虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法在人體生理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

黃 娟，徐子彤，麻 凱，孫遠(yuǎn)紅，瞿永華*

（武漢輕工大學(xué)醫(yī)學(xué)與健康學(xué)院，湖北 武漢 430023）

人體生理學(xué)是醫(yī)學(xué)院的重要基礎(chǔ)課程之一，屬于實(shí)驗(yàn)科學(xué)的范疇，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)習(xí)該學(xué)科必不可少的一部分。2015 年以前，武漢輕工大學(xué)（以下簡稱“我校”）生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、經(jīng)費(fèi)等條件的制約，造成生理學(xué)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量無法達(dá)到預(yù)期的效果。2015 年時(shí)，我校啟動(dòng)了醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，引進(jìn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)，利用虛擬化完成了更多的教學(xué)內(nèi)容。但在疫情防控期間，我校全覆蓋采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課程內(nèi)容教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)際操作技術(shù)和動(dòng)手能力不及傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。2021 年，我校采取傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法開展生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，在一定程度上提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣和教學(xué)質(zhì)量。本文主要是從這三種方法的使用效果評(píng)價(jià)進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的效果評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要是由教師先講解實(shí)驗(yàn)的目的要求、內(nèi)容以及注意事項(xiàng)等方面的知識(shí)，然后學(xué)生根據(jù)教師的指導(dǎo)和演示完成實(shí)驗(yàn)。

1.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢

1.1.1 有利于提高學(xué)生的操作技術(shù)和動(dòng)手能力

生理學(xué)實(shí)驗(yàn)是以活的動(dòng)物或人體作為觀察對(duì)象和實(shí)驗(yàn)材料的。在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中，操作技術(shù)和動(dòng)手能力對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的成功與否具有重要的影響。在實(shí)體實(shí)驗(yàn)的操作過程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)和掌握一些基本的操作技術(shù)，例如手術(shù)器械的使用方法和技巧、動(dòng)物固定的方式和手術(shù)結(jié)打結(jié)的方法等操作。

1.1.2 有利于促進(jìn)學(xué)生思維能力的發(fā)展

在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過程中，動(dòng)物會(huì)受到許多因素的干擾進(jìn)而引發(fā)各種現(xiàn)象，學(xué)生可以通過觀察實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，對(duì)比分析出現(xiàn)不同結(jié)果的原因，并總結(jié)能從中得到什么結(jié)論或啟示。

1.1.3 有利于培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作的精神

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要采用小組成員之間共同合作的實(shí)驗(yàn)方式，小組內(nèi)團(tuán)結(jié)、配合、分工協(xié)作完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。因此，在實(shí)驗(yàn)的過程中，在實(shí)驗(yàn)井然有序地進(jìn)行的同時(shí)還可以培養(yǎng)同學(xué)們團(tuán)隊(duì)合作的精神。

1.2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的劣勢

1.2.1 實(shí)驗(yàn)資源匱乏，安全隱患高

在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生常常會(huì)因?yàn)橘Y金匱乏，動(dòng)物數(shù)量有限，實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)器械和設(shè)備種類繁多復(fù)雜，不容易掌握實(shí)驗(yàn)方法。如果學(xué)生沒有掌握這些儀器的使用方法，可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中因使用方法不恰當(dāng)，造成實(shí)驗(yàn)中斷或動(dòng)物死亡，甚至還可能會(huì)因?yàn)樽侥眠^程中不小心被動(dòng)物抓傷的情況。傳統(tǒng)的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)還存在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物供不應(yīng)求和安全隱患等方面的問題。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)條件有限，導(dǎo)致某些實(shí)驗(yàn)無法開展

生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往會(huì)受到教學(xué)經(jīng)費(fèi)短缺、實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少與生物倫理等因素的制約，使得一些實(shí)驗(yàn)無法開展。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果不佳

生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，教師會(huì)先講解實(shí)驗(yàn)的目的、操作步驟與注意事項(xiàng)，學(xué)生們按照老師的指示和步驟進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方面多數(shù)是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)沒有獨(dú)立的思考，長期如此反復(fù)，學(xué)生們會(huì)把人體生理學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一種刻板完成任務(wù)的實(shí)驗(yàn)課。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法的效果評(píng)價(jià)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法主要是通過將計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，利用虛擬動(dòng)物來模擬實(shí)際生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作過程。

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢

2.1.1 提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性

在一些安全系數(shù)較低的實(shí)驗(yàn)中，若操作不慎，容易給操作者帶來危害，如生理學(xué)上的缺氧實(shí)驗(yàn)中氣體制備和藥物使用具有一定的安全隱患，操作過程中不夠?qū)Ｐ木涂赡軙?huì)對(duì)身體造成危害。除此之外，在一些實(shí)驗(yàn)中需要用大只的動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)，如捉拿的方式不正確或者麻醉藥不足時(shí)，也可能會(huì)出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的過程中被動(dòng)物抓傷或者咬傷的情況。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作過程是無須動(dòng)物無須藥品試劑的，任何實(shí)驗(yàn)都能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。

2.1.2 優(yōu)化人體生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源

傳統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)常常會(huì)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)動(dòng)物、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、經(jīng)費(fèi)等條件的制約，導(dǎo)致我們能開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容不夠豐富。但通過采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅可以改變傳統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷，還可以開展更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要是采用虛擬動(dòng)物來模擬實(shí)體實(shí)驗(yàn)，無須實(shí)驗(yàn)材料，不管進(jìn)行多少次實(shí)驗(yàn)都不需要額外的教學(xué)資源投入，大大減少了經(jīng)費(fèi)的支出，同時(shí)省去繁雜的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。

2.1.3 增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，提高教學(xué)效果

通過利用計(jì)算機(jī)的模擬功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅能夠滿足在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)緩慢過程的快速化或快速過程的緩慢化，還能夠滿足實(shí)驗(yàn)者隨時(shí)停止實(shí)驗(yàn)或查資料的需要。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式而言，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠通過虛擬操作的演示和互動(dòng)，把實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)表示出來，學(xué)生能夠通過虛擬實(shí)驗(yàn)熟悉實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)基本操作，掌握實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。例如，在影響尿生成因素虛擬實(shí)驗(yàn)中，采用大量的數(shù)據(jù)曲線，結(jié)合2D和3D動(dòng)畫、實(shí)驗(yàn)操作錄像，生動(dòng)形象地展示了影響尿液的生成因素及其原理機(jī)制，實(shí)驗(yàn)完成后還可以進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)自測。除此之外，虛擬仿真教學(xué)體系不受時(shí)間和空間的束縛，學(xué)生和教師可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而解決了因課程學(xué)時(shí)不足而帶來的困擾。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的缺點(diǎn)

2.2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展還不夠完善

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)的過程中，可能會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)管理體系上的不足、計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不強(qiáng)或設(shè)備陳舊等因素的影響，在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作過程中不能進(jìn)行步驟跳躍，出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法完成。

2.2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)不能夠完全代替實(shí)體實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法

傳統(tǒng)的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以提升學(xué)生的實(shí)際操作水平，有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面實(shí)驗(yàn)操作的認(rèn)知，為今后其他醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)屬于實(shí)驗(yàn)操作模擬的范疇，學(xué)生并沒有真實(shí)體驗(yàn)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的操作，因此，與傳統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還具有一定的局限性。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖然能夠解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上大部分的缺陷，但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)無法解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中所出現(xiàn)的問題，例如消毒的部位和方式、穿刺的方法與藥劑的劑量等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是程序化的過程，固定化的結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生缺乏獨(dú)立思考問題的能力。

2.2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的普及程度不足

從河北省交管局獲悉，河北省交管部門扎實(shí)開展交通秩序整治工程，上半年河北省交通事故起數(shù)、死亡人數(shù)同比分別下降15.34%、28.05%，未發(fā)生一次死亡10人以上重特大道路交通事故。河北省累計(jì)查處交通違法行為1719萬起，同比增長20%；現(xiàn)場執(zhí)法總量達(dá)到359萬起，同比增長120%

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的使用上，我校主要是通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)操作錄像向同學(xué)們展示實(shí)驗(yàn)的具體操作過程，讓同學(xué)們更加直觀地看到實(shí)驗(yàn)的操作過程，用來補(bǔ)充在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂上沒能夠展示出的內(nèi)容。

3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法的效果評(píng)價(jià)

虛實(shí)結(jié)合法就是通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)手段相互結(jié)合形成的一種教學(xué)方法，利用虛擬實(shí)驗(yàn)來促進(jìn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。

3.1 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢

3.1.1 虛實(shí)結(jié)合法推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的改革發(fā)展

隨著教育模式的改革發(fā)展，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式無法滿足現(xiàn)階段教學(xué)的需求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段是由信息技術(shù)與教育深度融合形成的，還存在一定的局限性，不能夠全方位覆蓋使用。因此，我們采取了虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，恰巧能夠達(dá)到相互彌補(bǔ)，使得生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在生理學(xué)中發(fā)揮更大的作用。

3.1.2 虛實(shí)結(jié)合法提升實(shí)驗(yàn)效果，發(fā)揮以虛促實(shí)的作用

我們通過對(duì)20 級(jí)康復(fù)治療學(xué)部分學(xué)生做了問卷調(diào)查，其中97.9%的學(xué)生對(duì)虛實(shí)結(jié)合法的教學(xué)方式呈滿意的態(tài)度、92.4%的學(xué)生對(duì)我校的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)感興趣，99.4%的學(xué)生認(rèn)為通過虛實(shí)結(jié)合可以減少實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作過程中的錯(cuò)誤。學(xué)生使用虛實(shí)結(jié)合的模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅提高了實(shí)驗(yàn)動(dòng)手的能力，而且還提高了實(shí)體實(shí)驗(yàn)的成功率。2021 年我校醫(yī)學(xué)院在校學(xué)生參加了湖北省第一屆大學(xué)生醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技能大賽，并獲得特等獎(jiǎng)一項(xiàng)和二等獎(jiǎng)三項(xiàng)。

3.1.3 虛實(shí)結(jié)合法提高課堂教學(xué)的效率

在虛實(shí)結(jié)合式教學(xué)模式中，學(xué)生可以通過利用課余時(shí)間在虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)上完成知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)以達(dá)到預(yù)習(xí)的目的，教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，對(duì)其在虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)上自主學(xué)習(xí)完成的情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，讓同學(xué)們了解自己的學(xué)習(xí)成果并從中汲取經(jīng)驗(yàn)，這不僅可以提高教師與學(xué)生之間互動(dòng)的有效性，還促進(jìn)了教學(xué)相長。

3.2 虛實(shí)結(jié)合法的缺點(diǎn)

3.2.1 虛實(shí)結(jié)合法教學(xué)模式還不夠成熟

在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上采取虛實(shí)結(jié)合法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于教學(xué)模式不夠成熟導(dǎo)致傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛實(shí)仿真兩種方法在知識(shí)點(diǎn)的銜接上出現(xiàn)了分歧，教師無法把兩種教學(xué)模式緊密銜接起來，甚至還需要教師在課程教學(xué)前花費(fèi)大量的時(shí)間去探討分析。

3.2.2 虛實(shí)結(jié)合法教學(xué)資源管理體系仍存在不足

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)體系的資源需要不斷地豐富和完善。雖然目前我們線上的教學(xué)資源已經(jīng)達(dá)到了教學(xué)的需求，但是人體生理學(xué)的內(nèi)容在不斷更新，教材也在不斷改版，所以每一個(gè)階段都需要及時(shí)補(bǔ)充教學(xué)資源。

3.2.3 虛實(shí)結(jié)合法導(dǎo)致教學(xué)方法出現(xiàn)濫用現(xiàn)象

虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式雖然可以給彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)模式的缺陷，但不是把所有的實(shí)體都和虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行就能提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)體實(shí)驗(yàn)發(fā)展需要，采取“虛實(shí)互補(bǔ)、能實(shí)不虛、以虛促實(shí)”的原則來選取最合適的教學(xué)方法。

4 總結(jié)與展望

傳統(tǒng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出諸多不足，導(dǎo)致我校生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量低下，無法達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的要求，人體生理學(xué)的教學(xué)必須要走向教育改革的道路。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，剛剛開始采用就解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所帶來的劣勢，但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)同樣存在弊端。例如，平臺(tái)系統(tǒng)管理體系不夠完善，缺乏實(shí)際動(dòng)手的過程，普及程度不足，導(dǎo)致其不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

虛實(shí)結(jié)合法滿足人體生理學(xué)的基本要求，一種新型教學(xué)方法，但由于這種新型的方法還沒有全方位的管理體系，導(dǎo)致它在人體生理學(xué)教學(xué)上沒能發(fā)揮出顯著的作用，希望在教育改革快速發(fā)展的時(shí)代，我們的科技人員能在這一種新型的教學(xué)模式上研發(fā)出更加完善的服務(wù)體系，促進(jìn)人體生理學(xué)的教學(xué)質(zhì)量能夠進(jìn)一步提高。