虚拟实验技术在生理学实验教学中的应用与思考

施晓琳

（苏州大学 江苏 苏州 215000）

生理学是研究人体正常活动规律及机制的一门学科，与解剖学、病理学、药理学等许多学科互相交叉，起到了桥梁和纽带的作用，故生理学是高等医学院校的重要基础课程之一。生理学实验是生理学的重要组成部分，通过实验不仅可将抽象的概念与实验结果联系起来，帮助学生理解消化理论知识，还能培养医学生的基本操作技能，提高解决问题的能力，提升创新思维。

伴随着医学教育的不断改革发展，传统实验教学由于课程整合、实验对象、仪器设备等诸多条件的限制，已经不能完全覆盖生理学实验的教学需求。而虚拟实验的发展应用能在很大程度上弥补传统实验在客观条件上的不足[1]。国内已有多所高校开始在生理实验中探索发展虚拟实验教学，教育部也提出要求高校要高度重视实验教学与信息化的深度融合[2]。本文以苏州大学为例进行说明，该校医学院已建设完成相应的虚拟实验教学平台并投入使用，实现了将传统实验与虚拟实验相结合的教学模式，在实验教学改革中起到了巨大的作用。

1 传统生理学实验教学现状

传统生理学实验的教学模式是根据教学大纲结合实际教学需求制订教学日历，课前由实验技术人员准备好实验所需的教室、实验动物、仪器设备以及试剂耗材，在课堂上由教师讲解相关理论知识，通过多媒体或者现场示教进行教学。学生将理论知识运用到实际操作中，并通过实验结果反向验证理论知识，从而加深对抽象概念的理解。但随着医学教育的不断发展，传统实验教学的缺点也逐渐暴露出来：

1.1 实验客观条件限制

生理学实验采用活体动物作为实验对象，出于安全和保证教学质量的考虑，对实验条件和场所有着较高的要求。实验室面积要能容纳一定数量的手术台和实验所需的仪器设备，确保每个实验小组有足够的实验手术空间。同时实验场所还要满足不同实验的特殊需求。例如神经干动作电位的引导，传导速度和不定期的测定实验，由于生物电信号比较微弱，容易受电磁干扰，所以实验需要在电磁屏蔽的实验室进行，才能获得比较理想的实验结果。另外，随着实验动物伦理学的发展成熟，有关动物福利的相关问题越来越受到关注，实验动物的使用逐步规范，在品种、数量和质量等方面都受到了严格的限制，这也在很大程度上影响了生理学实验教学的发展[3]。

1.2 教学资源的限制

一方面，随着课程改革的深入，诸多医学类院校将生理学实验与其他关联学科合并为综合性实验课程，生理学实验课的课时数大大减少；另一方面，随着医学类院校扩招，学生人数增多，导致每个实验教学班人数上升，但实验室数量与开放时间有限，学生动手机会随之减少。一旦实验失败，现有的教学资源也不足以支持学生重复实验，导致了大部分生理实验的“一次性”[4]。

1.3 实验形式的单一性

生理学实验绝大部分都是在实验动物身上进行，通过人为地控制某些变量因素来重现动物身上正常生命活动的过程，通过仪器记录实验结果并加以分析研究。所以生理学实验以验证性实验为主，学生按照实验步骤完成实验内容，通过实验结果验证理论课上所学的理论知识，鲜有创新性、开放性的内容，学生独立思考的机会较少，同时也限制了教师和实验技术人员的成长。

1.4 实验严谨复杂，成功率低

作为最早开设的动物实验课程之一，学生课前实验经验缺乏，操作基础薄弱。而且由于生理实验的抽象性，学生很难通过预习掌握实验原理和步骤。且综合性实验手术难度高，设备软件操作复杂，实验过程困难重重，实验成功率低，导致学生动手意愿消退，实验积极性降低。

2 虚拟实验的优势

虚拟实验是指借助于多媒体技术在计算机上营造一个逼真的具有视听等多种感知的软硬件环境，使学生在较为真实的环境中完成各种实验项目。

2.1 打破实验教学对客观条件的依赖

虚拟实验通过在计算机模拟的教学环境中完成实验，不涉及任何实验动物、仪器设备和试剂耗材。虚拟实验室的开放打破了时间和空间的限制，学生可随时随地利用移动终端登陆虚拟实验平台进行实验操作。一些操作因难度大、成本高且难以开展的实验，也可通过虚拟实验平台向学生展示，大大丰富了实验项目的多样性，满足不同层次的学生的实验需求[5]。

2.2 将抽象概念具象化，提高学习效率

虚拟实验能通过动画等形式将实验过程清晰有序的展示，将抽象知识可视化呈现，使教学过程更具趣味性。学生可以在虚拟实验操作过程中了解实验的原理和步骤，对于实验中的重点难点提前关注，可以在传统实验中有效减少教师的讲解时间，提升实验成功率。

2.3 满足实验创新的需求

任何一门学科都不是独立存在的，尤其是生理学，作为一门“桥梁型”学科，生理学与许多其他课程关系紧密，在医学教育中起着承前启后的作用。但由于教学配置等客观原因，大部分课程的线下实验课还是独立进行。通过虚拟实验技术可以实现跨课程综合实验，将生理学与解剖学、病理学等实验课程根据教学需求融合创新，使课程更加整体化、系统化。

3 虚拟实验平台在教学中的应用

以苏州大学为例，医学虚拟实验教学平台由上海梦之路数字科技有限公司提供技术支持，目前涵盖临床医学、基础医学、医学技术等11个专业，内容包括解剖学、机能学、形态学等13大类别。其中机能学中包含基础操作类，基础实验类以及综合实验类等总共99项实验，生理学相关13项，数量种类基本与线下实验课程齐平，为推进生理实验教学改革打下了坚实的基础。

3.1 虚拟实验教学平台作为预习和复习的工具，提升了学生对基础概念的掌握

生理学是一门重要的基础理论课，所有的知识点和结论均从实验中获得。然而大部分生理学实验的结果并不能通过人的感官观察到，需要通过仪器观察记录，导致生理学内容抽象难懂。且现实中生理学理论课与实验课无法完全同步，导致理论课后不能及时衔接实验课加以巩固，或实验课上没有相应的理论知识支撑，使生理学学习更加困难。虚拟实验通过动画与视频的讲解，不仅能在课前帮助学生掌握实验原理流程，也可在课后加深学生对于理论知识的理解，帮助总结实验技巧与难点，与仅仅通过文字来进行预习复习相比，显然要事半功倍[6]。

3.2 虚拟实验作为示教工具，参与到线下实验课中

在带教导师示教实验时，由于实验人数众多，往往只能照顾到某一个小组或者抽取每组的一名同学观看；尽管在实验过程中有教师和技术人员巡查指导，但由于实验耗时长、难度大，教师无法同时顾及多组学生，大部分学生还是需要根据书本和教学视频自己探索，容易产生畏难情绪。虚拟实验平台通过视频加讲解的方式，可以在实验过程中精准指导学生的实验进程。虚拟实验演示的画面有细节有整体，可以减少学生盲目操作，增强学生对实验流程的掌控。而且学生可以通过反复观看来更好地掌握实验中的重点和难点，有效弥补了传统示教中的不足。

3.3 虚拟实验参与实验成绩评估，丰富实验考核手段

在实验考核中，除去线下实验操作考试外，还可以抽取虚拟实验作为考核项目，通过学生的模拟操作能力，更全面地判断学生的操作水平以及对实验的掌握程度[7]。不仅如此，还可以通过虚拟实验平台中学习次数、操作成绩、实验报告等后台数据统计学生的平时成绩，作为最终成绩的参考[8]。

4 虚拟实验的限制

虚拟实验技术为生理实验教学的改革和发展提供了新概念和新思路，相较于传统实验教学有诸多优势，但现阶段虚拟实验的局限性使其并不能完全替代传统实验教学，虚拟实验只能作为一个辅助手段参与生理学实验教学[9]。

4.1 不能锻炼学生的实践动手能力

医学生尤其是临床类学生，未来会参与到各种手术中去，所以培养学生的实践动手能力是实验教学的重中之重。学生在生理学实验课程中学习基本动物实验操作技能，如手术器械的使用、各类动物的麻醉方法等，为后续的课程学习打下基础。这些实验技巧需要反复练习才能熟练掌握，这是现阶段的虚拟实验技术所不能提供的[10]。

4.2 不利于锻炼应对变化的能力

在传统实验过程中经常会出现突发情况，需要学生根据理论知识结合实验情况及时调整实验进程。比如由于麻醉深度不够，实验对象在实验中途醒来；比如在气管插管时血凝块堵住气管造成实验对象窒息；比如手术时意外破坏动脉后大出血等。突发情况的处理不仅能考验学生利用理论知识和操作技巧解决实际问题的能力，还能锻炼心理承受能力和抗压能力，这些都是成为医生必不可少的基本素质。而虚拟实验是根据实验结果预先设置的，实验只能朝着单一的方向进行，很少有其他因素的干扰和影响。这不仅不能锻炼思维能力，还有可能让学生忽视活体动物实验的复杂性和多变性，不利于学生养成谨慎、细致、科学的实验态度。

4.3 不利于培养学生的团队合作、协调、沟通能力

在生理学实验课程中，通常将学生分为4-5人一个实验小组，综合性实验需要小组中各个成员分工合作共同完成实验任务，这不仅能锻炼学生的沟通协调能力，还能在不同意见的碰撞中发散思维。学生遇到问题时也能通过和老师的交流来增强对实验的理解。而虚拟实验只需要在移动终端上单人操作，现阶段还无法实现团队合作的功能。

5 总结

虚拟实验作为一种新型的实验教学手段，在帮助学生掌握生理学基础知识以及实验操作要点上得到了广大师生的广泛认可。虽在培养学生操作能力上尚存在一些不足，但其灵活性和稳定性弥补了传统实验的空缺，特别是在疫情网课期间，虚拟实验承担了生理学实验教学的主要任务，在很大程度上弥补了学生无法参与线下实验的遗憾。在生理学实验教学中，要正确处理虚拟实验与传统实验的关系，采用传统实验为主、虚拟实验为辅的“虚实”互补教学模式，通过两者的配合来满足生理学教学改革的发展趋势和人才培养的实践需要，从而更好地提高生理学实验教学水平。