虚拟仿真系统在生理学实验教学中的探索与实践

丁洁琼 唐琼 孟巍 朱海丽（通讯作者）

（湖北科技学院基础医学院生理教研室 湖北 咸宁 437100）

生理学是研究生物体及其各组成部分正常功能活动规律的一门重要基础医学课程，它同时也是一门实验性科学，其所有知识均来自临床实践和实验研究。传统生理学实验教学强调教师为授课主体，医学生仅仅被动接受知识，同时教学中动物、手术器材、药品等资源的不足会导致部分学生没有动手操作的机会，以上均会影响学生学习兴趣和积极性。为确保实验教学质量，采用新的教学方式迫在眉睫。虚拟仿真实验于1989年由美国弗吉尼亚大学William Wulf教授首次提出，旨在构建一种基于网络的实验教学平台，从而实现仪器设备和实验数据等资源的共享[1]。虚拟仿真技术是在多媒体技术与网络通信技术等信息科技发展的基础上，将仿真技术和虚拟现实技术相结合的产物，伴随着此技术在教育领域的应用，虚拟仿真实验作为一种新的教学手段得到迅速发展[2]。本校生理教研室从2016年开始将虚拟仿真实验应用于实验课教学，通过探索生理学实验教学新模式，为医学生搭建低成本、教学模式多样化的实训平台，用以弥补传统实验教学中的不足之处。

1.虚拟仿真系统在生理学实验教学中的应用

当今社会竞争日益激烈，医学生希望在基础医学院学习期间尽量多掌握实践技能。为适应教学形式变化，生理教研室近年引入虚拟仿真系统，将其应用于实验教学各个环节。

1.1 课前预习

开展实验教学之前，预留15分钟给予医学生预习相关内容。学生使用电脑访问局域网，通过虚拟实验室客户端进入电子资料室，通过图片演示原理和实验操作录像，初步掌握实验内容。这种主动的学习方式，提升了学生对生理学实验的兴趣。

1.2 实验教学

生理学实验教学主要涉及动物手术操作，以传统授课方式呈现部分难度较大的实验，很难使医学生真正掌握操作技巧，最终导致手术失败。现今以《神经体液因素及药物对家兔心血管活动的影响》为例，教师可依靠虚拟仿真系统，引导学生进入医学生理学虚拟实验室。每个仿真实验包括：简介、原理、模拟、实验录像和模拟波形5个部分内容。通过鼠标点击实验简介和原理模块，再次巩固基础知识；点击模拟模块，可以随时观看和模拟不同阶段的手术仿真操作，再辅以录像演示家兔麻醉、气管插管、颈部神经分离术和颈总动脉插管等过程，使学生详细的掌握整个操作流程和注意事项；最后学生在虚拟家兔模型上进行不同药物的注射，观察动物仿真血压波形的变化及其对心率的影响。医学生以小组为单位，认真记录虚拟仿真实验中出现的各种现象，并对其进行分析和讨论，同时制定手术操作流程和规范，以期提高实验成功率。在生理学实验教学中引入虚拟仿真系统，将枯燥抽象的知识转化为生动形象的事物，在一定程度上消除由教师个体差异造成的教学质量波动，使实验教学达到理想的效果[3]。

1.3 实验考试

常规的生理学考核源于平时成绩、期末实验操作和理论笔试成绩。根据医学生每次所提交的实验报告确定平时成绩，占10分；期末实验操作考试占20分；理论笔试占70分。针对平时成绩，由于任课教师精力受限，仅依靠实验报告很难客观评价实验小组中每位学生的学习态度等隐性指标；而期末实验考核仅凭一次操作给予成绩，不能形成科学合理的形成性评价方式[4]。由于教学经费的限制，少数班级期末实验考核曾以笔试的方式进行。在精神卫生、眼视光等专业小班教学中，教师减少学生书写实验报告次数，尝试运用虚拟仿真系统中的考场模块进行日常考核。教师依靠题库随机考查学生实验相关知识，另外通过模拟实验考查学生手术操作，再辅以期末操作考试，通过强化形成性评价以期提高学生的学习效果，为优化考评机制提供参考依据。

2.虚拟仿真系统在生理学实验教学中的优点

在生理学实验课程中，虚拟仿真实验教学依托数据库、多媒体资源和网络通讯等技术，采取以学生为主体和教师为主导的教学模式。医学生在虚拟环境中运用各种设备和实验器械开展操作，以达到学习训练的目的[5]。与传统实验教学比较，其优点如下：

2.1 虚拟仿真实验教学节省实验经费，降低实验难度

传统实验所用实验动物和仪器损耗较大，引进虚拟仿真系统后，一套生理实验多媒体教学软件可供不同年级和专业的医学生反复开展预实验，而无需额外消耗实验资源，节省了实验经费。例如呼吸、血液循环等实验，医学生通过人机交互进行模拟操作，真实体验手术过程，进而降低了实验难度，同时节约了教学成本。

2.2 虚拟仿真实验教学培养了学生自主学习能力

传统实验教学采取“满堂灌”的教学方法，教师首先示教，然后在实验过程中纠正学生出现的操作错误，其弊病在于造成学生对老师的依赖心理[6]。为培养学生自主学习能力，教师在实验课上要求医学生以小组为单位（人数控制在3～4人）进行模拟手术操作。以家兔手术为例，如果动物未经称重而直接进入麻醉模式时，系统会以红叉提示进而无法进入下一步操作。出现类似问题时，教师引导学生自行查阅电子资料，然后经小组讨论以及老师的提示，学生基本可以自行解决各种问题。以虚拟仿真系统为基础，这种开放式的学习方式同时也培养了医学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

2.3 虚拟仿真实验教学增强学生操作技能，提高教学效果

应用虚拟仿真实验，可以加深医学生对某个实验原理和方法的感性认知，最终提高该实验的成功率和实验教学效果[7]。例如，针对护理专业学生，可以利用生理学虚拟仿真实验强化家兔耳缘静脉注射、气管插管、导尿等护理常规操作技术。这种教学模式表达直观，允许操作者反复尝试，且每位学生均可参与其中，最终强化了学生的操作技能。

3.虚拟仿真系统在生理学实验教学中的不足之处

目前，该套虚拟仿真系统仅在实验室局域网内使用，医学生无法在实验课以外的时间和地点通过移动终端进行访问。因此后期需要进行技术升级，将虚拟仿真系统与校园网整合，允许学生随时随地通过网络进行学习。此外，模拟考场允许同时在线的人数不能超过30人，当班级人数较多时，其考核效率不是太高，希望在后期的技术升级中，考虑到现实情况将系统做得更完善。在计算机环境中构建的虚拟仿真环境与现实环境比较，其实验设备和器械略有差异，这需要教研室根据实际情况和医学生的反馈意见，制作适合本院学生的虚拟仿真实验模块，以弥补其缺陷；同时结合教研室自身的科研成果，适当增加综合性实验，作为选修课内容扩展医学生知识面。

总之，使用虚拟仿真系统是推进完善现有实践教学体系、提高实验教学质量的重要举措。在今后的工作中，教研室教师将不断完善生理学虚拟仿真实验教学平台的功能，为培养高质量医学人才服务。

[1] Kouzes RT, Myers JD, Wulf WA. Collaboratories: doing science on the Internet. IEEE Computer[J],1996,29(8):40-46.

[2]杨丹聃,王志飞,王艳玲,等.基础医学虚拟仿真实验模式探究[J].实验技术与管理,2017,34(3):124-126.

[3]杜鹃,尹艳艳,沈兵.虚拟仿真实验教学系统在机能学实验中的运用[J].基础医学教育,2015,17(2):155-156.

[4]吕慧明.虚拟仿真实验教学平台在护理机能学实验教学中的应用[J].教育教学论坛,2016,44:273-274.

[5]周莉.虚拟仿真实验系统在内分泌生理学、病理生理学实习教学中的应用研究[J].2017,1(2):255-256.

[6]朱晓琴,雷水生,胡景鑫,等.医学机能实验教学改革探索[J].中华医学教育杂志,2012,32(3):441-443.

[7]方振华,王锐萍,傅丽容.虚拟仿真技术在人体解剖生理学实验教学中的应用[J].教育现代化,2017,34:150-151.