医学虚拟仿真软件在基础医学实验教学中的应用—以《家兔失血性休克及微循环观察》实验项目为例

杨丽娟，张连江，吴殿秀，赵 鹏，张瀚元，荆 琦，李天聪，刘艳波

1 北华大学基础医学院， 吉林 吉林 132013；2 吉林农业科技学院动物科技学院， 吉林 吉林 132101

基础医学实验教学是医学教育的重要组成部分，尤其是医学机能实验学是基础医学与临床医学的桥梁学科。而医学机能实验学的综合性实验及设计性实验不仅资源耗费大，实验也比较复杂，因此实验操作存在较大困难。随着现代教育技术的发展，新的教学形态，如慕课(MOOCs)、虚拟仿真、翻转课堂等已逐渐融入到医学教育中。因此，建设在线医学实验课程成为医学教育面临的重要挑战，应用数字和网络技术深化医学实验教学成为医学教育的迫切需求[1]。为了节省资源，同时满足医学生技能的培养，北华大学将虚拟仿真实验应用于机能学实验教学中[2-3]。

1 医学虚拟仿真实验系统的建设

虚拟实验室的概念由美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫于1989年首先提出，初衷是为了方便不同实验室中的科研人员共享彼此的数据、仪器设备，并能交流思想和进行远程科研合作。而传统的机能实验教学与虚拟实验教学拥有各自的特点，发挥其各自的优点，才是发展和改革的需要[4-6]。

北华大学于2012年进行虚拟实验系统应用于实验教学中的改革，那时使用的是成都泰盟研发的VBL-100医学机能虚拟实验系统，取得了一定的教学效果。但是随着课程的进行，显露出一些弊端：首先，VBL-100医学机能虚拟实验系统模式固定，不可更改。从而造成了软件里的实验与学校教学实际不符；其次，不能根据学生的实际操作情况突出操作技术要点。

针对以上问题及国家提出的要在全国构建国家级虚拟仿真实验教学示范中心的政策，学校大胆提出建设适合学校教学实际的医学虚拟仿真实验系统。此款系统所含的实验均是学校一线教师与北京润尼尔公司的动画制作人员面对面的交流、沟通，最后制定出适合该校教学实际、针对性强、重点突出的医学虚拟仿真实验项目。该校构建的虚拟仿真软件—人体结构与功能虚拟仿真实验教学中心，包括五个模块：人体解剖学虚拟仿真实验平台、形态学虚拟仿真实验平台、机能学虚拟仿真实验平台、生物医学工程虚拟仿真实验平台、分子医学虚拟仿真实验平台。教师登录后，可以创建课程，添加虚拟仿真实验项目，并把授课学生的学号导入，学生可通过校园网随时观看实验项目。

2 教学应用

2.1 应用对象

选取2015级五年临床医学专业三年级学生为研究对象，共4个班：1班、2班为对照组(64人)，3班、4班为实验组(65人)，共129人。1、2班进行传统的实验教学，3、4班进行虚拟仿真综合性实验与传统教学相结合的方法。样本在人数、年龄、性别和基础知识等因素上无显著差异。

2.2 研究方法

2.2.1课程实施对照组和实验组均采用2014年8月出版、由北华大学基础医学院自编的《医学机能实验学》教材，在相同的实验教学大纲指导下，完成课程实施；实验项目、考核办法及授课教师均相同。在《失血性休克及微循环观察》的实验项目下进行两种授课方法对比。

在学期初，授课教师在虚拟仿真实验系统中安排课程目录，进行开课管理，根据开课计划添加实验项目、学生账号(为学生一卡通账号)，学生只要通过校园内网络就可以随时随地的观看实验项目，进行预习、复习。

对照组仍然按照传统的方法进行授课：课前通过实验指导进行预习，复习休克理论所学过的知识；实验组课前通过实验指导及虚拟仿真实验系统进行预习，复习休克理论所学过的知识。对照组和实验组均分为8个实验小组，实验动物采用家兔，16只家兔随机分为2组。

2.2.2评价方法在实验进行前，根据组员的实际操作能力，进行小组内成员分工。每组选出一名学生记录实验结果，同时把每组实验过程的时间记录下来，之后进行统计。在课程结束后，发放调查问卷。

2.3 统计学方法

3 结果

3.1 实验组与对照组实验情况对比

实验组与对照组在完成家兔麻醉时间、动静脉插管时间、微循环观察时间及全部完成实验的时间相比较，差异具有统计学意义(P<0.05)，如表1所示。

3.2 实验组与对照组实验动物体重及成功率的比较

实验组与对照组实验动物体重的比较，差异无统计学意义(P>0.05)。实验成功率有大幅度提升(如表2所示)。

3.3 问卷调查

共发放调查问卷65份，具体内容涉及实验操作技术要点是否突出、是否增强对实验操作的信心等13项内容，回收65份问卷，无弃权者，如表3所示。

组 别n麻 醉动静脉插管微循环观察完成实验 实验组8(27.75a±4.56)(35.25A±2.49)(36.75A±3.92)(173.25A±7.25)对照组8(21.38±3.42)(27.50±1.77)(29.50±2.07)(145.63±9.74)

注：与对照组比较a，P<0.05；与对照组比较A，P<0.01

表2 家兔体重(kg)及实验成功率(%)比较

注：与对照组比较d，P<0.05

表3虚拟仿真技术与传统实验教学方法结合问卷调查结果n(%)

评价内容 评价等级肯定是是一样否快速掌握重点知识58(89.2)5(7.7)2(3.1)0(0.0)实验操作技术要点突出60(92.3)5(7.7)0(0.0)0(0.0)掌握实验步骤46(70.8)11(16.9)8(12.3)0(0.0)实验操作方法明了48(73.8)17(26.2)0(0.0)0(0.0)有利于实验步骤时间的分配56(86.2)7(10.8)2(3.0)0(0.0)对实验整体的掌控能力37(56.9)26(40.0)2(3.0)0(0.0)提升完成实验的速度59(90.8)6(9.2)0(0.0)0(0.0)增强对实验操作的信心45(69.2)15(23.1)5(7.7)0(0.0)提高实验操作技术练习的效率23(35.4)19(29.2)10(15.4)13(20.0)提高实验的成功率35(53.8)18(27.7)9(13.8)3(4.6)增强对实验项目的感性认识38(58.4)23(35.4)4(6.2)0(0.0)提高自学能力22(33.8)29(44.6)11(16.9)3(4.6)提高对实验课的兴趣 48(73.8)13(20.0)4(6.2)0(0.0)

4 讨论

医学机能实验学是在生理学、病理生理学、药理学实验的基础上,经过重新有机融合形成了一门独立的综合性医学基础实验课。医学机能实验学课程已成为基础医学实验教学的重要组成部分，是高等医学教育的重要环节。各个高校根据自己的资源优势开设了不同的实验项目，如综合性实验、设计性实验等。总的指导思想是提高学生的综合素质，在不断摸索中总结教学经验。但是综合性、设计性实验的教学实施有一定难度，比如：学校配套资源、课程设置、学生素质、教师综合素质、有毒有害等，都限制了实验课程的开展。随着现代科技的发展，有条件改善这些不利因素。虚拟仿真实验平台的提出、构建及使用将不断丰富教学手段，提高培养学生的质量[7-8]。

4.1 医学机能虚拟仿真实验系统的主要优势

虚拟实验室的构建已成为该校机能实验教学改革中的重要部分。人体结构与功能虚拟仿真实验系统是采用计算机虚拟仿真与网络技术，运用客户/服务器的构架模式，涵盖了十几个医学实验的全套模拟仿真软件。医学机能虚拟仿真实验系统与传统实验教学相结合的教学效果优于传统的演示教学，其优势主要有以下几方面：

4.1.1解决学生围观，看不清示教过程问题按照教学条件标准，每个实验小组应在4～5人，但由于多方面实验条件的限制，达不到此标准。每次教师进行演示教学的时候，绝大多数学生都不能清楚地观看演示过程，这样造成了极大的资源浪费(尤其是实验动物)和学生的困扰，打击学生上实验课的积极性。在虚拟仿真实验平台上则可清楚地观看实验操作过程。

4.1.2通过观看虚拟仿真实验平台中的实验项目进行课前预习传统的实验预习首先要预习实验课的相关理论知识，实验步骤的预习只能通过阅读实验报告，即只局限于对文字的了解，对于实验操作了解甚少。所以，传统的实验课是理论课的辅助课程，导致学生对实验课态度松懈、动手能力差，对实验课没有兴趣，认为只要上好理论课程就行。要想改变实验课的从属地位，就要从改革实验课本身开始，实验课是理论课程的实践过程，通过实验课，对理论形成感官认识，才能更好地理解和运用理论知识。通过观看虚拟仿真实验过程，对将要进行的实验课程有了感官上的认识，了解了整个实验过程，上课时对实验节奏的掌控能力得以提升(56.9%)。

4.1.3提高信心，培养兴趣在《家兔失血性休克及微循环观察》实验项目中，传统实验教学方法的成功率只有62.5%，尤其是在微循环观察环节上，大多数学生不能掌握微循环观察的操作要领，尤其是活体动物实验，操作难度很大，容易导致实验失败。机能学的虚拟仿真实验项目完全是按照学校实验课程步骤打造的。所以，学生知道上课的内容，了解每一步实验操作，清楚操作要点，从而激发学生突破难点，完成实验的信心。实验成功率提升了25%，增强了学生的自信心，也培养了其对实验课的兴趣。

4.1.4节约资源由于动物伦理学、动物的成本大大提升等多方面的原因，导致实验动物短缺或禁止某些动物应用于医学实验。那么，为了更好地培养医学人才，而且在不浪费实验动物及其他实验消耗品的前提下，学生可在系统内反复观看虚拟仿真实验，在有限的时间内熟悉和掌握更多的知识，了解相近学科之间的联系；并从理论上获得更多的实验技能。

4.1.5相互促进作用虚拟仿真实验平台虽然有许多优势，但也不能完全取代真实的实验课程，因为虚拟仿真实验通过鼠标进行实验的虚拟过程，而不是真实操作，起不到锻炼实验操作技术手法及娴熟度的作用；并且动物实验也存在个体差异，要求在实验过程中实时分析不同的情况、紧急情况的处理、实验结果等，锻炼学生综合分析、解决问题的能力。所以，只有将“虚”和“实”结合起来，相互促进，才会取得更好的教学效果[9-11]。

4.2 展望

目前，各医学院校正在针对虚拟仿真实验平台高效、直观的优越性，进行一系列的虚拟实验室建设，以增强实验教学效果、提高学生的学习兴趣和效率，完善教师的教学手段。科技的发展促进了教育手段的多样性，而培养出的人才又会服务于科技发展。教育工作者要不断地探索新的教育模式，紧跟科技前沿，相互促进，创造出更实用的新型实验教学平台。