虚拟实验在机能学实验教学中的应用与体会

刘爱东，王 箐，田 琳，任 伟

(遵义医学院机能学实验室，贵州遵义 563003)

虚拟实验在机能学实验教学中的应用与体会

刘爱东，王 箐，田 琳，任 伟

(遵义医学院机能学实验室，贵州遵义 563003)

随着科学技术的发展，真实实验已不能完全满足机能学实验教学的要求。虚拟实验是机能学实验教学中的重要组成部分，建立虚拟实验室是适应了机能学实验教学的需求，弥补了真实实验的不足，延伸和强化了真实实验。本文主要介绍虚拟实验在我校医学机能学实验教学中的应用。

虚拟实验;机能学实验;实验教学

医学实验课是高等医药学教育的重要组成部分，实验教学对培养和提高学生基本技能、综合能力和创新能力起着至关重要的作用。我校自1999年组建了机能学实验室，更新了教学内容、改革了教学方法，构建了由基础性、综合性、设计性实验三个层次的合理的实验教学体系，形成了自已的特色与模式。然而，随着我国高等教育体制改革的深化，招生规模不断扩大，技术更新速度日益加快，传统的实验教学手段(即真实实验)由于受到教师资源、场地、仪器和设备的限制已经不能完全满足教学需要，而随着计算机、多媒体、网络技术的发展，虚拟实验技术作为一门新兴的实验技术迅速崛起[1]，创建虚拟实验室势在必行。

1 目前我校机能学实验教学现状

机能学实验是一门将生理学实验、病理生理学实验、药理学实验内容有机融合的一门综合性实验学科，它是以实验动物为主要研究对象，通过观察实验动物的基本生理生化反应，研究疾病发生的病理生理学机制，分析其干扰因素的影响或药物作用与效应，学习和验证生命活动的基本规律[2]。其教学模式是依据教学大纲、教学计划，需要准备实验动物、手术器械及药品，通过老师讲授及多媒体辅助教学，学生作为实验的参与者、实施者和观察者而亲自实践。这样，学生能将所学知识用于真实实验中，锻炼了学生的动手能力以及和其他同学的协同工作的能力，以达到实验的目的[3]。但这种教学模式存在一些不足之处:

1.1 实验成本高，耗材大

机能学实验所用动物价格较昂贵，所涉及的仪器设备种类繁多且实验复杂，学生不易掌握，如果学生以前没有接触过该实验的仪器，实验中就有可能因使用方法不当而进行误操作，造成实验中断、仪器损坏，尤其是辅助设备(如换能器、心电导线、神经勾和屏蔽盒等)容易损坏，还有不规范使用手术器械，造成手术器械的损坏，因此，实验耗材也较大。

1.2 实验复杂，难度大，成功率低

根据教学大纲所设的常规实验内容，有的实验所需物品比较复杂，缺少哪一种，都会直接影响实验效果;部分实验操作复杂、精细，难度大，学生在短短的学时内难以熟练掌握，容易产生畏难情绪，往往造成实验不顺利甚至失败，或者由于极度依赖教师帮助，直到实验结束都不知道如何正确操作。另外，由于实验的抽象性大大削减了学生预习的兴趣，学生对实验的原理、过程和现象缺乏理解，导致学生对实验预习缺乏足够的重视，也是导致部分实验失败的原因之一。

1.3 动手机会较少

由于教学时间有限，动物数量有限，学生人数多，不可能使每位学生都有充足的训练机会。

1.4 实验室条件限制，致使一些实验无法开展

对于一些需要显微镜来配合观察的微观实验现象，比如休克实验中血管的微循环现象;一些有危险的实验，如小鼠缺氧实验中需要使用的有毒物质，难以在真实实验中进行。还有学生的设计性实验，由于实验室条件限制，使学生也不敢大胆尝试。

1.5 实验技术难以规范统一

实验教学的运作模式采用的是“分散委托制教学”，其原因是:在教学实施过程中没有固定的实验教学老师，实验带教常常是根据实验内容的侧重学科不同而由相应的教研室安排完成。其特点是老师的教学内容相对固定，而学生轮流转动。但是实践表明这样的教学方式往往造成教学管理和协调的相对复杂，而且由于教师流动性较大，尤其是参与实验教学的研究生越来越多，绝大多数研究生缺乏教学经验和熟练掌握实验操作技术，加之实验教师对实验技术操作的理解和习惯性不同，使得实验技术难以规范统一，造成学生不知如何正确掌握实验操作。

1.6 课程整合以后的理论教学问题

生理学、药理学和病理生理学三个学科的实验得到了某种程度上的融合，但理论部分尚处在分离的状态，以致理论和实践之间有脱节现象[4]，尤其是学生在学习生理学、病理生理学理论阶段中，未开展相应实验进行辅助，学生对于抽象的理论知识就很难理解(如电生理产生机制)。

为了解决上述的问题，更好地开展教学工作，提高教学质量，真正达到实验教学的目的，我实验室利用原有三个实验室计算机资源和场地资源，混用实验室，组建了自己的局域网，引进了VBL-100虚拟实验室系统，建立了虚拟实验室，同时将虚拟实验室挂接到校园网上，供学生们在寝室、实验室、图书馆等途径进入虚拟实验室学习。

2 VBL-100虚拟实验室系统的特点

VBL-100虚拟实验室系统是由成都泰盟有限公司研发。该系统采用计算机虚拟仿真与网络技术，运用服务器的构架模式，涵盖了40多个机能学实验的全套模拟仿真，由于模拟仿真实验无需实验动物，无需实验准备即可帮助学生理解实验的操作步骤以及实验效果，可以作为机能学实验教学的一个有益补充，该系统特点有:①采用服务器的体系结构，可以在实验室局域网，又可以在校园网进行访问，方便学生使用。②介绍大量的生物机能学背景知识，拓展学生的知识面。③系统结构完整，内容丰富，包含资料室、动物房、实验准备室、模拟实验室和考场五部分内容。④介绍了20多种新的实验设备，包括每种仪器设备的用途、原理和操作，既开阔了学生的视野，又为学生进行探索性实验以及自主性设计实验提供了新的科学指导。⑤30多个仿真实验涵盖了生理、药理、病生、人体、综合等实验内容。⑥每个仿真实验包括:简介、原理、操作仿真、实验录像和实验波形模拟5个部分的内容，全方位介绍了整个实验，既表达整体，也表达细节，便于学生对实验操作的充分理解和掌握。⑦具有开发性，教师可将自己的实验图片、实验录像、实验原理和操作的文字加入到系统中，扩充系统的实用性。

3 虚拟实验在机能学实验教学中的应用效果

3.1 节省实验经费，增加了学生的实验机会

虚拟实验不需要实验动物和药品器材，不受实验动物、试剂的制约，减少了实验成本，减少了仪器损耗。学生在操作时可以反复练习，反复修改，做到一人一组，每位学生都能熟练掌握实验方法，克服了动手操作机会少的现象，有利于调动学生学习的主动性，促进学生对实验仪器的熟悉和对实验原理的理解，特别是一些对学生来说陌生而复杂的仪器，经过虚拟实验的练习，操作起来既轻松又胸有成竹，从而提高教学效率[5]。

3.2 提高了学生实验的成功率

在实验课之前，学生登录虚拟实验系统，对实验的原理、过程和现象做一些介绍，便于学生对教学内容的理解，做到心中有数，减少了盲目操作，利于真实实验的开展。每个实验操作仿真，充分应用多媒体丰富直观的表达形式，将仿真动画，实验录像以及操作说明有机结合，既表达整体，也表达细节，便于学生对实验操作的充分了解和掌握。

3.3 丰富了实验项目

通过虚拟实验演示或进行操作，使得那些因实验成本过高而难以进行的实验(如学生设计性实验)，一些危险的、在现实中不易实施的实验(如小鼠缺氧实验中需要使用的有毒物质)和一些微观实验现象(如休克实验中血管的微循环现象)，都可以通过虚拟实验来完成，弥补真实实验的不足，使学生能够全面深刻掌握课本的知识[3]。学生还可以通过考场的试题进行复习和自我测试，进一步提高对理论知识的掌握。

3.4 激发学生的创新性思维

虚拟实验室采取人机交互的方式实施实验，具有智能性、仿真性、形象性、趣味性的特点，利用机能学虚拟实验室进行设计性实验，自主设计添加实验项目，充分调动了学生学习的兴趣，培养学生的创造力。

3.5 规范实验技术，提高教师开发新实验项目的能力

由于虚拟系统软件具有开发性，可将规范的实验技术加入到系统中，做到实验技术的规范统一。同时，为满足学生需要，教师就必须不断开发新的实验项目，从而将自己的实验图片、实验录像、实验原理和操作文字加入到系统中，扩充系统的实用性。

3.6 真正实现理论教学与实验教学的结合

仿真实验可以经过设置或再开发，作为理论教学的辅助工具。一些在学科发展中做出了历史性贡献的典型实验都可以利用仿真实验展现于课堂教学中，通过实验的方法引入新的概念和规律，把理论教学与实验教学有机的融为一体，按照科学探索和研究的过程进行教学，可以开阔学生的视野，提高学生实验的学习兴趣[5]。这样，学生在学习生理学、病理生理学的阶段中，就可利用虚拟实验室的学习，将所学的理论知识与相关实验联系起来，加深对理论知识，尤其是抽象知识的理解。

4 教学体会

4.1 混用实验室的优缺点

由于我实验室场地的限制，不能建立专用虚拟实验室，因此利用原有计算机资源和场地资源，混用实验室建立了虚拟实验室，其优点:①节约成本;②学生可以将虚拟实验和真正的机能实验有机结合起来，达到印象深刻的目的。缺点:①容易和真实实验造成冲突，比如，老师在让学生做真实实验时，学生却自己用虚拟实验;②在真实实验中，发现在观察实验项目记录图形变化中，有时电脑容易死机，导致观察到的变化不能保存，造成数据的丢失。分析原因:①电脑的内存较小，安装生物实验操作系统软件和虚拟实验室系统软件后，占用了一定量的内存空间，可能留有记录图形变化的内存空间不足，如果连续数次的实验记录存留电脑未及时删除，可能在后续实验观察记录中出现电脑死机现象;②学生操作失误造成的，由于安装生物实验操作系统软件和虚拟实验室系统软件占用了一定量的内存空间，导致电脑运行速度变慢，如果学生在连续点击的情况下，也会出现电脑死机现象。③学生不严格按要求进行操作，不规范使用电脑，随便删除系统文件。解决的方案:①在第一次上实验课时就详细地给学生讲解生物机能实验系统和虚拟实验室的操作方法，同时告知学生电脑运行较慢的原因，一定严格遵守实验规则，规范操作，要有耐心;②及时删除旧的实验记录，为后续实验留有空间;③最有效的办法是更换内存大、运行速度快的主机。

4.2 虚拟实验不能完全替代真实实验，只是对真实实验的一种延伸和强化

尽管虚拟实验室具备上述很多优点，又可以解决学生增多，实验经费、场地、设备短缺的矛盾，虚拟实验的形象生动、直观、交互性，以及在展现实验现象时具有强大的表现力都是真实的实验过程所无法比拟的，然而虚拟实验也有缺点，它不能完全替代真实实验，这是因为:①真实实验对学生动手操作能力的培养有着十分重要和不可替代的作用。②在真实的实验过程中，可能会出现很多异常现象和故障，比如动物麻醉后的死亡，动脉血压测量时插管的凝集，这些在虚拟实验中是不会出现的，而这些现象和故障却可以培养学生分析和解决实际问题的能力，这些能力也是医学生日后走上工作岗位最需要具备的素质。③在真实实验中对不同的干扰因素可以采取相应的措施以减少或排除，在虚拟实验中可以增加干扰参数来仿真，但离真实实验中干扰因素的影响程度还差很远，这样会影响学生对微小变化和非正常信息的感受，学不到这方面的知识，不利于培养学生严谨求实的科学态度。④真实实验的过程也需要一个小组成员的共同合作，包括协作、帮助、沟通和交流、欣赏他人、相互鼓励，这种实验室中亲历其境的合作恰好潜移默化地培养了学生的团队精神[3]。因此，虚拟实验只是对真实实验的一种延伸和强化。

4.3 虚实结合，相辅相成

真实实验帮助学生验证和巩固了课堂的基础理论和基本知识，更重要的是训练了学生的基本技能，培养学生的综合能力和创新能力，虚拟实验辅助真实实验的实施以及教学的顺利进行，为培养学生的创造力提供了有力条件，也为机能学实验的开放，实验室发展提供了一个新的途径。真实实验和虚拟实验都是机能学实验中的重要组成部分，二者相互结合，相互促进。因此，需要我们更新实验教学观念，重新认识虚拟实验室。在机能学实验教学中，需要处理好二者的关系，在实验条件允许情况下，尽量按照教学计划来开展真实实验，不要因为实施虚拟实验较为容易，就忽视了真实实验，同时充分开发虚拟实验，发挥其不可替代的特点和优势，使二者更好地为机能学实验教学服务。

[1]张 刚，罗小华，贺利芳.构建网络虚拟实验室技术研究[J].实验研究与探索，2008，27(3):57 -58.

[2]王建红，古宏标.医学机能学实验[M].北京:中国医药科技出版社，2008:1-3.

[3]徐 静，孙艺平，王冬梅.虚拟实验与真实实验在机能学实验中之比较[J].医学与哲学(人文社会医学版)，2009，30(6):75-76.

[4]刘爱东，王 箐，田 琳，等.我校机能实验教学改革的现状与问题分析[J].医学教育探索，2009，8(11):1455 -1457.

[5]冯长江，陈 月.论仿真实验在实验教学中的地位和作用[J].北华航天工业学院学报，2010，20(Suppl):14-16.

G642.423

A

1006-2769(2012)01-0088-03

2011-11-21

刘爱东(1969-)，女(汉族)，河北定兴县人，学士，副教授，主要从事机能学实验教学、生理学教学和科研工作。