虚拟仿真系统应用于机能实验教学的研究**



虚拟仿真系统应用于机能实验教学的研究**

广州市教育科学规划课题(11A038)；2012年广州医学院教育科学规划课题(6)；2013年广东省教育科学“十二五”规划课题(2013JK142) 。通讯作者：朱晓琴

赵元淑1邓镇1雷水生2胡景鑫3朱晓琴31广州医科大学机能实验中心，广东省广州市511436；

2广州医科大学附属第五医院皮肤美容科；3广州医科大学生理教研室

摘要将虚拟仿真系统应用于机能实验教学是一种新型实验教学模式。虚拟仿真系统的应用，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果，培养了学生的创造性和自主学习、主动发现问题解决问题的能力。

关键词虚拟仿真系统机能学实验教学

医学机能学实验课程是一门将医学生理学、药理学、病理生理学等基础医学实验内容进行有机结合的实验课程。由于医学基础课程内容抽象，学生在学习中有很大的难度，实验课可以增加理论知识的直观性，加深学生对理论知识的理解和掌握。但是目前传统的实验教学手段由于教学资源有限、教学模式单一等弊端，不能完全适应新时期医学人才培养的要求。为了培养学生的实践能力、自主分析解决问题能力，提高学生实验课教学质量，广州医科大学机能学实验中心从2006年开始将自主研发的虚拟实验系统应用于实验课的教学，同传统实验课教学方式相结合，取得了一定的效果。本文将对虚拟系统在教学中的应用及应用效果做以分析，并将新型教学模式实施过程中的教学感想做以总结。

1机能虚拟仿真系统在实验教学中的应用

实验教学对培养和提高学生基本技能、综合能力和创新能力起着至关重要的作用[1]。随着医学竞争的日益激烈，学生们都希望能够在学校学习期间尽量多的掌握医学实践技能，所以医学实验课越来越受到学生们的欢迎和重视。学生希望在实验课上能够反复操作实验，熟练实验的过程。但是由于近些年高校学生不断扩招，实验教学资源相对不足等原因限制了机能学实验课程的深入开展。并且，传统实验课的教学方式也不能满足学生动手能力学习锻炼的需求。为了适应形势的变化，更好的完成实验教学，我校机能实验中心应用最新的计算机虚拟现实技术，结合我校实验教学的特点，自行设计开发出BL-420E生物机能虚拟仿真实验系统，软件包括家兔、青蛙和人体实验三大平台的16个模块，涵盖了一些在传统实验课上无法开展的经典实验项目，虚拟仿真实验系统的应用，极大的丰富了机能学实验课教学内容，为学生提供了更多实验的机会，同时也节省了教学成本，可以让教师从繁重的讲课任务中解放出来，有更多的时间对学生进行实验指导。

兴趣是最好的老师，能够最大程度地发挥个人学习的主管能动性[2]。我校机能虚拟实验系统为一开放的实验平台，以选修课的形式出现，学生可以根据个人兴趣自主选择。此外，我校虚拟实验系统应用最新的计算机技术，将各实验模块设计成3D动画游戏的形式，学生在游戏的各阶段要选择正确的“游戏武器”——实验用品，进行正确的实验操作，游戏才能通关。以《青蛙立体在位心脏灌流》实验为例，进入一个三维的仿真的实验室后，在手术台上出现了一只剪开皮肤、暴露出心脏的青蛙以及各种可供选择的手术工具，有眼科镊、线、眼科剪、静脉插管，先选择正确的工具才能进入下一步的操作，如果选择不正确的话工具图标不予反应。接下来操作者选取眼科镊，将鼠标移动到心脏相应位置，用眼科剪剪一小口，选取静脉插管工具，用鼠标拖住将其插入血管口，并点击棉线结扎固定；如果操作者忘记结扎固定静脉插管，则操作无法继续进行并且系统会弹出提示对话框：“插管未固定，请先固定插管”。实验结束后操作者通过点击操作界面右上方的“查看”按钮可以看到此次操作犯错的次数以及操作所用的时间，如果犯错次数多则此关不能通过，系统会显示“遗憾，继续努力”，同学可以重新玩游戏争取顺利通关。把实验操作以游戏通关的形式呈现，增加实验的趣味性，调动了学生的积极性，学生可以在趣味游戏中学到实验的原理，掌握实验过程，规范实验操作技术。此外，虚拟实验课还为传统动物实验课的开展做好准备——在虚拟实验结束后，学生在已经充分掌握实验原理、过程的情况下胸有成竹的进行实际操作，更有助于提高学生对实验的深入理解。

新时期素质教育的要求不单单是看学生期末考了多少分，而是注重要提高学生学习的积极性，培养学生能力。我校机能学虚拟实验系统课程期末采用调查问卷的形式，让学生评价参加本课程的学习感受，对本课程需要改进的内容提出意见和建议。

2在机能学中应用虚拟仿真系统的优点

2.1虚拟实验课程提高了学生的学习兴趣虚拟动物实验课程采用了学生们乐于接受的“打游戏”的形式开展，整个系统动画设计生动有趣，仿真度高、直观性强，对于整个实验的整体和细节设计详细合理，学生在操作的过程中可以通过系统预置的干扰因素了解错误的实验方法带来的后果，拓展学生的知识面，使学生全面掌握实验操作过程；并且，通过对虚拟系统的反复操作加深学生对实验全面了解对正确实验方法的记忆。在虚拟的环境中，通过人机交互，学生在玩游戏的过程中掌握了实验原理和实验的过程，规范了实验技术，学生学习兴趣足、效率高，教学效果良好。

2.2培养了学生的自主学习能力自主学习能力是新时期教学领域的一项重要培养目标，自主学习的过程包括：自我观察、自我判断、自我反应[3]。传统的实验教学形式为教师讲授实验理论知识、示教、指导学生实验及时纠正学生操作中的错误，这种模式的弊端就是学生对老师有依赖心理[4]。学生在选修机能学虚拟实验课伊始，可能是受到以往传统实验教学模式的影响，遇到不会的内容马上问老师，比如家兔麻醉要使用的剂量、插管的位置等，自己不会主动的去查资料解决问题，缺乏自主学习的能力，这也与笔者应用虚拟实验系统培养学生主动学习、发现问题解决问题的能力的宗旨相冲突。为了使学生养成主动学习的好习惯，教师在最初的几堂实验课上注重引导学生，让学生自己发现解决问题，而不是直接告诉学生正确的答案。比如学生在家兔颈部正中切开术实验中，学生遇到提起家兔颈部皮肤手术切口后游戏无法继续进行的问题时，自己不去查找问题的原因，直接问老师正确答案，这时教师并不直接解答学生的问题，而是引导学生尝试试一下其他的方法。几堂实验课后，学生基本适应了虚拟实验的教学模式，再遇到游戏中存在的问题会先自己尝试解决，或者和同学讨论解决方案，逐渐养成了自主学习的好习惯。学生在期末的调查问卷中也多次提到：“机能学虚拟实验课就像自己是实验的主宰者，责任巨大，需要用心完成”，甚至有的同学在课前主动预习做预习报告，课后写实验心得！

2.3虚拟动物实验平台节省了教学资源，增加了学生参与实验的机会近些年由于医学生不断的扩招，给机能实验教学带来很大的挑战：教师人手不足、实验资源有限，学生动手机会少。在传统的实验室课上，教师忙于对实验内容的讲授，无暇对学生进行详细的指导，严重影响了学生动手能力的提高和创造性。随着计算机虚拟现实技术应用于实验教学，实验通过计算机模拟的虚拟环境与人体的反应进行交互完成，虚拟动物实验不需要购买实验动物和实验药品，不需要购买大量的实验器械，也不需要扩建实验室，没有实验器械的损耗，学生可以通过虚拟动物实验平台反复进行实验操作，大大节约了教育成本，增加了学生实验操作的机会；并且由于不需要使用一些有毒的药品，增加了实验的安全性和成功率；教师也可以从繁重的讲课任务中解放出来，有更多的时间对学生进行实验指导，提高学生的主动性和创造性。

2.4教学效果突出我校的机能虚拟实验课历来都是很受学生们欢迎的课程，每年选修的人数都很多。笔者对2011-2012年选修机能学虚拟实验课程的临床、影像、护理专业3个年级20个班共计600名同学进行问卷调查。其中91.4%的学生对虚拟实验比较感兴趣，98.6%的学生对虚拟实验的设计基本满意，97.4%的学生认为虚拟实验可以避免手术操作过程中常犯的错误，23.1%的同学希望能增加虚拟实验项目的开发。通过虚拟仿真系统的应用，明显丰富了实验的教学手段，提高了学生的学习兴趣，生动了实验教学内容，学生对机能学实验中增加虚拟实验系统满意度很高。

机能学虚拟仿真系统的应用也提高了学生的创新能力和动手能力，2009年在孔天翰老师的指导下学生自主设计完成的科研项目分别获得全国大学生学术科技作品竞赛二等奖、广东大学生课外学术科技作品竞赛特等奖；2011年、2012年朱晓琴等老师指导的学生设计性课题获得了广州医学院大学生课外科技竞赛二、三等奖；机能学课外兴趣小组的学生在2009-2012年间先后参与完成了2项国自然、2项省自然课题，在国家核心期刊发表论文10余篇。

3虚拟仿真系统在教学应用中有待改进的方面

3.1机能实验不能替代传统的医学实验课程医学实验课程着重培养学生的动手能力、发现问题解决问题的能力。目前的机能综合实验是通过对动物的实验操作锻炼学生的动手能力和实验的技能技巧，比如：蛙坐骨神经的分离实验，锻炼学生手术操作的技术水平，而这些能力是通过虚拟仿真系统完成不了的。此外，机能综合实验以小组的形式进行，通过小组各位成员间互相协调、沟通、合作完成实验，学生不仅可以学习实验技术，也培养了学生的团队意识、协作精神、沟通能力[5]；学生应用虚拟仿真系统可以掌握实验原理、规范实验操作技术，提高学生主动学习、分析问题解决问题的能力；但是，虚拟仿真实验是学生通过计算机完成的，每名学生一台计算机，同学之间缺乏沟通和协作。为了解决这些问题，我们将虚拟实验系统应用于实验课的同时，我们在实验课上另设动物实验项目，学生在虚拟实验结束后可以根据个人意愿进行动物实验。虚实并存，实为主体，以虚补实，虚实双促[6]，虚拟实验是真实实验的预演,与真实实验互为补充[7]。结果证明，学生在虚拟实验后已经熟悉了实验原理、过程，在传统实验操作时事半功倍。

3.2进一步完善虚拟实验系统学生在传统实验操作中出现的问题多种多样，而笔者虚拟实验系统在设计的时候不可能想每名学生之所想，把学生所有能够出现的问题都反映在系统的设计中。因此，学生在期末调查问卷的时候也会给我们提出这一方面的问题，希望笔者能够完善。对此，在以后的设计中，尽可能贴近学生的实际操作需要，把虚拟实验系统做到更加完善。当然，一定不可能达到每名同学的理想状态，这也是虚拟实验系统与传统实验比较起来不理想的地方。针对这一弊端，笔者采用教师辅助学生，及时解答学生问题的方式进行弥补。

总之，将虚拟实验系统应用于机能学实验教学，使实验教学更加生动有趣，极大的提高了学生的学习兴趣，增强学生学习的主动性和创新性，符合新时期教学改革的要求。因此，全面推进和深化虚拟实验系统教学已经成为医学教育界的共识。未来，我校将继续根据学生特点，开发出更多、更全面细致的机能虚拟实验系统模块，应用于教学，为培养出更多的医学人才做贡献。

参考文献

[1]刘爱东，王箐，田琳. 虚拟实验在机能学实验教学中的应用与体会 〔J〕. 西北医学教育. 2012，2(20)：88-90.

[2]刘中霖，唐亚梅，陶恩祥，等. 重视兴趣教学 提高神经病学临床见习效果〔J〕. 中国高等医学教育， 2010，(5)：98-99.

[3]庞维国. 论学生的自主学习〔J〕. 华东师范大学学报：教育科学版， 2001，20(2)：78-83.

[4]朱晓琴，胡景鑫，王桂房，等. 模拟病人应用于机能实验教学的实践与探索〔J〕. 广州医学院学报，2012，40(1)：77-78，81.

[5]徐静，孙艺平，王冬梅.虚拟实验与真实实验在机能学实验中之比较〔J〕.医学与哲学：人文社会医学版 ，2009，30(6)：75-76.

[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]沈行良. 正确认识SCI、IF及其相关问题〔J〕. 海南医学院学报，2004，10(1):58-61.

(编辑雅文)

收稿日期2015-03-09

中图分类号：G420

文献标识码：B

文章编号：1001-7585(2015)17-2410-03