教學(xué)實踐中機能虛擬仿真實驗平臺的發(fā)展與完善

趙元淑 許小洋

廣州醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣東省廣州市 511436

醫(yī)學(xué)機能實驗學(xué)是高等醫(yī)學(xué)院?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)中重要的實驗課程，該課程將醫(yī)學(xué)課程中的生理學(xué)、病理生理學(xué)、藥理學(xué)等基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課程的實驗內(nèi)容進行有機結(jié)合，對于培養(yǎng)學(xué)生動手、分析問題、解決問題的能力尤為重要，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和臨床知識的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。近年來，教育部、衛(wèi)生部啟動和實施的“教學(xué)質(zhì)量工程”“十二五”發(fā)展規(guī)劃中特別強調(diào)實驗教學(xué)的重要性。為了提高實驗教學(xué)質(zhì)量，解決醫(yī)學(xué)院校實驗教學(xué)資源相對不足的弊端，國內(nèi)一些高校利用最新的計算機虛擬現(xiàn)實(Virtual reality，VR) 技術(shù)進行實驗虛擬平臺的建設(shè)，如南方醫(yī)科大學(xué)的“病理學(xué)遠程虛擬實驗室”[1]、中山醫(yī)科大學(xué)的虛擬仿真中心等。我校也緊跟最新的教學(xué)改革形式，在國內(nèi)較早進行了機能虛擬實驗課程的建設(shè)，該課程對傳統(tǒng)的機能實驗教學(xué)方式起到了有效的補充及促進，我校機能中心針對該課程在教學(xué)實踐過程中也出現(xiàn)了一些問題對虛擬實驗平臺進行了相應(yīng)改進和完善，對發(fā)揮虛擬課程在實驗教學(xué)中的作用進行有益的探索。

1 醫(yī)學(xué)機能實驗學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀分析

實驗教學(xué)最主要是培養(yǎng)和提高學(xué)生的基本操作能力、綜合能力和創(chuàng)新能力[2]。隨著全國高校學(xué)生的擴招，教學(xué)資源變得相對不足，尤其是醫(yī)學(xué)院校，由于醫(yī)學(xué)實驗課程教學(xué)內(nèi)容的特殊性，需要用到大量的實驗動物和昂貴的實驗試劑，實驗課開設(shè)成本高，不能滿足學(xué)生反復(fù)操作探究實驗機理的愿望，嚴重限制了學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了節(jié)約教學(xué)資源，規(guī)范學(xué)生的操作技能，提高學(xué)生參與實驗的興趣，我校機能實驗中心從2006年開始陸續(xù)研發(fā)虛擬實驗軟件，將一部分實驗項目制作成學(xué)生感興趣的虛擬游戲，讓學(xué)生利用選修課的形式進行學(xué)習(xí)。通過近10年的改進，虛擬實驗軟件對于促進機能實驗教學(xué)起到了一定的效果，但是教學(xué)實踐過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。

(1)虛擬實驗項目有待進一步豐富。從2006年開始，我校機能實驗中心陸續(xù)研發(fā)了家兔、青蛙的虛擬實驗項目共8項[3]，主要為機能的經(jīng)典驗證性實驗。隨著課程改革的不斷深入，保留經(jīng)典驗證性實驗，增加綜合性實驗、設(shè)計性實驗是我國高等醫(yī)學(xué)實驗教育的共識[4]。目前我校虛擬實驗平臺存在綜合性實驗項目數(shù)量不足，實驗項目也只限于動物實驗，缺乏實驗的延伸和拓展項目。此外，學(xué)生們對于醫(yī)學(xué)前沿知識有很濃厚的興趣，而我們的實驗內(nèi)容多為基礎(chǔ)知識，不利于學(xué)生對新知識的學(xué)習(xí)及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。(2)高端科研儀器的數(shù)量不能滿足學(xué)生的需要。由于教學(xué)和科研的需要，我校機能中心購置了膜片鉗、流式細胞儀等高端科研儀器設(shè)備。但是由于高端科研儀器使用成本高，數(shù)量有限，不可能使每一名學(xué)生都受益，而學(xué)生又對膜片鉗、流式細胞儀等高端科研儀器資源的使用很感興趣，希望了解基本的使用方法。(3)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育與臨床醫(yī)學(xué)知識脫節(jié)。目前機能中心的虛擬實驗都是動物水平的實驗項目，實驗項目存在一定的局限性，這就造成學(xué)生們在未來進行臨床課程學(xué)習(xí)時，很難將從前學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識與臨床結(jié)合起來[5]。雖然綜合性實驗項目與臨床有一定的關(guān)聯(lián)，但是沒能從實質(zhì)上解決基礎(chǔ)與臨床脫節(jié)的問題，學(xué)生進入臨床后，仍然不能用基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)知識解釋臨床現(xiàn)象。(4)現(xiàn)有虛擬實驗平臺資源有限。我校從2006年開始陸續(xù)建設(shè)虛擬實驗平臺，平臺資源主要由機能虛擬實驗項目構(gòu)成，雖然這些實驗項目對實驗教學(xué)起到了輔助作用，但是虛擬資源相對有限，缺乏與學(xué)生生活相關(guān)的趣味性內(nèi)容，學(xué)生在課下的點擊率并不是很高。(5)學(xué)生在虛擬實驗課中缺乏溝通。虛擬仿真實驗對電腦軟件的依賴性大，久而久之，學(xué)生相互交流相對于傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ接兴鶞p少，不利于學(xué)生團隊協(xié)作意識培養(yǎng)[6-7]。在前期的虛擬實驗課程中，我們采用一名同學(xué)操作一臺電腦的形式，學(xué)生間相互討論交流的機會較少，待回歸到傳統(tǒng)實驗操作時，同學(xué)間協(xié)作的默契性較差。

2 機能虛擬仿真實驗平臺的發(fā)展與完善

針對虛擬實驗平臺實踐中出現(xiàn)的問題，機能中心及時改進創(chuàng)新，在原有實驗平臺建設(shè)的基礎(chǔ)上，采取如下完善措施：(1)優(yōu)化虛擬實驗內(nèi)容：中心運用現(xiàn)代教育理念構(gòu)建創(chuàng)新課程體系，增加綜合性實驗比例、增設(shè)了設(shè)計性實驗項目，新增如油酸性呼吸窘迫綜合征的發(fā)生與治療等9個綜合性實驗的虛擬實驗項目，實現(xiàn)3個學(xué)科(生理學(xué)、病理生理學(xué)、藥理學(xué))實驗教學(xué)內(nèi)容實質(zhì)性的融合；并且開發(fā)3項人體機能虛擬實驗項目。至此，虛擬實驗平臺包括家兔、蛙、人的9大系統(tǒng)的18個實驗項目，實驗內(nèi)容逐漸豐富。此外，為了開闊學(xué)生視野、提升知識水平，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，中心還積極將教師的科研成果引入教學(xué)，開發(fā)設(shè)計了如硫化氫對消化道平滑肌的影響等6項課外虛擬實驗項目。使學(xué)生能通過虛擬實驗項目了解科研最新動態(tài)，提高學(xué)生的科研素養(yǎng)，實現(xiàn)了科研和教學(xué)的相互轉(zhuǎn)化。(2)增加虛擬實驗儀器項目。為了滿足學(xué)生對高端儀器學(xué)習(xí)的愿望，讓學(xué)生們在實際使用前熟練掌握基本的操作技能，中心還請專業(yè)公司拍攝膜片鉗、流式細胞儀、PCR儀等高端實驗儀器，收集素材；由中心具有經(jīng)驗的教師設(shè)計編寫實驗?zāi)_本；由公司進行虛擬實驗儀器的軟件制作。軟件仍然采用學(xué)生感興趣的游戲形式呈現(xiàn)，學(xué)生只有采用正確的使用方法才能游戲通關(guān)，界面仿真度高，人機交互性強。(3)國內(nèi)首創(chuàng)應(yīng)用模擬人服務(wù)于機能實驗教學(xué)。為了解決基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)知識與臨床醫(yī)學(xué)知識教育脫節(jié)的問題，我們將臨床技能中心引進的美國METI生產(chǎn)的高級綜合模擬訓(xùn)練系統(tǒng) (Emergency care simulator，ECS)應(yīng)用于機能實驗教學(xué)中。該系統(tǒng)利用計算機互動模型以及虛擬科技等模擬系統(tǒng)，模擬各種患者的生理及病理學(xué)特征，對所實施的各項操作產(chǎn)生相應(yīng)的生理反應(yīng)，并在相關(guān)的監(jiān)護設(shè)備中顯示相應(yīng)的生理數(shù)據(jù)，創(chuàng)建交互式教學(xué)情景，實現(xiàn)臨床真實場景下的治療。中心將基礎(chǔ)知識與臨床醫(yī)學(xué)課程相近的實驗內(nèi)容進行融合，設(shè)計一些臨床表現(xiàn)與基礎(chǔ)知識相結(jié)合的典型實驗，通過腳本編寫、程序編輯、預(yù)試驗等過程，開發(fā)出10個模擬人仿真實驗項目。這些實驗項目具有高度安全性、高度仿真性、高度可控性、無任何風(fēng)險等特點，實現(xiàn)了最大程度的虛擬仿真。(4)優(yōu)化虛擬實驗平臺內(nèi)容，提高學(xué)生參與興趣。通常情況下，一提到學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生們就會覺得枯燥乏味，因此缺乏主動學(xué)習(xí)的興趣。為了增加學(xué)生對虛擬實驗平臺的關(guān)注度，中心增加了虛擬實驗平臺的內(nèi)容。該平臺除了具有與課堂內(nèi)容相關(guān)的虛擬動物實驗室、虛擬人體實驗室、虛擬儀器室外，還有虛擬資料室，學(xué)生在這里可以查閱教師上課的PPT課件、題庫、授課視頻等內(nèi)容。此外，虛擬實驗中心還設(shè)立科普課堂，請專業(yè)教師講授將與生活相關(guān)的機能課程內(nèi)容制作成視頻，力求知識趣味化、通俗化，比如緊跟社會熱點，制作了《霧霾—呼吸之殤》等一系列科普宣傳視頻，學(xué)生在進行科普教育的同時也學(xué)到了機能的相關(guān)知識，寓教于樂。將教師的科研成果應(yīng)用在教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力是我校教科研的指導(dǎo)方向。近年來，我校引導(dǎo)教師把科研成果轉(zhuǎn)化為科普講座，在虛擬實驗中心中設(shè)立學(xué)生第二課堂，在教學(xué)中分享教師科研工作的成果，加強學(xué)生科研素質(zhì)、創(chuàng)新意識以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，取得了一定成效，受到學(xué)生的歡迎。如基礎(chǔ)學(xué)院羅健東教授把教育部獲獎成果——辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及機制轉(zhuǎn)化為科普講座，藥學(xué)系袁牧教授結(jié)合自己主持研制的國家一類新藥萘哌地爾(國藥證字X20010136)項目作了新藥設(shè)計與構(gòu)效關(guān)系的科普講座。這種科普講座不僅增加了醫(yī)學(xué)生對新技術(shù)、新成果的了解, 拓寬了他們的視野，也使學(xué)生對今后從事的醫(yī)學(xué)科研工作有了初步了解，逐步培養(yǎng)他們對科研工作的思維能力，這有利于學(xué)生進實驗室獨立開展課外科研活動，獲得良好的教學(xué)效果，也使得科研促進教學(xué)的內(nèi)涵得到了豐富和延伸。(5)改變機能虛擬實驗授課形式。在機能虛擬實驗學(xué)選修課時，學(xué)生以小組為單位進行學(xué)習(xí)，教師只負責(zé)課堂組織，不負責(zé)解答學(xué)生的問題，有疑問時由各小組自行討論、查閱資料解決。

3 機能虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用及體會

建設(shè)完善后的機能實驗平臺，已實現(xiàn)虛擬仿真實驗與真實實驗互補一體化，虛實并存，實為主體，以虛補實，虛實雙促的特色。以創(chuàng)新能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育為目標，全面推動實驗課程的全方位改革。

改進后的虛擬實驗平臺以公修課面向臨床醫(yī)學(xué)、口腔醫(yī)學(xué)、麻醉學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)、檢驗學(xué)、影像學(xué)和護理學(xué)等各專業(yè)本科生選修學(xué)習(xí)；并依托校園網(wǎng)，向全院的師生開放，學(xué)生和教師可以隨時隨地通過登錄校園網(wǎng)平臺進行學(xué)習(xí)，方便學(xué)生自主支配學(xué)習(xí)時間。該平臺在教學(xué)中的應(yīng)用具有無可比擬的優(yōu)點：虛擬實驗項目齊全，它不僅減少了資金的投入，而且減少了對實驗動物的需求，體現(xiàn)了人道主義精神。學(xué)生可反復(fù)通過實驗?zāi)M進行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，為較好地避免操作失誤、提高實驗效率和減少不必要的實驗損失提供一個良好的平臺，大大減少了實驗動物的利用和資金的投入，解決了因?qū)W生人數(shù)增加而造成的實驗設(shè)備、場地和資金等不足問題。虛擬實驗儀器項目解決了高端科研儀器相對不足的狀況，又滿足了學(xué)生學(xué)習(xí)的愿望，提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識；為學(xué)生了解高端科研儀器的基本使用方法、未來應(yīng)用儀器及科研打下基礎(chǔ)；模擬人仿真實驗項目將基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)有效結(jié)合，使學(xué)生能夠用基礎(chǔ)的理論知識解決臨床現(xiàn)象，為學(xué)生進入臨床打下堅實的理論基礎(chǔ)；網(wǎng)絡(luò)視頻課堂內(nèi)容豐富，趣味性強，緊跟社會熱點和科研前沿，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性；改進后的虛擬實驗選修課方式，使學(xué)生可以通過討論、相互協(xié)作完成虛擬實驗項目，培養(yǎng)了學(xué)生協(xié)作意識。

每學(xué)期末我們都會給學(xué)生發(fā)調(diào)查問卷，了解學(xué)生對機能虛擬平臺的使用效果，調(diào)查結(jié)果顯示，對該平臺設(shè)計的滿意率為100%，類似玩游戲的實驗方式使學(xué)生感興趣的比例為100%；97.8%的學(xué)生認為能提高手術(shù)操作技能，98.6%的學(xué)生認為對避免實際操作中常犯的錯誤有很大幫助，93%的學(xué)生認為拓展了教學(xué)內(nèi)容并使之更為生動，92%的學(xué)生認為提高了學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力。

在我們虛擬實驗平臺建設(shè)實施的過程中也存在一些不足，比如，新開設(shè)的虛擬儀器和模擬人仿真實驗項目不是很豐富，沒能針對護理、檢驗專業(yè)研發(fā)一些專業(yè)性強的虛擬實驗項目，未來，隨著中心的不斷發(fā)展，虛擬仿真實驗平臺也會日益完善。

將現(xiàn)代化的教學(xué)手段服務(wù)于機能實驗教學(xué)，使機能的實驗教學(xué)不再是課堂理論的重復(fù)，而是學(xué)生主動學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的過程，是基礎(chǔ)理論和臨床技能整合的過程，是課內(nèi)外知識延伸和拓展的過程，我校機能虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)和完善對于機能的實驗教學(xué)是一個有益的探索和嘗試。