新醫科背景下基于虛擬仿真在膜片鉗技術實驗教學中的應用

摘 要：實驗教學是高校課程教育的重要組成部分。近年來隨著虛擬仿真技術在高校教學領域的廣泛應用，虛擬仿真實驗教學也在探索和發展中，已成為高校實驗課程建設的重要組成部分，也是未來高校實驗教學改革和發展的必然趨勢。目前傳統的實驗教學存在一定局限性，已不能完全滿足高校課程教育的需求，因此在新醫科背景下的醫學教學改革也在不斷推進和探索虛擬仿真實驗教學等新的教學模式。本研究以腦片膜片鉗技術虛擬仿真實驗為例，詳細闡述了安徽醫科大學虛擬實驗教學中心膜片鉗技術的建設和運行情況，旨在為相關專業虛擬實驗教學的改革和創新提供經驗和借鑒，同時為培養新時代醫科人才打下基礎。

關鍵詞：新醫科建設；虛擬仿真；膜片鉗技術

中圖分類號：G643.2" 文獻標識碼：A" 文章編號：1673-260X（2025）02-0097-04

近年來國家頒布了一系列指導性文件，并提出了新醫科的概念，提出“以新醫科統領醫學教育創新”為發展基本原則之一[1]。在國家關于高等教育和學科建設的宏觀規劃中，實踐能力和創新精神兩大要素已成為新時代高等教育人才培養的重要內容[2]。2018年《教育部 國家衛生健康委員會 國家中醫藥管理局關于加強醫教協同實施卓越醫生教育培養計劃2.0的意見》中指出，將建設400個國家醫學虛擬仿真實驗教學項目[3，4]。實驗教學作為高等教育體系中的重要一環，對于培養學生的科研邏輯、創新思維及實際操作能力等綜合素養起著關鍵作用，是高校人才培養必不可少的部分。近年來，高校大學生招生數逐年攀升，高校教學規模也隨之逐年增長，但高校實驗教學建設相對滯后，學生數量快速增長和高校教學實施建設滯后的矛盾日益凸顯，高校實驗教學面臨著嚴重的教學壓力。由此可見，新醫科背景下的醫學教學迫在眉睫，培養適應新時代發展的人才對高等醫學教育事業的改革極其重要，虛擬仿真技術作為新興技術對培養人才也發揮著重要作用。

虛擬仿真技術（Virtual Simulation Technology）也被稱為“靈境技術”，是一種利用計算機系統創建出3D立體圖像的技術，能在虛擬環境中感受視覺、聽覺和觸覺上的體驗。虛擬仿真包括兩種類型：一種是虛擬現實，另一種是仿真。虛擬現實依賴于計算機科技和人機互動技術，而仿真則通過建立模型來模仿實際實驗過程，以此達成實驗目標[5，6]。虛擬仿真實驗教學利用計算機技術模擬出逼真的實驗室場景，并對其內的實驗器材進行控制，進而執行虛擬仿真實驗操作[7]。當前，虛擬仿真實驗教學已成為高等教育信息化進程中的一項關鍵舉措，同時也是推動高校實驗教學創新與變革的重要方向[8]。通過線上模擬實驗室的學習方法可以在虛構的環境中展示實際的試驗成果，讓學生可以根據這個環境來實時執行他們的實驗任務，控制實驗進程，并將他們獲得的結果提交上去，這使得學生們對實驗教育更加積極主動，提高了他們的實驗熱情和創新思考的能力，同時也提升了他們在實驗方面的表現，從而顯著地優化了高等院校的實驗教學質量[9]。

筆者所在的教學團隊利用學校虛擬仿真實驗教學平臺資源，積極進行虛擬仿真技術在膜片鉗實驗教學平臺的搭建與探索，結合所授課程的專業特點與教學要求，在“離子通道與疾病”該門課程的實驗教學中建立了膜片鉗虛擬仿真實驗教學項目并應用于實驗教學中，積累了一定的經驗，本研究旨在分享階段性研究成果，以期為今后虛擬仿真實驗教學在膜片鉗實驗的進一步發展提供一定的指導和幫助。

1 膜片鉗技術傳統實驗教學中存在的問題

1976年，德國科學家Neher和Sakmann研發了膜片鉗技術，這在單個細胞層面上對可興奮細胞放電行為及其離子通道機制的研究是一大突破，為洞察神經系統的電生理活動開辟了微觀視角，為深入探索大腦系統的電力運作開啟了全新的視角[10]。如今該技術廣泛應用于神經（腦）科學、心血管科學、藥理學、細胞生物學、病理生理學、中醫藥學、植物細胞生理學、運動生理等多學科領域，是基礎學科在細胞、離子通道功能研究中不可替代的技術手段[11，12]。它能夠通過監測離子通道的電流變化，精確揭示細胞膜上單個甚至多個離子通道的分子動態，因此被視為離子通道研究的核心技術，被稱為離子通道研究的“金標準”。掌握膜片鉗技術對研究離子通道與疾病聯系以及發表高水平SCI論文至關重要。

膜片鉗技術是神經生物學、生理學專業研究生開展離子通道方面課題必須掌握的一門實驗技術。由于膜片鉗系統造價昂貴，因此在高校的實驗課中多以觀摩為主，在有限的學時內很難讓全部學生參與膜片鉗實驗操作，學生所獲甚少。安徽醫科大學“離子通道與疾病”課程是專門針對研究生開設的專業選修課，目前是在建的省級精品課程，膜片鉗技術的理論和實驗是該門課程的核心章節。因此，為解決現有的問題，讓更多的學生能在有限的時間內掌握膜片鉗實驗的詳細步驟、流程和關鍵點，提升學生的創新思維和實驗表現，優化大學實驗教學的效果，我們需要探索一種更合適的實驗教學模式。

2 應用虛擬仿真實驗教學的必要性

基于相似原理，信息科技與系統科學等多領域的知識體系，一種名為虛擬仿真的新穎教學工具應運而生，它能打破傳統的教室空間界限，使學生能隨時獲取學習資料，從而提升他們的學習體驗并提供更優越的學習環境，這種技術的應用在實際教學中展現出顯著的效果[13，14]。通過利用虛擬現實技術創建虛擬試驗場景和實體模型，結合電腦控制下的虛擬實驗界面，實現了對實驗過程的模仿，其特性包括真實性、互動性和安全性等。無需物理實體的實驗器具和實驗耗材，也不受實驗場所的影響，這項技術讓那些無法達成的實驗教學任務得以實施，同時也回應了教育部提出的“積極推廣高等院校數字化校園建設，建立虛擬仿真實驗平臺，推動課程內容的更新和教法改進，進而引領人才培育模式的革新”的要求[15，16]。在國內政策和各級政府的支持下，許多中央直屬大學和地區所屬高校都已開始籌建虛擬仿真實驗教學中心。

與傳統的教育方法相比，虛擬模擬實驗技術更具安全性，其高效性和可重復性的特點也更為顯著。因此，引入虛擬仿真實驗技術，將有效結合“虛擬仿真+真實實驗”的授課方式和“線上+線下”混合式教學模式[17]。線上線下混合式教學模式取兩者之長，虛實結合，教學效果突出，受到學生和教師的廣泛認可[18]。

3 開展膜片鉗虛擬仿真實驗教學的成效

結合安徽醫科大學已有虛擬仿真平臺資源搭建的膜片鉗虛擬仿真實驗教學平臺，讓全部學生在有限的實驗教學學時內都能了解實驗具體步驟，掌握實驗的程序、環節和要點，確保了該實驗設計的前瞻性和可操作性。膜片鉗虛擬仿真平臺融合虛擬與真實實驗，形成全面實驗系統。學生在平臺上完成實驗，既理解知識又體驗真實應用，激發學習動力，提升效率。建設膜片鉗虛擬仿真實驗教學資源也將是安徽醫科大學實驗仿真教學事業發展歷史上一次嶄新的突破。

膜片鉗虛擬仿真中心依托科研團隊優勢，結合專業特色與最新研究成果，融合學校定位和人才培養特色，將虛擬仿真與實驗教學結合，將成熟的科研技術引入研究生教學與實訓中，可以滿足安徽醫科大學神經生物學、生理學、藥理學、藥學、病理生理學等專業研究生的實驗教學。充分利用虛擬仿真實驗教學資源，提升了實驗教學內容的外延和內涵，也拓寬了實驗教學空間、延伸了實驗教學時間。虛實融合構建全面實驗環境，豐富了教學內容，激發了學生實驗熱情，提升了教學效果[19，20]。

3.1 虛擬仿真在膜片鉗實驗教學中的應用實例

筆者已經在安徽醫科大學實驗教學中心虛擬仿真實驗教學平臺建立了“腦片膜片鉗記錄小鼠海馬神經元動作電位虛擬仿真實驗”平臺，并成功上線。

3.1.1 研究對象

選取基礎醫學院2023級藥理學和藥學2個專業共計50名同學參與膜片鉗技術虛擬仿真實驗教學。

3.1.2 虛擬仿真實驗搭建

通過使用Unity3D、Visual Studio和Adobe Flash等工具，我們成功地搭建了膜片鉗技術虛擬仿真實驗教學平臺，該平臺的主要結構框架如圖1所示，包括實驗目的及原理、膜片鉗實驗儀器介紹、膜片鉗實驗基本操作和神經動作電位及興奮性檢測與分析四個模塊。實驗目的模塊主要介紹實驗基本原理，儀器介紹模塊主要介紹膜片鉗實驗中需要使用到的主要實驗儀器，讓學生提前進行了解。通過對膜片鉗實驗的基本步驟、神經動作電位的測量及其興奮性評估的深入學習，我們旨在提升學生的基礎實驗室技能。在這個過程中沒有設定任何操作數量上的限定，同時也提供了真實的實驗操作影片展示和解釋，以輔助他們更直觀地理解實驗的具體過程，并解決他們在實際操作中遇到的問題。此外，我們還運用測試題來檢查他們的理論知識和實踐操作掌握情況。該系統相比傳統的實體實驗室具有更高的靈活度和可靠性，并且不受環境的約束。通過使用虛擬仿真平臺，所有學員都可以同步參與實踐活動，并獲得詳細的學習指導。

3.1.3 教學實施

在線下實驗課的前一周，學生通過訪問安徽醫科大學虛擬仿真實驗教學平臺在線選擇課表中已發布的實驗項目——腦片膜片鉗記錄小鼠海馬神經元動作電位虛擬仿真實驗。實驗前預習實驗原理、儀器、步驟。課上，教師講解要點難點，并在學生操作時提供指導。

3.1.4 課程考核

實驗課結束后，學生完成課程考核?？己藘热莘譃榫€上測試和線下考核兩部分：線上測試主要包括學生虛擬操作和在線測試，分別占比30%和20%；線下考核主要以傳統結題報告為主，占比50%。

3.2 虛擬仿真實驗考核成績

虛擬仿真實驗結束后統計考核成績，結果顯示，2023級藥理學17人參與此次考核，平均成績88.4分。12人考核優秀，占比70.6%；良好2人，占比11.8%；中等3人，占比17.6%；無不及格。2023級藥學33人參與此次考核，平均成績88.2分。24人考核優秀，占比72.7%；良好5人，占比15.2%；中等4人，占比12.1%；無不及格。教學效果良好。

4 思考與總結

隨著人工智能、信息技術的迅速發展，傳統實驗教學顯出了滯后性，已經無法滿足高校知識更新發展的需要。開發與應用膜片鉗技術虛擬仿真實驗能夠有效擴充高校教學資源庫，積極響應政策導向，推動實驗室管理制度的創新與改革。此舉不僅顯著提高了實驗教學的效率，還極大地激發了學生的主動學習和參與熱情，對提升學生的實踐操作技能具有實質性的幫助。通過應用實例發現學生們普遍對實施虛擬仿真實驗教學表示滿意，并且非常認可虛擬仿真技術的有趣性和易用性。在該項目實際運用過程中，結合師生反饋建議，需要不斷完善和豐富實驗教學資源，優化考核評價體系，旨在為實驗教學增添新形式、新方法、新內容，促進學生綜合素養提升，充分發揮虛擬仿真實驗的教學輔助作用。對于虛擬仿真技術的運用，我們還需要不斷地實踐研究、完善優化，持續提高學生的學習主動性、創新思維、科研思維以及發現問題解決問題的綜合能力。同時，也需要進一步完善技術應用模式和教學模式，以適應日新月異的教學環境。目前虛擬仿真技術在高校課程教學中的應用還不夠成熟完善，還存在一些資源、技術等短板，但隨著國家對虛擬仿真技術的重視和資源投入的加大，未來發展空間很大。

教育領域中，虛擬仿真技術起步晚，技術與人才均存短板，而建立成熟的應用模式需大量人力財力投入。虛擬仿真技術的研發，平臺、系統的設計以及定期維護都需要花費大量的經費和精力，這些都給虛擬仿真平臺的建設和實施帶來一定的困難。另外虛擬仿真實驗教學也對教師教學帶來了新的挑戰、提出了新的要求，教師也需要根據學生使用過程中的體驗和反饋不斷完善和修正教學設計和教學內容，這個過程需要反復教學實踐才能不斷完善提高虛擬仿真教學實效。

此外，利用虛擬模擬環境實施實驗教學，并不意味著要完全摒棄傳統的教學方式。在構建虛擬仿真實驗平臺時，需堅持“虛實相融、互補共生、實際優先”的理念，并注重平臺資源共享，積極推動信息化實驗教學資源的充分開發，旨在幫助大學生提高創新思維實踐能力[21]。盡管虛擬仿真教學作為一個新興的教育方法，其在膜片鉗實驗中所占的位置還需進一步探究，并且很多教學步驟還有待改進，同時也需要解決一些難題和挑戰，但虛擬模擬技術與傳統教學的結合正逐漸成為高等教育教學改革與發展的核心趨勢，這種融合無疑將為傳統的課堂實驗教學開辟全新的道路。期望本研究能夠為高校實驗教學中虛擬仿真技術的應用提供理論支持與實踐指導，促進實驗教學的創新與改革，助力新時代醫學人才的培養。

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