劉慧霞 邢乾乾 吳林 石山慧

·教學(xué)管理·

虛擬實驗在高職高專機(jī)能實驗教學(xué)改革中的探索#

劉慧霞*邢乾乾 吳林 石山慧

（菏澤醫(yī)學(xué)專科學(xué)校生理學(xué)教研室，山東 菏澤 274000）

虛擬實驗以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析，遠(yuǎn)程操作的系統(tǒng)；通過虛擬現(xiàn)實、多媒體和仿真等技術(shù)，進(jìn)行的仿真實驗，強(qiáng)化實驗教學(xué)信息化建設(shè)，建成以教學(xué)過程可視化、質(zhì)量控制、師生互動、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、自主學(xué)習(xí)等一體的泛在信息化云平臺。虛擬實驗教學(xué)作為新型實驗教學(xué)平臺，能節(jié)約實驗成本，能增加學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生做實驗的積極性，虛擬仿真實驗技術(shù)作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的輔助手段之一，可將虛擬實驗與真實實驗結(jié)合，做到“虛實結(jié)合、能實不虛”。

虛擬實驗；高職高專；機(jī)能實驗教學(xué)

醫(yī)學(xué)高職高專院校旨在為基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)培養(yǎng)德、智、體全面發(fā)展的醫(yī)學(xué)人才，使其具有扎實的醫(yī)學(xué)基本理論和技能，能從事臨床、護(hù)理、口腔、預(yù)防保健等工作。其醫(yī)學(xué)高職院校突出的特點是以職業(yè)崗位能力為本位，以知識應(yīng)用為核心，尤其應(yīng)重視實踐教學(xué)[1]。醫(yī)學(xué)機(jī)能實驗是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)的核心課程之一，將生理、藥理、病理生理（簡稱“三理”）三門實驗課進(jìn)行融合、更新和優(yōu)化，以人體生理功能、藥物作用及機(jī)制和疾病的發(fā)生發(fā)展為研究對象，是醫(yī)學(xué)教學(xué)中的重要組成部分之一，注重培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)，創(chuàng)新精神，應(yīng)將素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育融入實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中。機(jī)能實驗通常以活體動物為研究對象，是學(xué)生入學(xué)后首次接觸實驗學(xué)科。在傳統(tǒng)的機(jī)能實驗教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)教師的講解和要求按部就班的實驗，由于高職高專學(xué)時較少，每次實驗課安排兩個學(xué)時，由于老師講解后學(xué)生操作的時間較短，動手操作的機(jī)會相對較少，學(xué)生實驗成功率偏低，多年來這些問題較普遍地存在于機(jī)能教學(xué)中[2]。

隨著我國教育體制的不斷深化改革，教師資源、實驗經(jīng)費、儀器設(shè)備的局限性，使傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式已不能滿足教學(xué)需要。虛擬實驗系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)、多媒體和計算機(jī)等多種技術(shù)整合起來，使實驗項目內(nèi)容、儀器設(shè)備、操作方法有機(jī)地融合在一起。因此，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)基礎(chǔ)上，我校積極開展虛擬實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)能力、將知識融會貫通和科研思維能力，逐步建立以學(xué)生為中心的教學(xué)體制。

1 虛擬實驗教學(xué)的發(fā)展歷程

1989年，美國弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）威廉·沃爾夫教授于首次提出虛擬實驗室的概念。虛擬實驗以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析，遠(yuǎn)程操作的系統(tǒng)；通過虛擬現(xiàn)實、多媒體和仿真等技術(shù)，進(jìn)行的仿真實驗，強(qiáng)化實驗教學(xué)信息化建設(shè)，建成了以教學(xué)過程可視化、質(zhì)量控制、師生互動、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、自主學(xué)習(xí)等一體的泛在信息化云平臺[3]。實驗結(jié)果具有針對性，其效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)真實實驗中的結(jié)果。因為虛擬實驗教學(xué)具有強(qiáng)大功能和突出優(yōu)點，其廣闊的應(yīng)用前景得到了大力開發(fā)，在許多高校的機(jī)能實驗教學(xué)中廣泛采用。

2 機(jī)能實驗教學(xué)開展虛擬實驗的必要性

2.1 有利于學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)復(fù)雜實驗項目

醫(yī)學(xué)院校的機(jī)能實驗步驟有些相對比較復(fù)雜，涉及的理論知識較深奧[4]，因此學(xué)生需要提前了解實驗原理和復(fù)雜的實驗操作步驟。傳統(tǒng)的實驗授課模式是教師先在課堂上完成實驗原理的講解，實驗課上首先精講實驗步驟和注意事項，耗時較長，學(xué)生務(wù)必要記住教師講解的內(nèi)容才能完成后續(xù)實驗，由于傳授的知識較多，高職高專學(xué)生學(xué)習(xí)能動性相對欠缺，往往導(dǎo)致在后續(xù)實驗中出現(xiàn)眾多的問題，甚至導(dǎo)致實驗中途終止或失敗，達(dá)不到預(yù)期的實驗效果。虛擬實驗通過讓學(xué)生課前在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺或虛擬實驗室預(yù)習(xí)實驗課內(nèi)容，熟悉實驗原理，多次觀看實驗操作的視頻，為進(jìn)行真實的具體實驗操作奠定基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，因為受動物活體生命客觀條件的限制，其重現(xiàn)性較差，使實驗中的某些項目不能得到較好的實驗驗證。而虛擬實驗卻能夠讓學(xué)生進(jìn)行多次反復(fù)模擬，這一方面有利于進(jìn)行在實際操作中被忽略的步驟，另一方面加深對實驗?zāi)康恼J(rèn)識，對實驗原理更加深入理解。

2.2 改善實驗教學(xué)條件，提升實驗教學(xué)效果

機(jī)能實驗教學(xué)的實驗對象通常以動物為主，實驗教學(xué)花費相對較多，高職高專學(xué)生人均占有設(shè)備和動物資源較少，部分學(xué)生在機(jī)能實驗課中動手操作的機(jī)會較少，一般作為觀察者參與課堂[5]。某些實驗手術(shù)操作步驟較復(fù)雜，如影響血液凝固的因素實驗中動脈插管技術(shù)、影響心輸出量的因素實驗中中主動脈插管術(shù)等，在實驗中學(xué)生有時由于操作不熟練或失誤而造成實驗失敗。虛擬實驗教學(xué)平臺的運用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式所存在的不足，學(xué)生在進(jìn)行虛擬實驗中，降低了實驗儀器、動物的損耗，顯著降低了實驗動物和材料費用的成本，大大節(jié)省了資源成本[6]。學(xué)生首先通過觀看虛擬實驗錄像，然后后再獨自進(jìn)行真實動物實驗操作，降低了實驗操作的盲目性，大大提高了實驗成功率，改善了實驗效果。

3 虛擬實驗教學(xué)模式在機(jī)能學(xué)實驗教學(xué)中的優(yōu)勢

3.1 虛擬實驗的開展豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容

由于高職高專院校學(xué)制三年，在校學(xué)習(xí)時間短，課程人均學(xué)時相對較少，實驗學(xué)時占有比例也少，因此通常會安排一些實驗時間短，步驟簡單，方法經(jīng)典，實驗成功率高的實驗項目，而用時較長、步驟復(fù)雜、需要特殊實驗設(shè)備的項目沒有面向?qū)W生開設(shè)。通過開展虛擬實驗，學(xué)生借助虛擬實驗平臺中的實驗項目，熟悉實驗的相關(guān)原理與應(yīng)用，觀看演示、開展虛擬實驗手術(shù)操作。

3.2 虛擬實驗教學(xué)的開展節(jié)約了實驗動物和設(shè)備經(jīng)費

醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實驗教學(xué)的主要目的之一是需要掌握一定量的動物實驗手術(shù)基本方法，提高實驗成功率，必然用到大量的活體實驗動物進(jìn)行操作練習(xí)[7]。因?qū)嶒瀸W(xué)時有限，學(xué)生操作較少，不能實現(xiàn)反復(fù)多次練習(xí)。虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)通過運用計算機(jī)仿真實驗技術(shù)來實現(xiàn)動物實驗的仿真操作。學(xué)生選擇生理、藥理、病理生理機(jī)能學(xué)科的相關(guān)實驗，點擊進(jìn)入實驗項目，對虛擬實驗動物進(jìn)行手術(shù)，可以反復(fù)多次練習(xí)，不但節(jié)省了實驗設(shè)備、實驗耗材和實驗動物的花費，而且能讓學(xué)生反復(fù)進(jìn)行某項實驗操作，這有利于他們理解并掌握實驗相關(guān)的理論知識，熟悉實驗過程每一個步驟的操作過程，隨后在進(jìn)行真實的動物實驗手術(shù)時，能夠順利完成實驗的每個操作達(dá)到預(yù)期的實驗教學(xué)目標(biāo)，節(jié)約實驗藥品和實驗動物。

3.3 虛擬實驗教學(xué)的開展增加了學(xué)生的動手機(jī)會

醫(yī)學(xué)機(jī)能實驗傳統(tǒng)教學(xué)中通常以真實動物為實驗對象，往往會受到實驗方法復(fù)雜、操作安全存在隱患及實驗花費較高等諸多因素的制約，學(xué)生親自操作的機(jī)會受限，部分學(xué)生在實驗中只是旁觀者，實驗效果不理想[8]。隨著現(xiàn)代教育網(wǎng)絡(luò)信息化信息技術(shù)的更新發(fā)展，虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)通過對實驗對象和實驗儀器虛擬化，虛擬實驗環(huán)境通過多媒體技術(shù)在計算機(jī)上構(gòu)建，學(xué)生能夠通過人機(jī)交互界面進(jìn)行實時仿真操作，就能夠避免以上因素的影響，減少實驗成本，降低實驗器材損耗，充分利用實驗資源，減少實驗盲目性，最終完成各種預(yù)期的實驗操作，提高教學(xué)有效性，從而完成實驗教學(xué)的目標(biāo)。

3.4 虛擬實驗教學(xué)具有較明顯的開放性

虛擬實驗不受時間、空間的限制，學(xué)生通過課外時間登錄校園網(wǎng)虛擬仿真實驗操作系統(tǒng)，進(jìn)行課前預(yù)習(xí)或課后鞏固。在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式上虛擬實驗教學(xué)也具有開放性，教師為適應(yīng)不同學(xué)習(xí)要求、不同層次的學(xué)生，結(jié)合實際教學(xué)情況擴(kuò)展實驗內(nèi)容。學(xué)生還能夠有選擇性的學(xué)習(xí)、模擬實驗，提高學(xué)習(xí)積極性與參與度。虛擬實驗平臺能為學(xué)生創(chuàng)造一個自由靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境，在課余時間對虛擬實驗有興趣的學(xué)生能夠到虛擬實驗室選擇實驗項目進(jìn)行練習(xí)、操作，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，也提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。學(xué)生可以根據(jù)實際情況充分利用虛擬實驗。

3.5 虛擬實驗富有趣味性

在機(jī)能學(xué)實驗教學(xué)中，利用多媒體技術(shù)虛擬實驗形象、直觀的傳授實驗教學(xué)信息，并且學(xué)習(xí)過程帶有趣味性，不必顧忌實驗動物的死亡，實驗器械的損壞[9]。而且學(xué)生還能夠通過多媒體，自學(xué)發(fā)揮自己的創(chuàng)造力與想象力，避免傳統(tǒng)實驗教學(xué)帶來的弊端，擴(kuò)展學(xué)生的視野，更加逼真、形象，在虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)中借助人機(jī)互動，學(xué)生的各種操作錯誤能夠得到及時地糾正，通過不斷改進(jìn)，大大增強(qiáng)學(xué)生實驗操作成功的自信心，調(diào)動學(xué)生動手操作的積極性。

4 機(jī)能實驗教學(xué)開展虛擬實驗的注意事項

虛擬實驗雖然有很多優(yōu)點，但仍不能夠完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動物實驗教學(xué)模式，虛擬實驗教學(xué)中的儀器、動物和藥品都是通過軟件虛擬出來的，學(xué)生通過點擊鼠標(biāo)完成儀器操作、藥品添加，最終達(dá)到預(yù)期的實驗效果和目的，但這與真實的實踐操作還有著明顯的差別；虛擬實驗項目的實驗過程、現(xiàn)象，也是實驗軟件設(shè)計者根據(jù)理論支持事先在實驗?zāi)K中設(shè)定好的，如果實驗條件略有改變，實驗結(jié)果可能就會有明顯的差異。這些弊端在一定程度上會減弱學(xué)生的探索精神、實踐操作能力和創(chuàng)新思維能力，在一定程度上也會存在使不夠嚴(yán)謹(jǐn)、不夠愛護(hù)儀器設(shè)備，削弱學(xué)生在實踐操作中細(xì)心和安全防范意識，對培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度不利。此外，有些虛擬實驗操作項目太簡單，有些操作如家兔固定、皮膚切開、氣管插管、家兔頸部手術(shù)、動脈插管等不夠真實，而且無菌觀念缺乏。虛擬實驗設(shè)計需要繼續(xù)研究開發(fā)，以更好地服務(wù)于機(jī)能學(xué)實驗教學(xué)。所以，應(yīng)將傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗教學(xué)有機(jī)的結(jié)合起來，提倡實際操作為主，虛擬實驗教學(xué)為輔的原則，一些高危、復(fù)雜及需要大量動物和經(jīng)費投入的實驗項目盡量采用虛擬實驗教學(xué)方式，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)、虛實結(jié)合，利用虛擬實驗的靈活擴(kuò)展性，將新發(fā)展的、反應(yīng)學(xué)科前沿的實驗方法快速教授給學(xué)生，實現(xiàn)優(yōu)秀醫(yī)學(xué)人才的目標(biāo)。

機(jī)能實驗教學(xué)承擔(dān)著提高和培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力的責(zé)任。虛擬實驗教學(xué)作為新型實驗教學(xué)平臺，能節(jié)約實驗成本，能增加學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生做實驗的積極性，但是虛擬實驗教學(xué)也仍然存在著許多不足，不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗。因此，虛擬仿真實驗技術(shù)作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的輔助手段之一，我們應(yīng)該把虛擬實驗與真實實驗結(jié)合起來，使兩者相互彌補(bǔ)不足，做到“虛實結(jié)合、能實不虛”[10]。而且我們要聽取學(xué)生們的意見，采納同行們的建議，積極探索，不斷更新實驗項目，提高實驗水平，不斷完善虛擬仿真實驗系統(tǒng)，使之在機(jī)能學(xué)實驗教學(xué)中能夠發(fā)揮更好的作用。

1 劉慧霞. 微課在護(hù)理高職高專生理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中華護(hù)理教育, 2013, 10(11): 489-490.

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3 吳曉燕, 袁藝標(biāo), 施睿臻, 等. 多元化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式在機(jī)能實驗學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國高等醫(yī)學(xué)教育, 2018, 3: 109-110.

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Exploration of virtual experiment in functional experiment teaching reform in higher vocational colleges#

Liu Hui-xia*, Xing Qian-qian, Wu Lin, Shi Shan-hui

(Department of Physiology, Heze Medical College, Heze 274000, Shandong)

Virtual experiment takes computer network as the core to realize the system of data collection, analysis and remote operation; through the technology of virtual reality, multimedia and simulation, the simulation experiment is carried out to strengthen the information construction of experimental teaching, and build a ubiquitous information cloud platform integrating the visualization of teaching process, quality control, interaction between teachers and students, remote guidance and independent learning. As a new experimental teaching platform, virtual experiment teaching can save experimental cost, increase students' interest and arouse students' enthusiasm for doing experiments. As one of the auxiliary means of traditional experimental teaching, virtual simulation experiment technology can combine virtual experiment with real experiment to achieve "combination of virtual experiment and real experiment, can not be virtual".

Virtual experiment; High vocational college; Functional experiment teaching

（2019-7-7）

菏澤醫(yī)學(xué)?？茖W(xué)校教研課題（編號：H13KG02）

劉慧霞，女，教授，主要從事生理學(xué)教學(xué)和心血管病理生理學(xué)研究，Email：liuhuixia1979@126. com。