医学虚拟实验的教学应用限度研究

李斯萌,杨 雪,黄海林

(吉林大学高等教育研究所,吉林 长春 130012)

医学虚拟实验引入教学的出发点在于助推专业理论与实践相结合。寻求应用边界,可以促使教学价值的科学化实现。确定医学虚拟实验涉入教学的平衡点,可以从教学功能、技术支撑与用户体验三方面加以界定。

一、教学功能限度

教学功能指经由教学行为实现的具象投射与认知范围。课程结构的合理配置是实现教学功能最大发挥的前提,在此基础上才能根据实验类型及其相应适宜度匹配真实实验和虚拟实验。教学功能限度的研究是依据基础医学实验教学的课程结构安排及科目之间的体系构成,总结出了基础医学实验课程的项目类型及虚拟实验应用的适宜度,具体见表1。

表1 基础医学实验课程结构(部分)、类型及虚拟实验应用适宜度

通过优化课程结构、解析教学功能,可以将教学功能限度分为课程结构、再现程度与虚拟实验的应用匹配度三个层级。

1.课程结构。课程结构是指通过虚拟实验可以有效再现哪些教学内容,不仅包含课程体系构建,而且关乎教学功能实现。基础医学实验课程已积累大量的具备实现虚拟实验教学的素材,如:(1)机能学。有机承继生理学、病理生理学和药理学的技术脉络,通过掌握实验设计步骤及常用仪器使用方法,验证习得理论。由于虚拟现实技术具备逼真模仿与再现实验的条件,生理学实验如“蟾蜍坐骨神经—腓肠肌标本制备”适合经由虚拟实验的“定向、分解、整合、熟练”过程达到强化实验原理与规程的目的。(2)形态学。虚拟实验力图实现图文并茂、病变典型,推进了显微镜的倍率和测量功能的实现,为显微镜虚拟操作与仿真镜读片推广提供了可能性,一定程度上缓解了片库资源短缺问题。(3)病原遗传细胞生物学。涉及到使用生化培养箱的项目,可以通过运用虚拟实验,缩短微生物生长周期,加速实验观察进程。(4)人体解剖学。在讲授“心腔与瓣膜的形状和作用”时,虚拟实验从多视角展示器官的形态结构,使得学生可以清晰观察膜关闭房室口和动脉口从而防止血液倒流的过程。

2.再现程度。真实实验从多方面调动感知器官,通过不同程度的神经刺激,推动认知过程延续;桌面虚拟实验强调真实实验在电子显示设备上的视觉可再现性,仅提供视听感知,一定程度制约了真实场景的可再现性。而味觉敏感度实验、嗅觉功能测查实验、检验医学等又难以用虚拟实验替代,制约了学习经验的完整性。按味/嗅觉类、触觉类、视/听觉类实验逐渐从低级到高级,形成与实验再现程度互为基奠的层级递进关系。

3.应用匹配的适宜度。虚拟实验和真实实验之间存在着辩证关系,这里的适宜度是指虚实之间的平衡。依据基础医学实验课程模块划分,其应用层级依次为:基本、综合、创新。现今虚拟实验多验证、演示型等基本实验,少综合设计型实验,而创新型实验不易于开发:一方面受虚拟实验软件智能程度制约,另一方面实验本身的创新性加剧了实验系统的复杂程度。

二、技术支撑限度

技术支撑限度涉及技术、资金、人力等成本因素,即投入产出平衡。应遵循“从需求出发进行设计,以实现教学目标为最终目的”的原则。

1.开发技术。现有技术在一定程度上制约了开发者的想像力,无论是智能程度、复杂场景,还是网络环境等因素,技术支撑均存在一定的实现范围。(1)复杂场景:复杂情境的实验环境伴随浩大的建模工程量。面对多项目、少经费等现实条件制约时,难以应对开发速率需求。(2)网络环境:由于上网人数剧增及其不平衡性,海量由计算机图形技术生成的三维模型数据绘制的虚拟场景难以实时交互。(3)智能程度:指该系统具备的人工智能程度——低智能度的虚拟实验往往脱离真实实验场景。如麻醉解剖水蛭实验中,某一指定步骤必须选取镊子才能继续,而选取解剖刀、剪刀等工具则无响应。真实场景中,由工具选取错误导致实验失误实属常见;而虚拟场景中,操作失误状况往往由于受到智能程度制约被忽略。

2.适用技术。适用技术的核心应用理念在于:选用恰当技术,明晰开发现状,降低运行成本,见表2。它应具备如下特点:首先,技术简单易学。其次,跨平台,可扩展。既不依赖于操作系统,也不依赖硬件环境。最后,在最大限度保障系统稳定性及网络传输通畅性同时,易于开发更新,并为维护升级备足空间。

表2 虚拟实验应用技术特点

3.资源配置。(1)人力资源。指依据具体地区的人力资源市场、社会文化环境、等因素组成以教育技术专业人士为主体,建有医学、计算机相关领域人员参加的实验研发队伍。具体组建形式与规模应达成项目需求、技术组成和人力成本的总体平衡。(2)资金运作。旨在投资、市场、企业承受能力、资金回笼周期上寻求最佳平衡点,涉及市场需求、管理成本、营销费用、资金回笼周期因素,受到开发单位的经济实力和资金限制。

三、学习者体验限度

学习者体验限度,指用户对于虚拟实验系统的认知印象和回应。技术哲学观点认为:在理性知识衍生中的技术,仅仅是科学原理的延伸和应用,人的主体地位却是缺失的。要使技术过程以人为的存在发挥出为人的功能,必须从外部注入并赋予其人文和文化的意义[1]。例如,苹果公司的战略本质在于用户体验,它的成功源于对用户如何最大程度使用计算机的透彻理解。

虚拟实验作为“属人技术”,即技术手段被赋予人文价值的核心意义,注定其本质在于辅助教学推展。因此,如何把握学习者的情感体验限度,通过提供个性化服务,创设积极评价场景,跟踪学习进程,及时鼓励进步,感知学习中遇到的困难,最终增进学习者使用的忠诚度,是基于理论研究与现实意义的双重考量。

以往调查显示,学生使用虚拟实验学习时大致会遇到三类困难——情感体验缺乏、内容认知障碍和技术操作困难[2]。鉴于此,有必要将学习者体验作为认知与情感的整合系统来考虑,并对增进体验提出对策。

1.情感体验:增进师生交互,挖掘情感体验。情感体验指虚拟实验教学互动过程中的瞬间用户体验。由于不具备面授教学时的充足交流,虚拟实验的学习者情感体验缺乏往往成为影响认知效果的核心因素。对此,应鼓励师生及时交流,使得教师更好地把握学生认知活动的思维过程,从而帮助完善学习策略。

2.内容认知:关注实验场景,激发认知热忱。以往调查显示,54.1%的学生认为虚拟实验缺乏细致的场景设计使得认知过程变得困难[2]。对此,应关注实验场景建设。细化场景设计可以提升学生对媒介环境的感官沉浸度,助推能动效应成为实验教学交互的起点、动力与依托。

3.技术操作:把握操作提示,引导知识迁移。恰当运用操作过程提示,可以在减轻认知负担的同时,引导学生遵循正确步骤领会教学内容,并完成知识的同化、顺应和迁移。如ELISA法检测血样实验中,可在操作窗口下方增设步骤提示——将移液器按键调至指定数额。通过操作提示,正确的实验步骤得以强化,有利于学生在真实场景中对同规则的相似情境做出正确反应。

四、结 语

唯物辩证法指出:一切事物均处在永不停息的运动、变化和发展过程中。处于发展变化中的虚拟实验,随着课程结构设置及技术运用理念的转型升级,其应用边界亦会发生改变,并在一定时空范围内具有相对性。基于当前医学教育实践中的教学功能、技术支撑及学习者体验三重视角对当前虚拟实验的应用限度加以研究,以期为医学教育的多元创生设计途径,促使在所属领域实现应用价值的科学化。

[1]李 莉.现代教育技术应用限度的哲学考察[J]当代教育论坛,2008(4):60-61.

[2]魏书莉.桌面虚拟实验中的认知摩擦问题研究[D]长春:吉林大学,2010.14-15.