虚拟仿真技术在医学中的应用与思考

■李从德/三峡大学

医学实验教学是高等医学教育的重要组成部分，是极为重要地医学实践教学环节。其主要目的是培养学生基本操作技能和创新思维能力。在这个实践性的教学环节，只有学生亲身实践才能更好地理解生理学的抽象知识，全面掌握生理学的理论知识，培养学生良好的实践操作能力，让学生朝着全面发展的高素质综合性人才发展。但由于实践教学条件限制，很难同时满足大量医学生同时进行实践操作的需求，很多的学生既不能观察实验，更谈不上实际进行操作实验，不利于医学人才的培养。迫切需要寻求新的教学方法解决这种教学的供需矛盾。随着计算机信息技术的发展，虚拟仿真技术已经渗透到现代人类生活的各个方面。利用“互联网+”虚拟仿真技术构建一个虚拟的生理学实验教学系统，进行实验教学已成为现实。虚拟仿真实验室是通过计算机网络技术虚拟出实验场景和实验条件，让学生进行实验操作、观察实验现象，并对实验结果进行分析。其优势在于学生通过模拟，可以掌握实验原理，熟练实验操作过程，从而增强生理学实验教学的直观性和有效性。通过这种虚拟仿真技术，学生可以体验和感受到在各种因素发生改变的情况下，生物体将发生怎样的生理变化，从而加深对实验设计的理解及熟悉具体操作流程，既节省生理学实验教学资源，又提高生理学实验教学效果，促进学生自主学习、主动思考和分析问题，训练临床思辨能力，是传统生理实验教学的有效辅助手段。现就虚拟仿真技术在生理学实验教学中的有关问题探讨如下：

一、利用虚拟仿真技术，做好实验教学项目

首先，要根据人才培养目标和生理学教学大纲确定本次实验课的教学重点，通过本次实验学生在知识、能力和素养方面获得那些提高。以往教学过程中学生在实验基本操作中容易出现失误的地方。因此，在进行虚拟仿真实验项目设计时，要尽可能详尽演示这些重点内容，多途径多方位的呈现。要循序渐进，从基本知识、基本方法和基本技能到更高阶段、更复杂的实验。要有意识引导学生进行思考和主动学习。各个基本操作环节和教学内容与实验结果要无缝对接。要有即使操作错误，也会出现相应的实验现象。还要注意控制非实验所需环境因素对实验教学的影响。好的虚拟仿真实验教学项目背景丰富、技术先进、构思巧妙、内容精彩、结果可靠、评价客观。

实验素材、背景资料要要丰富，便于学生自主学习和拓展学习。背景素材应包含科学发现的实验过程，实验原理及其外围知识，实验方法的优缺点及其适用范围。利于学生自主学习，选择正确思路，科学地完成实验。

采用实验技术要紧跟现代科学技术的进步，与实验教学内容相辅相成，进行有机融合。除了专业内涵特色鲜明之外，还应向相关学科的专业技术，实现学科交叉。有利于学生拓展新思维，提升解决专业问题的能力，并于相关学科的专业领域进行融合的能力，训练学生的创新思维能力。实验技术可提供多种选择，满足多层次学生进行教学的需要。不能过度炫酷而使实验缺失内涵。

构思巧妙是将实验教学项目的核心要素进行高度凝练，用大家通晓的方法进行逼真呈现，既容易实现，又容易组织教学。实验方法灵活多样，多途径与多方案，不能简单的选择对与错。要让学生进行认真仔细思考或者摸索才能到达胜利的彼岸。给予实验的难度，富有挑战性，激发学生的探究与创新欲望，让学生在实验过程中挑战自己能力极限，满足不同层次和不同能力学生的教学需要。

实验内容要符合人才培养方案和教学大纲的要求，专业特色鲜明，引入医学科技研究的最新成果。要高潮迭起，精彩纷呈，引人入胜。

实验结果要真实可靠，仿真尽量做到逼真。科学的问题来不得半点虚假。操作过程可做一个辅助性链接，方便学生在遇到困难时可以自主学习。

实验过程的每一个具体环节都可设置相应的考核观察点，便于全面准确掌握学生学习的过程，进行客观的评价。评价应设计为实时，并能及时反馈。要从实验过程的行为规范，科学思维与严谨态度等方面进行评价。要有系统客观评价的完整评价模型。

简而言之，围绕立德树人，适应新医科人才培养的要求，充分考虑当代医学生的成长特点以及5G时代教育教学的新规律，以提高医学生基本实践操作能力和培养创新能力为核心，科学训练学生的临床思辨能力，支撑生理实验教学改革，提高生理教学质量为目的，全方位打造生理学虚拟仿真实验。

二、利用虚拟仿真技术，做好课前预习

医学实验大多是用活的生物体作为实验对象，因而对操作者具有较高的要求，既要完成相关实验操作，还要最大限度保持实验对象的结构与功能的完整，才有可能获得理想的实验效果。学生先在虚拟中完成生理实验，对该实验就有了全新的认识和整体把握。通过虚拟仿真技术，学生便可掌握实验原理，理解实验设计；进过反复演练，学生可熟悉整个实验操作环节，知晓可能出现的各种情况以及应该采取的措施，从而提高真实实验的成功率。例如，蛙心灌流实验，利用虚拟仿真技术，既可真实再现蛙心的结构，血管的走向，还能演练如何将蛙心插管插入心室，如何判断插管已进入心室。通过仿真实验，可以观察不同理化因素对心率、心肌收縮力以及心脏博出量的影响，继而理解内环境的稳态对于器官功能活动的重要性。运用仿真技术进行生理学实验，可以清晰地看到不同的操作或处理可能对于实验结果的影响，便于警示学生在正式实验时尽量避免或消除不利因素对实验结果的影响。

三、利用虚拟仿真技术，进行回忆性实验，升华生理学知识

通常我们用活的生物体作为实验对象，许多时候生物材料只能运用一次。实验结果可能是理想的，也可能是不理想。无论是从时间还是实验对象都只能给予学生一次机会。现在利用虚拟仿真技术，学生可在真实实验结束后，不受时间和生物材料的影响，进行数次模拟实验，直至全面掌握生理学的相关内容。学生在这种真实实验之后，再次与模拟实验进行对比，学生可发现某些真实实验中悬而未决的问题，通过虚拟仿真技术求证解决的方法，加深学生对实验原理与实验操作基本的印象，激发学生对生理学的学习兴趣和对生理学知识的探究欲，增强学生对生理实验教学内容的理解与掌握，从而不断提升生理学实验的教学效果。从利用虚拟技术进行预习，到真实实验，再到虚拟仿真进行回忆性实验，学生对知识的理解不断加强，生理学知识的积累在螺旋式上升。

四、利用虚拟仿真技术，做好形成性评价

在传统的医学实验教学过程中，对于实验课的考核内容主要依赖学生的实验报告、平时考勤；缺少对实验操作过程中学生的具体表现及其评价。在学生利用虚拟仿真技术进行常规性和设计性的实验，借助该实验技术可同时采集学生进行实验的第一手资料，为进行形成性评价奠定了基础。通过后台数据，教师可准确知道学生对实验原理和实验设计的掌握情况，学生课前复习和相关理论知识的准备情况，学生对实验数据进行归纳总结以及分析的情况。为了科学评价生理实验的整个教学过程，必需根据实验教学的要素设置观察点，并予以赋分。将其整合到虚拟实验过程中，在生理实验教学过程中，系统可根据实验进程及其表现，给予实时评分。师生可以快速进行反馈，便于及时调整教学进度或教学内容；另可根据实验教学条件和环境等诸多因素改进方法，以便于得到理想的实验结果，有利于学生进行分析、概括与总结。

利用虚拟仿真技术，开展碎片化学习，不受时间和空间的限制，学生可以主动开展实验，或预习，或巩固复习，一切皆由学生根据自己的情况而定。同样，学生还可根据实验的线索，追根溯源，进行生理学知识的拓展学习。让学生在这个无围墙的大学中自由翱翔。

总之，随着信息技术高速发展，新技术与新方法必将丰富生理学的教学手段，只要我们始终牢记以学生为中心，勇于探索，不断改革生理学实验教学方法，促进生理学教学质量逐步提升，为新时代培养和输送合格医学人才。