人體解剖生理學實驗中虛擬仿真教學方法的探討

閆承志 馬慧

摘 要：虛擬仿真教學是教育信息化與高校教學改革的趨勢，有助于提高學生自主學習積極性，培養學生自主判斷問題和分析問題的能力。為探討虛擬仿真技術在人體解剖生理學實驗教學中應用效果，借助生命科學學院省級虛擬仿真實驗教學中心，開展人體解剖生理學實驗教學，學生通過課前預習、線上操作及考核模塊，完成實驗規定內容。教學效果評價說明，與傳統教學模式相比，采用虛擬仿真教學模式具有更好的成績區分度，其趣味性、可操作性及學習效果得到學生普遍認可，教學滿意度較高，但課程內容的豐富性及實驗時限仍有待改進。

關鍵詞：虛擬仿真技術；人體解剖生理學實驗；教育信息化；實驗教學；教學改革

中圖分類號：G420 文獻標志碼：A文章編號：1673-5072（2024）02-0218-06

人體解剖生理學是以人體各部分正常形態結構和生命活動規律為研究對象的一門科學，教學內容包括理論和實驗操作兩部分，涉及范圍廣、內容抽象復雜，對知識的邏輯性和實踐性要求較高，其實驗操作以實際訓練為主，通過動手操作將抽象難懂的理論知識形象化、具體化［1-2］。然而，在傳統的實驗教學中，仍存在一些難題：人體標本缺乏，由于經費有限，標本價格昂貴，導致多年來標本庫沒有得到有效補充和更新，限制了授課內容；學生的主動參與性較弱，學生只能隔著容器觀察，而不能動手操作，更不具備局部解剖的可操作性，導致對教學內容的理解仍然比較模糊；某些實驗對學生具有一定的生理和心理負面影響，人體標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，面對人體標本時，學生心理往往比較抗拒［3-4］。此外，由于部分實驗課程對儀器設備、實驗動物、試劑的要求較高，導致實驗經費投入遠遠超出預期，因此有些教學項目至今無法開展，無法滿足學生對課程知識的需求，教學方式亟需改進，而虛擬仿真技術以其獨特優勢可以較好地解決傳統實驗課教學的局限性［5-6］。

虛擬仿真技術又稱VR技術，通過綜合計算機圖形渲染、傳感器技術、仿真技術、多媒體技術、人機交互等，在虛擬環境中充分調動人的各種感覺器官，具有良好的多感知性、浸沒感、交互性，是高等教育信息化建設的重要技術手段［7］。墨西哥醫學中心和衛生中心的Lopez等［8］在“human neuroanatomy”教學中，將學生分為虛擬仿真實驗組和傳統教學對照組，實驗結束后統一測試，結果顯示，采用虛擬仿真的學生更容易觀察到神經組織的內部立體結構，并能及時評價并得到反饋，因此平均成績也優于傳統教學對照組。在傳統教學中，老師講解后，學生需完成自主觀察和繪圖，由于課堂時間有限，離開課堂后，無法繼續觀察標本。課堂教學中引入虛擬仿真技術后，以圖片、動畫示教的形式將典型的器官、組織制作成數字切片，避免了顯微鏡使用不熟練造成的費時，而且擺脫了空間局限性，學生離開實驗室后，仍可以繼續線上學習［9］。在臨床微生物學檢驗技術等課程教學中引入虛擬仿真技術，組織學生進行抗酸染色涂片和閱片實際操作，并結合線下病例和圖片講解，不僅克服了疫情對教學的沖擊，而且促使教學資源豐富性和學生積極性得到了顯著提升［10］。借助學院省級生物學虛擬實驗教學平臺，在2018級生物科學專業開展了部分人體解剖生理學實驗，取得了較好的教學效果。虛擬仿真不僅可操作性強、安全高效，而且可以突破傳統試驗條件限制，不限重復操作次數。VR技術在增加學生學習興趣的同時，一方面可以克服傳統實驗教學中的存在的難題，提高教學效率，另一方面可以節約經費開支，減少實驗準備的勞動量。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

選擇生命科學學院2018級生物科學專業2個班級共計72名同學參與虛擬仿真人體解剖實驗教學，效果評價對比2017級生物科學專業80位同學。

1.2 虛擬仿真實驗搭建

利用Unity3D、Visual Studio及Adobe Flash等工具，構建人體虛擬仿真實驗系統，其主要功能架構如圖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。解剖模塊強調鍛煉學生解剖操作的能力，無操作次數限制；透視模塊著重鍛煉學生的觀察能力，所有結構均可360°旋轉；生理模塊是在結構解剖的基礎上，便于學生更好地理解相應生理過程；輔助模塊通過文字注釋、視頻講解及試題庫，幫助學生解答實驗操作中的疑問；考核模塊包含試題及實驗操作兩部分內容，用于考查學生的理論知識掌握情況及動手操作能力。

搭建后的虛擬仿真實驗系統如圖2所示，相比于傳統標本，實驗的安全性、重復性、可操作性及局解的空間限制得到顯著改善。虛擬仿真系統可以實現三維立體的系統解剖與局部解剖，圖像清晰，結構精準，點擊對應組織或器官，即可展現透視及注解功能。

1.3 教學實施

實驗課前一周，學生自主登陸虛擬仿真實驗教學平臺（http：//210.41.192.4/virexp/prepare_login），在選課表中選擇已發布的對應實驗項目——運動系統的解剖，添加到個人實驗庫。同時根據實驗要求提前進行預習，包括實驗步驟、理論注釋及視頻講解等。實驗課教學中，教師負責重難點的講解、實驗任務的發布及課程時間的把控，并在學生的具體操作中提供答疑。

1.4 課程考核

實驗課結束后，學生需完成課程相關考核。考核內容分為線下和線上兩部分：線下考核主要以傳統實驗報告為主，占最終成績比例50%；線上考核包含在線測試及虛擬實驗操作考核兩部分，在線測試占最終成績比例20%，虛擬實驗操作占最終成績比例30%。

1.5 效果評價

問卷調查：課程結束后，依據學生對虛擬仿真實驗平臺的認可度和學習效果評價展開。面向2018級生物科學專業學生，采取匿名填寫方式，問卷發放72份，收回72份，調查問卷內容主要包括趣味性、可操作性、內容豐富性、實驗時限、學習效果及整體滿意度等方面，學生針對教學效果（如操作性、趣味性及實驗時限等）參與評價。評分采用五分制，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 果

2.1 考核成績

虛擬仿真實驗結束后，將成績進行統計。如表1所示，采取虛擬仿真實驗前，由于條件有限，2017級學生無法開展人體標本解剖，因此實驗成績主要依靠實驗報告評定；相比于2017級學生，2018級學生的成績中除了包含傳統實驗報告外，添加了在線測試及虛擬實驗操作測試，考核內容更全面，考核方法更客觀，區分度更強，有助于促進學生動手能力和自主學習意愿的提高。

2.2 教學效果分析

針對調查結果進行統計分析，如圖3所示，疫情大背景下，學生對于虛擬仿真線上教學模式比較認可，學生整體滿意度較高，選擇完全滿意、滿意和基本滿意的占總體的94.4%（評分≥3）。這為復雜條件下開展遠程實驗教學，提升教學質量提供了一定的啟示和參考。

在滿意度的基礎上，針對教學的環節與學習效果進行分析（表2）。80.5%的同學非常滿意或滿意虛擬仿真實驗的趣味性（評分≥4），除了實驗內容真實性之外，類似游戲的沉浸感與交互性的場景體驗也是學生感興趣的原因。高達95.8%的同學非常滿意或滿意虛擬仿真實驗較強的可操作性（評分≥4），相比于只能觀察無法解剖的人體標本，虛擬解剖更加專注于局解，每位同學均可進行實驗操作，可以無限重復操作，針對局解的器官組織，可以結合備注加深理解。此外，相比于真實標本，虛擬仿真系統安全無味，可減少同學的心理和生理壓力。18.1%的同學對虛擬實驗的內容表示基本滿意、不滿意或完全不滿意（評分≤3），主要在于內容豐富性仍有待擴展。學院目前已成功申報四川省虛擬仿真實驗教學平臺，結合國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺（http：//www.ilab-x.com/）內容，將不同的系統解剖加以串聯，合并相應的生理調節流程，提升后期實驗多樣性及豐富性，將是下一步的主要工作。高達55.6%的同學對實驗時限基本滿意、不滿意或完全不滿意（評分≤3），主要認為實驗時限較短，學生課后可以繼續線上操作，但虛擬實驗課時仍有待延長，新版的教學大綱將予以改進。94.4%的同學非常滿意或滿意虛擬仿真實驗的學習效果（評分≥4），主動參與性更強，相較于傳統的實驗教學模式，學生由被動的知識接受者和觀察者轉變為主動參與的操作者，無論動手能力還是知識理解力均有明顯提高。

3 討 論

隨著知識信息化與科學技術快速發展，傳統教學模式已經無法適應知識更新的速度［11-12］。在人體解剖生理學實驗中融入虛擬仿真技術，將其與傳統教學模式結合，既可以增強學生學習的主動性，提高學習效率，又可以克服傳統教學中資源短缺等問題，在超額完成教學任務的同時，還節約了教學成本與教學時間［13］。虛擬仿真教學是教育信息化與高校教學改革的趨勢，有助于提高學生自主學習積極性，培養學生自主判斷問題和分析問題的能力。虛擬仿真技術在教育領域的應用雖然還不夠成熟，但應用前景十分廣闊，國家也在大力資助國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺的建設［14］。通過針對2018級學生的調查發現，采用虛擬仿真實驗教學后，學生的整體滿意度較高，比較認可VR技術趣味性及操作性等，同時考核成績的方式變得更多樣，區分度也更高。然而，整個教學過程仍有許多問題亟需解決。

首先，采用虛擬仿真系統開展實驗教學不代表拋棄傳統的教學模式。針對虛擬仿真實驗教學，教育部提出“虛實結合、相互補充、能實不虛”［15-16］。作為教師，需要把握好二者的平衡，不應非此即彼，盲目追逐教學新模式和新方法。線下實驗仍是實驗課教學的根基，在提高學生動手能力和思維能力方面擁有不可替代的作用；而虛擬仿真實驗平臺是線下實驗課程的有力補充，不能盲目放大虛擬仿真實驗平臺的功能。教師不能忽略實驗室中硬件設施的維護與完善，虛擬仿真實驗平臺上的知識最終仍然要應用于真實的實驗操作中［17］。因此，在后期實驗安排中，將增添人體運動系統標本觀察，通過骨骼、骨骼肌和關節標本的觀察，結合虛擬仿真的解剖操作，真正做到虛實結合，互相補充，提高學生的知識理解能力和實驗操作能力。

其次，虛擬仿真技術的軟硬件系統仍亟需持續改進。虛擬仿真技術通過三維建模技術構建與人體器官完全相同的虛擬影像，滿足多人同時觀察人體結構的要求，將操作對象與理論知識有機結合，將抽象的重難點形象、具體化。但目前也存在一些問題，以我校生命科學學院為例，雖然已建立省級虛擬仿真實驗教學中心，但與傳統實驗項目比較，目前開展的虛擬仿真實驗項目仍然較少，且具體到某一實驗內容時，其豐富性也有待提升；此外，目前的操作仍以電腦操作為主，而非專業的VR頭盔與手柄操作，硬件仍需要持續升級；另外，針對授課老師的相關培訓仍然不足，部分教師對虛擬仿真操作仍不熟練，定期的技能培訓有助于滿足未來的教學需求。

最后，虛擬仿真技術在教育領域的應用時間較短，不論是技術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用模式必然耗費大量人力、財力［18-19］。一方面，技術研發過程需要與專業的技術公司合作，硬件設備、軟件系統、實驗過程設計都需要投入大量經費和精力；另一方面，平臺包含龐大的軟硬件設施，需要專業技術人員的定期維護，否則會因為儀器設備損壞等影響師生的學習效果。因此，需要聘請專業人員予以維護，這也給虛擬仿真技術平臺的實施帶來一定的困難，例如，在授課過程，可能存在因網絡帶寬、電力及軟件兼容等帶來的諸多問題，如何在有限的課堂時間解決存在的技術問題，仍需要技術公司的優化。另外，教師也需要根據教學重點、難點和學生的實際情況設計實驗過程，并根據教學效果不斷修正、完善實驗內容。這個過程需要教師和學生不斷實踐、反復練習才能達到最佳教學效果。

總之，虛擬仿真教學作為一種新教學模式，在人體解剖生理學中的應用仍處于探索階段，教學環節中的許多內容仍有待完善，應用的過程中也還需要克服各種困難與挑戰，但虛擬仿真技術與傳統教學課程相結合是未來的發展趨勢，兩者的結合一定會為傳統課程的發展帶來新的機遇。

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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