繪圖，由于課堂時(shí)間有限，離開(kāi)課堂后，無(wú)法繼續(xù)觀察標(biāo)本。課堂教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)后，以圖片、動(dòng)畫示教的形式將典型的器官、組織制作成數(shù)字切片，避免了顯微鏡使用不熟練造成的費(fèi)時(shí)，而且擺脫了空間局限性，學(xué)生離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室后，仍可以繼續(xù)線上學(xué)習(xí)［9］。在臨床微生物學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)等課程教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，組織學(xué)生進(jìn)行抗酸染色涂片和閱片實(shí)際操作，并結(jié)合線下病例和圖片講解，不僅克服了疫情對(duì)教學(xué)的沖擊，而且促使教學(xué)資源豐富性和學(xué)生積極性得到了顯著提升［10］。借助學(xué)院省級(jí)生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，在2018級(jí)生物科學(xué)專業(yè)開(kāi)展了部分人體解剖生理學(xué)實(shí)驗(yàn)，取得了較好的教學(xué)效果。虛擬仿真不僅可操作性強(qiáng)、安全高效，而且可以突破傳統(tǒng)試驗(yàn)條件限制，不限重復(fù)操作次數(shù)。VR技術(shù)在增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，一方面可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的存在的難題，提高教學(xué)效率，另一方面可以節(jié)約經(jīng)費(fèi)開(kāi)支，減少實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的勞動(dòng)量。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象

選擇生命科學(xué)學(xué)院2018級(jí)生物科學(xué)專業(yè)2個(gè)班級(jí)共計(jì)72名同學(xué)參與虛擬仿真人體解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)，效果評(píng)價(jià)對(duì)比2017級(jí)生物科學(xué)專業(yè)80位同學(xué)。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)搭建

利用Unity3D、Visual Studio及Adobe Flash等工具，構(gòu)建人體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其主要功能架構(gòu)如圖1所示，包含解剖模塊、透視模塊、生理模塊、輔助模塊和考核模塊。解剖模塊強(qiáng)調(diào)鍛煉學(xué)生解剖操作的能力，無(wú)操作次數(shù)限制；透視模塊著重鍛煉學(xué)生的觀察能力，所有結(jié)構(gòu)均可360°旋轉(zhuǎn)；生理模塊是在結(jié)構(gòu)解剖的基礎(chǔ)上，便于學(xué)生更好地理解相應(yīng)生理過(guò)程；輔助模塊通過(guò)文字注釋、視頻講解及試題庫(kù)，幫助學(xué)生解答實(shí)驗(yàn)操作中的疑問(wèn)；考核模塊包含試題及實(shí)驗(yàn)操作兩部分內(nèi)容，用于考查學(xué)生的理論知識(shí)掌握情況及動(dòng)手操作能力。

搭建后的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，相比于傳統(tǒng)標(biāo)本，實(shí)驗(yàn)的安全性、重復(fù)性、可操作性及局解的空間限制得到顯著改善。虛擬仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)三維立體的系統(tǒng)解剖與局部解剖，圖像清晰，結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)組織或器官，即可展現(xiàn)透視及注解功能。

1.3 教學(xué)實(shí)施

實(shí)驗(yàn)課前一周，學(xué)生自主登陸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)（http：//210.41.192.4/virexp/prepare_login），在選課表中選擇已發(fā)布的對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的解剖，添加到個(gè)人實(shí)驗(yàn)庫(kù)。同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求提前進(jìn)行預(yù)習(xí)，包括實(shí)驗(yàn)步驟、理論注釋及視頻講解等。實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，教師負(fù)責(zé)重難點(diǎn)的講解、實(shí)驗(yàn)任務(wù)的發(fā)布及課程時(shí)間的把控，并在學(xué)生的具體操作中提供答疑。

1.4 課程考核

實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，學(xué)生需完成課程相關(guān)考核。考核內(nèi)容分為線下和線上兩部分：線下考核主要以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，占最終成績(jī)比例50%；線上考核包含在線測(cè)試及虛擬實(shí)驗(yàn)操作考核兩部分，在線測(cè)試占最終成績(jī)比例20%，虛擬實(shí)驗(yàn)操作占最終成績(jī)比例30%。

1.5 效果評(píng)價(jià)

問(wèn)卷調(diào)查：課程結(jié)束后，依據(jù)學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的認(rèn)可度和學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)展開(kāi)。面向2018級(jí)生物科學(xué)專業(yè)學(xué)生，采取匿名填寫方式，問(wèn)卷發(fā)放72份，收回72份，調(diào)查問(wèn)卷內(nèi)容主要包括趣味性、可操作性、內(nèi)容豐富性、實(shí)驗(yàn)時(shí)限、學(xué)習(xí)效果及整體滿意度等方面，學(xué)生針對(duì)教學(xué)效果（如操作性、趣味性及實(shí)驗(yàn)時(shí)限等）參與評(píng)價(jià)。評(píng)分采用五分制，其中：5分表示完全滿意，4分表示滿意，3分表示基本滿意，2分表示不滿意，1分表示完全不滿意。

2 結(jié) 果

2.1 考核成績(jī)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如表1所示，采取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)前，由于條件有限，2017級(jí)學(xué)生無(wú)法開(kāi)展人體標(biāo)本解剖，因此實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要依靠實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)定；相比于2017級(jí)學(xué)生，2018級(jí)學(xué)生的成績(jī)中除了包含傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告外，添加了在線測(cè)試及虛擬實(shí)驗(yàn)操作測(cè)試，考核內(nèi)容更全面，考核方法更客觀，區(qū)分度更強(qiáng)，有助于促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力和自主學(xué)習(xí)意愿的提高。

2.2 教學(xué)效果分析

針對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3所示，疫情大背景下，學(xué)生對(duì)于虛擬仿真線上教學(xué)模式比較認(rèn)可，學(xué)生整體滿意度較高，選擇完全滿意、滿意和基本滿意的占總體的94.4%（評(píng)分≥3）。這為復(fù)雜條件下開(kāi)展遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升教學(xué)質(zhì)量提供了一定的啟示和參考。

在滿意度的基礎(chǔ)上，針對(duì)教學(xué)的環(huán)節(jié)與學(xué)習(xí)效果進(jìn)行分析（表2）。80.5%的同學(xué)非常滿意或滿意虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的趣味性（評(píng)分≥4），除了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容真實(shí)性之外，類似游戲的沉浸感與交互性的場(chǎng)景體驗(yàn)也是學(xué)生感興趣的原因。高達(dá)95.8%的同學(xué)非常滿意或滿意虛擬仿真實(shí)驗(yàn)較強(qiáng)的可操作性（評(píng)分≥4），相比于只能觀察無(wú)法解剖的人體標(biāo)本，虛擬解剖更加專注于局解，每位同學(xué)均可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，可以無(wú)限重復(fù)操作，針對(duì)局解的器官組織，可以結(jié)合備注加深理解。此外，相比于真實(shí)標(biāo)本，虛擬仿真系統(tǒng)安全無(wú)味，可減少同學(xué)的心理和生理壓力。18.1%的同學(xué)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容表示基本滿意、不滿意或完全不滿意（評(píng)分≤3），主要在于內(nèi)容豐富性仍有待擴(kuò)展。學(xué)院目前已成功申報(bào)四川省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，結(jié)合國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)（http：//www.ilab-x.com/）內(nèi)容，將不同的系統(tǒng)解剖加以串聯(lián)，合并相應(yīng)的生理調(diào)節(jié)流程，提升后期實(shí)驗(yàn)多樣性及豐富性，將是下一步的主要工作。高達(dá)55.6%的同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)限基本滿意、不滿意或完全不滿意（評(píng)分≤3），主要認(rèn)為實(shí)驗(yàn)時(shí)限較短，學(xué)生課后可以繼續(xù)線上操作，但虛擬實(shí)驗(yàn)課時(shí)仍有待延長(zhǎng)，新版的教學(xué)大綱將予以改進(jìn)。94.4%的同學(xué)非常滿意或滿意虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果（評(píng)分≥4），主動(dòng)參與性更強(qiáng)，相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生由被動(dòng)的知識(shí)接受者和觀察者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)參與的操作者，無(wú)論動(dòng)手能力還是知識(shí)理解力均有明顯提高。

3 討 論

隨著知識(shí)信息化與科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)知識(shí)更新的速度［11-12］。在人體解剖生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中融入虛擬仿真技術(shù)，將其與傳統(tǒng)教學(xué)模式結(jié)合，既可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)效率，又可以克服傳統(tǒng)教學(xué)中資源短缺等問(wèn)題，在超額完成教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，還節(jié)約了教學(xué)成本與教學(xué)時(shí)間［13］。虛擬仿真教學(xué)是教育信息化與高校教學(xué)改革的趨勢(shì)，有助于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主判斷問(wèn)題和分析問(wèn)題的能力。虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用雖然還不夠成熟，但應(yīng)用前景十分廣闊，國(guó)家也在大力資助國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)的建設(shè)［14］。通過(guò)針對(duì)2018級(jí)學(xué)生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，學(xué)生的整體滿意度較高，比較認(rèn)可VR技術(shù)趣味性及操作性等，同時(shí)考核成績(jī)的方式變得更多樣，區(qū)分度也更高。然而，整個(gè)教學(xué)過(guò)程仍有許多問(wèn)題亟需解決。

首先，采用虛擬仿真系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)不代表拋棄傳統(tǒng)的教學(xué)模式。針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教育部提出“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”［15-16］。作為教師，需要把握好二者的平衡，不應(yīng)非此即彼，盲目追逐教學(xué)新模式和新方法。線下實(shí)驗(yàn)仍是實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的根基，在提高學(xué)生動(dòng)手能力和思維能力方面擁有不可替代的作用；而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是線下實(shí)驗(yàn)課程的有力補(bǔ)充，不能盲目放大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。教師不能忽略實(shí)驗(yàn)室中硬件設(shè)施的維護(hù)與完善，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的知識(shí)最終仍然要應(yīng)用于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作中［17］。因此，在后期實(shí)驗(yàn)安排中，將增添人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)本觀察，通過(guò)骨骼、骨骼肌和關(guān)節(jié)標(biāo)本的觀察，結(jié)合虛擬仿真的解剖操作，真正做到虛實(shí)結(jié)合，互相補(bǔ)充，提高學(xué)生的知識(shí)理解能力和實(shí)驗(yàn)操作能力。

其次，虛擬仿真技術(shù)的軟硬件系統(tǒng)仍亟需持續(xù)改進(jìn)。虛擬仿真技術(shù)通過(guò)三維建模技術(shù)構(gòu)建與人體器官完全相同的虛擬影像，滿足多人同時(shí)觀察人體結(jié)構(gòu)的要求，將操作對(duì)象與理論知識(shí)有機(jī)結(jié)合，將抽象的重難點(diǎn)形象、具體化。但目前也存在一些問(wèn)題，以我校生命科學(xué)學(xué)院為例，雖然已建立省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，但與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比較，目前開(kāi)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仍然較少，且具體到某一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，其豐富性也有待提升；此外，目前的操作仍以電腦操作為主，而非專業(yè)的VR頭盔與手柄操作，硬件仍需要持續(xù)升級(jí)；另外，針對(duì)授課老師的相關(guān)培訓(xùn)仍然不足，部分教師對(duì)虛擬仿真操作仍不熟練，定期的技能培訓(xùn)有助于滿足未來(lái)的教學(xué)需求。

最后，虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間較短，不論是技術(shù)還是人力資源方面都存在欠缺，想要獲得成熟的虛擬仿真應(yīng)用模式必然耗費(fèi)大量人力、財(cái)力［18-19］。一方面，技術(shù)研發(fā)過(guò)程需要與專業(yè)的技術(shù)公司合作，硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)都需要投入大量經(jīng)費(fèi)和精力；另一方面，平臺(tái)包含龐大的軟硬件設(shè)施，需要專業(yè)技術(shù)人員的定期維護(hù)，否則會(huì)因?yàn)閮x器設(shè)備損壞等影響師生的學(xué)習(xí)效果。因此，需要聘請(qǐng)專業(yè)人員予以維護(hù)，這也給虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)的實(shí)施帶來(lái)一定的困難，例如，在授課過(guò)程，可能存在因網(wǎng)絡(luò)帶寬、電力及軟件兼容等帶來(lái)的諸多問(wèn)題，如何在有限的課堂時(shí)間解決存在的技術(shù)問(wèn)題，仍需要技術(shù)公司的優(yōu)化。另外，教師也需要根據(jù)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)和學(xué)生的實(shí)際情況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并根據(jù)教學(xué)效果不斷修正、完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這個(gè)過(guò)程需要教師和學(xué)生不斷實(shí)踐、反復(fù)練習(xí)才能達(dá)到最佳教學(xué)效果。

總之，虛擬仿真教學(xué)作為一種新教學(xué)模式，在人體解剖生理學(xué)中的應(yīng)用仍處于探索階段，教學(xué)環(huán)節(jié)中的許多內(nèi)容仍有待完善，應(yīng)用的過(guò)程中也還需要克服各種困難與挑戰(zhàn)，但虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)課程相結(jié)合是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，兩者的結(jié)合一定會(huì)為傳統(tǒng)課程的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇。

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Exploration of Virtual Simulation Teaching Methodin Human Anatomy and Physiology Experiment：

A Case Study of China West Normal University

Abstract：As a trend of educational informationization and college teaching reform，virtual simulation teaching is helpful to improve students initiative in independent learning and develop students ability of judging and analyzing problems on their own.In order to explore the application effect of virtual simulation technology in the teaching of human anatomy and physiology experiment，several experimental teaching of human anatomy and physiology have been performed in the provincial teaching center of virtual simulation experiment at the College of Life Science.These students have completed the stipulated experimental content after previewing before class，doing online operation and finishing assessment module.The evaluation of teaching effect shows that compared with the traditional teaching model，virtual simulation teaching mode has better grade differentiation and its interestingness，operability and learning effect have received universal recognition of students.It has a high degree of satisfaction，but its richness and time limit still have room for improvement.

Keywords：virtual simulation technology；human anatomy and physiology experiment；educational informatization；experimental teaching；teaching reform