虚拟实验在多元化机能实验教学中的应用探索*

陈 勇，涂春香，林 瑶，余文珍

福建中医药大学中西医结合学院，福建福州 350122

医学机能实验学是一门综合性实践课程，它将生理学、药理学和病理生理学等实验内容有机结合起来，是医学生教学课程中重要的组成部分，以人体的生理功能、疾病的发生发展和药物的作用机制作为研究对象，其目的是培养学生综合分析问题的能力、提升创新思维、增强实验操作训练，为其接下来的临床课程学习和实践打好坚实的基础[1]。随着在现代教育中信息科技的普及和飞速发展，虚拟实验技术在计算机、多媒体、网络技术发展和进步的支持下，已经广泛地被应用到各个院校基础医学的实验教学中[2]。虚拟实验具有其独特的技术特点，不受时间、空间及实验动物等限制，推动了教学方式的多样化发展，也是对传统实验教学模式的补充和完善，有利于提高教学质量，更好地培养现代高等医学教育人才[3]。

1 虚拟实验的特点

1.1沉浸性 虚拟实验是采用计算机网络、数字建模和仿真等技术，在平台上构建一个可供学生体验和观测的三维立体交互式环境，并且通过创建模拟的教学环境、实验设备、器械和实验操作对象等，完成实际实验所不能进行的实验内容[4]。实验人员按照实验教学指导要求自行设定所要进行的实验项目，登入虚拟仿真实验教学系统，运用平台上虚拟的各种实验物件、器械、实验对象、药品等，完成整个实验。在实验过程中，操作者可以从不同的角度观察任何对象，与虚拟仿真平台上生成的环境融合，沉浸其中，从而创造沉浸式体验。

1.2交互性和多感知性 在虚拟仿真实验操作系统中，操作者可以点击手中的鼠标对实验动物进行各种操作，如给动物称体质量、注射麻醉药物、固定动物及手术操作、给药观察等，通过不同药物的干预和改变实验系统参数得到不同的实验结果，并进行分析[5]。学生们如同实际操作一般，可以感受较为真实的实验操作体验，同时可以对自己所进行的实验操作进行录像，回顾实验过程，发现并探讨其中的不足，这样对实验目的、原理及相关的理论知识能够更加深入地掌握。

2 虚拟实验应用于机能实验教学中的优势

2.1丰富实验教学内容、节约教学资源 在医学机能实验教学中，往往由于教学场地、实验课时数、教学经费等原因的限制，使一些实验耗时较长、步骤复杂、还要配备专用仪器设备的实验项目无法得到正常开展[6]。而通过虚拟实验系统，学生可以借助虚拟平台中的实验项目，观看演示或对虚拟实验动物进行手术操作，还可以多次反复练习，以此加深理解，激发学习的积极性和自主性，这样能更好地掌握实验教学内容[7]。另外，虚拟实验系统是以仿真软件为核心，不受实验设备、实验耗材、药品及动物等影响，很大程度上节省了实验教学经费，也省去了繁重的实验课前各种准备工作[8]。从这方面来说，相比于真实仪器设备，虚拟仿真软件具有使用成本较低、并且可重复利用等优点[9]。所以，虚拟实验的开设，对于缓解教学资金短缺、教学资源不足等问题是非常有利的。

2.2改善教学条件、提升实验效果 目前，传统的机能实验教学主要是活体动物实验，学生们实验操作的对象大多是活体动物。在实验过程中，经常会受到实验方法、实验经费及操作安全等因素的影响，学生在课堂上自己动手操作的机会相当有限，大部分是以旁观者的身份参与，或者做一些辅助工作，实验效果不理想[10]。有些动物实验，手术操作较为复杂，如家兔动脉血压调节实验中的动脉插管环节，尿液生成的影响因素实验中的输尿管插管等，在这些实验过程中常常因为操作不当而导致实验的失败[11]。虚拟实验平台通过对仪器设备、实验对象、药品试剂、实验环境等进行虚拟化，在很大程度上解决了这一问题。学生们在模拟实验操作前，先观看实验平台上的操作录像，对整个实验有了初步了解，然后进行模拟操作，有效地利用实验资源，减少了盲目性，更好地完成各项实验操作，提升了教学效果。马艳[12]开展了机能学虚拟实验教学系统的应用研究，以运用传统实验教学法进行动物实验教学的学生作为对照组，运用虚实结合法的学生为试验组，对两组学生分别进行实验笔试和实验报告考核(包括实验基本技能操作和实验结果整理分析)，结果表明虚拟实验教学系统应用于生理学实验教学，能切实提高学生实验操作能力和教学质量。

2.3提高实验安全性 有些机能实验需要使用有毒的药品和试剂，倘若操作不当，就可能给操作者造成伤害；另外，动物实验中经常要用到家兔、大鼠、小鼠等动物，不小心会抓伤、咬伤老师或者学生[13]。相比而言，虚拟实验就没有了这些危险性，很多有毒、有害及破坏性实验都可以在虚拟实验平台上完成，并且通过模拟仿真技术，强化实验现象。

2.4具有明显的开放性 与传统的实验教学相比，虚拟实验教学平台使学生摆脱了原有的环境限制，节省了时间和空间成本。学生们可以利用课余时间，登入校园网络，在虚拟实验操作平台上选择实验项目进行课前预习和课后巩固[14]。从教学方面来讲，在形式和内容上，教师可以按照不同专业、不同层次学生的实际情况扩展实验内容，在开展验证性实验项目的同时适当增加综合性、探究性实验。学生也可以有针对性地选择实验项目进行模拟实验，实验答疑与讨论，虚拟实验测试等，以达到最佳学习效果[15]。

2.5激发学生的学习兴趣 虚拟实验教学通过计算机多媒体技术，更加形象生动地将实验技术传授给学生，并且学习过程带有娱乐性，不需顾及实验动物的死亡及实验仪器的损坏等因素，这样学生的想象力和创造力可以得到充分地发挥。在虚拟实验系统中，学生可通过实验课件，自己学习，摆脱了传统实验教学跟着老师做的弊端，提升了他们对实验课的热情和学习积极性，进一步拓展了视野，培养了他们的创新能力，从而提高了学习的效率[16]。

3 虚拟实验在机能实验教学中的局限性

尽管虚拟实验有诸多优点，但仍不能完全取代传统实验教学。(1)机能学实验具有很强的实践性，要求学生能够掌握基本的动物实验操作技能，如动物的麻醉、手术器械的使用以及手术操作等。而虚拟实验教学主要侧重于实验过程的演示，学生以观察来获取实验技能，得不到真实的动手操作锻炼，并且对实验中出现的突发状况缺乏分析应对能力[17]。(2)在传统的动物机能学实验中，实验结果的真实性对于提高学生的实验操作能力具有重要的意义，这是虚拟实验系统无法比拟的，仿真技术不能完全还原出真实的实验结果。(3)虚拟实验通常采用人机交互模式，无法提供真实实验中的人文环境，缺乏实验氛围。而真实的动物机能实验过程包含手术前的麻醉、动物的固定以及手术操作等，需要同一组的同学共同参与、协作完成，这种参与过程更能培养和体现学生们的团队精神[18]。(4)此外，部分虚拟实验项目，在操作上过于简单，如对家兔的固定、表层皮肤的切开、颈部手术操作以及气管插管等都不够真实，而且实验过程缺乏无菌观念[19]。在虚拟实验项目的设计方面还有待于继续研究和开发，以便能更好地应用于教学。因此，虚拟实验只能作为传统实验教学的有益补充和延伸，在开展实验教学过程中，应该以传统实验为主，注重培养学生的动手操作能力，同时将虚拟实验教学作为一种辅助，合理利用其独特的优势，增强学生的自主学习能力，激发学习积极性，提高传统实验教学的效率[20]。

4 虚拟实验应用的预期效果分析

本着提高教学水平，服务学生的宗旨，虚拟实验平台建好后，将考虑面向学生免费开放，学生们可以通过预约，进入实验室进行学习。同时，为了更好地了解虚拟实验系统的使用效果，本课题组将以调查问卷的形式向这些学生征询满意度评价。如果效果较好，本实验室将关联校园网，让学生在寝室或图书馆登入网络即可进入虚拟实验室，实现远程学习。

5 结 语

随着我国高等教育体制改革的深入，以及实验教学的多元化，目前单一的教学模式已经不能满足现代教育及不同层次学生的需要[21]。数字化教学是高等教育发展的一个趋势，虚拟实验技术作为传统实验教学的重要辅助，将丰富实验教学手段，应该将它们有机地整合起来，充分发挥各自的优势，相互促进，更好地提升实验教学质量。