虚拟实验在高职高专机能实验教学改革中的探索#

刘慧霞 邢乾乾 吴林 石山慧

·教学管理·

虚拟实验在高职高专机能实验教学改革中的探索#

刘慧霞*邢乾乾 吴林 石山慧

（菏泽医学专科学校生理学教研室，山东 菏泽 274000）

虚拟实验以计算机网络为核心，以实现数据采集、分析，远程操作的系统；通过虚拟现实、多媒体和仿真等技术，进行的仿真实验，强化实验教学信息化建设，建成以教学过程可视化、质量控制、师生互动、远程指导、自主学习等一体的泛在信息化云平台。虚拟实验教学作为新型实验教学平台，能节约实验成本，能增加学生的兴趣，调动学生做实验的积极性，虚拟仿真实验技术作为传统实验教学的辅助手段之一，可将虚拟实验与真实实验结合，做到“虚实结合、能实不虚”。

虚拟实验；高职高专；机能实验教学

医学高职高专院校旨在为基层医疗机构培养德、智、体全面发展的医学人才，使其具有扎实的医学基本理论和技能，能从事临床、护理、口腔、预防保健等工作。其医学高职院校突出的特点是以职业岗位能力为本位，以知识应用为核心，尤其应重视实践教学[1]。医学机能实验是基础医学实验教学的核心课程之一，将生理、药理、病理生理（简称“三理”）三门实验课进行融合、更新和优化，以人体生理功能、药物作用及机制和疾病的发生发展为研究对象，是医学教学中的重要组成部分之一，注重培养学生综合素质，创新精神，应将素质教育、创新教育融入实验教学的各个环节中。机能实验通常以活体动物为研究对象，是学生入学后首次接触实验学科。在传统的机能实验教学中，学生根据教师的讲解和要求按部就班的实验，由于高职高专学时较少，每次实验课安排两个学时，由于老师讲解后学生操作的时间较短，动手操作的机会相对较少，学生实验成功率偏低，多年来这些问题较普遍地存在于机能教学中[2]。

随着我国教育体制的不断深化改革，教师资源、实验经费、仪器设备的局限性，使传统的实验教学模式已不能满足教学需要。虚拟实验系统通过网络、多媒体和计算机等多种技术整合起来，使实验项目内容、仪器设备、操作方法有机地融合在一起。因此，在传统实验教学基础上，我校积极开展虚拟实验教学，培养学生综合素质能力、将知识融会贯通和科研思维能力，逐步建立以学生为中心的教学体制。

1 虚拟实验教学的发展历程

1989年，美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）威廉·沃尔夫教授于首次提出虚拟实验室的概念。虚拟实验以计算机网络为核心，以实现数据采集、分析，远程操作的系统；通过虚拟现实、多媒体和仿真等技术，进行的仿真实验，强化实验教学信息化建设，建成了以教学过程可视化、质量控制、师生互动、远程指导、自主学习等一体的泛在信息化云平台[3]。实验结果具有针对性，其效果明显优于传统真实实验中的结果。因为虚拟实验教学具有强大功能和突出优点，其广阔的应用前景得到了大力开发，在许多高校的机能实验教学中广泛采用。

2 机能实验教学开展虚拟实验的必要性

2.1 有利于学生通过网络平台预习和复习复杂实验项目

医学院校的机能实验步骤有些相对比较复杂，涉及的理论知识较深奥[4]，因此学生需要提前了解实验原理和复杂的实验操作步骤。传统的实验授课模式是教师先在课堂上完成实验原理的讲解，实验课上首先精讲实验步骤和注意事项，耗时较长，学生务必要记住教师讲解的内容才能完成后续实验，由于传授的知识较多，高职高专学生学习能动性相对欠缺，往往导致在后续实验中出现众多的问题，甚至导致实验中途终止或失败，达不到预期的实验效果。虚拟实验通过让学生课前在网络教学平台或虚拟实验室预习实验课内容，熟悉实验原理，多次观看实验操作的视频，为进行真实的具体实验操作奠定基础。在传统的实验教学中，因为受动物活体生命客观条件的限制，其重现性较差，使实验中的某些项目不能得到较好的实验验证。而虚拟实验却能够让学生进行多次反复模拟，这一方面有利于进行在实际操作中被忽略的步骤，另一方面加深对实验目的认识，对实验原理更加深入理解。

2.2 改善实验教学条件，提升实验教学效果

机能实验教学的实验对象通常以动物为主，实验教学花费相对较多，高职高专学生人均占有设备和动物资源较少，部分学生在机能实验课中动手操作的机会较少，一般作为观察者参与课堂[5]。某些实验手术操作步骤较复杂，如影响血液凝固的因素实验中动脉插管技术、影响心输出量的因素实验中中主动脉插管术等，在实验中学生有时由于操作不熟练或失误而造成实验失败。虚拟实验教学平台的运用可以弥补传统实验教学模式所存在的不足，学生在进行虚拟实验中，降低了实验仪器、动物的损耗，显著降低了实验动物和材料费用的成本，大大节省了资源成本[6]。学生首先通过观看虚拟实验录像，然后后再独自进行真实动物实验操作，降低了实验操作的盲目性，大大提高了实验成功率，改善了实验效果。

3 虚拟实验教学模式在机能学实验教学中的优势

3.1 虚拟实验的开展丰富了实验教学内容

由于高职高专院校学制三年，在校学习时间短，课程人均学时相对较少，实验学时占有比例也少，因此通常会安排一些实验时间短，步骤简单，方法经典，实验成功率高的实验项目，而用时较长、步骤复杂、需要特殊实验设备的项目没有面向学生开设。通过开展虚拟实验，学生借助虚拟实验平台中的实验项目，熟悉实验的相关原理与应用，观看演示、开展虚拟实验手术操作。

3.2 虚拟实验教学的开展节约了实验动物和设备经费

医学机能学实验教学的主要目的之一是需要掌握一定量的动物实验手术基本方法，提高实验成功率，必然用到大量的活体实验动物进行操作练习[7]。因实验学时有限，学生操作较少，不能实现反复多次练习。虚拟实验教学系统通过运用计算机仿真实验技术来实现动物实验的仿真操作。学生选择生理、药理、病理生理机能学科的相关实验，点击进入实验项目，对虚拟实验动物进行手术，可以反复多次练习，不但节省了实验设备、实验耗材和实验动物的花费，而且能让学生反复进行某项实验操作，这有利于他们理解并掌握实验相关的理论知识，熟悉实验过程每一个步骤的操作过程，随后在进行真实的动物实验手术时，能够顺利完成实验的每个操作达到预期的实验教学目标，节约实验药品和实验动物。

3.3 虚拟实验教学的开展增加了学生的动手机会

医学机能实验传统教学中通常以真实动物为实验对象，往往会受到实验方法复杂、操作安全存在隐患及实验花费较高等诸多因素的制约，学生亲自操作的机会受限，部分学生在实验中只是旁观者，实验效果不理想[8]。随着现代教育网络信息化信息技术的更新发展，虚拟实验教学系统通过对实验对象和实验仪器虚拟化，虚拟实验环境通过多媒体技术在计算机上构建，学生能够通过人机交互界面进行实时仿真操作，就能够避免以上因素的影响，减少实验成本，降低实验器材损耗，充分利用实验资源，减少实验盲目性，最终完成各种预期的实验操作，提高教学有效性，从而完成实验教学的目标。

3.4 虚拟实验教学具有较明显的开放性

虚拟实验不受时间、空间的限制，学生通过课外时间登录校园网虚拟仿真实验操作系统，进行课前预习或课后巩固。在教学内容和教学形式上虚拟实验教学也具有开放性，教师为适应不同学习要求、不同层次的学生，结合实际教学情况扩展实验内容。学生还能够有选择性的学习、模拟实验，提高学习积极性与参与度。虚拟实验平台能为学生创造一个自由灵活的学习环境，在课余时间对虚拟实验有兴趣的学生能够到虚拟实验室选择实验项目进行练习、操作，培养了学生自主学习的积极性，也提高了学生的创新思维能力。学生可以根据实际情况充分利用虚拟实验。

3.5 虚拟实验富有趣味性

在机能学实验教学中，利用多媒体技术虚拟实验形象、直观的传授实验教学信息，并且学习过程带有趣味性，不必顾忌实验动物的死亡，实验器械的损坏[9]。而且学生还能够通过多媒体，自学发挥自己的创造力与想象力，避免传统实验教学带来的弊端，扩展学生的视野，更加逼真、形象，在虚拟实验教学系统中借助人机互动，学生的各种操作错误能够得到及时地纠正，通过不断改进，大大增强学生实验操作成功的自信心，调动学生动手操作的积极性。

4 机能实验教学开展虚拟实验的注意事项

虚拟实验虽然有很多优点，但仍不能够完全代替传统的动物实验教学模式，虚拟实验教学中的仪器、动物和药品都是通过软件虚拟出来的，学生通过点击鼠标完成仪器操作、药品添加，最终达到预期的实验效果和目的，但这与真实的实践操作还有着明显的差别；虚拟实验项目的实验过程、现象，也是实验软件设计者根据理论支持事先在实验模块中设定好的，如果实验条件略有改变，实验结果可能就会有明显的差异。这些弊端在一定程度上会减弱学生的探索精神、实践操作能力和创新思维能力，在一定程度上也会存在使不够严谨、不够爱护仪器设备，削弱学生在实践操作中细心和安全防范意识，对培养严谨的科学态度不利。此外，有些虚拟实验操作项目太简单，有些操作如家兔固定、皮肤切开、气管插管、家兔颈部手术、动脉插管等不够真实，而且无菌观念缺乏。虚拟实验设计需要继续研究开发，以更好地服务于机能学实验教学。所以，应将传统实验与虚拟实验教学有机的结合起来，提倡实际操作为主，虚拟实验教学为辅的原则，一些高危、复杂及需要大量动物和经费投入的实验项目尽量采用虚拟实验教学方式，实现优势互补、虚实结合，利用虚拟实验的灵活扩展性，将新发展的、反应学科前沿的实验方法快速教授给学生，实现优秀医学人才的目标。

机能实验教学承担着提高和培养学生动手能力、创新能力的责任。虚拟实验教学作为新型实验教学平台，能节约实验成本，能增加学生的兴趣，调动学生做实验的积极性，但是虚拟实验教学也仍然存在着许多不足，不能完全代替传统实验。因此，虚拟仿真实验技术作为传统实验教学的辅助手段之一，我们应该把虚拟实验与真实实验结合起来，使两者相互弥补不足，做到“虚实结合、能实不虚”[10]。而且我们要听取学生们的意见，采纳同行们的建议，积极探索，不断更新实验项目，提高实验水平，不断完善虚拟仿真实验系统，使之在机能学实验教学中能够发挥更好的作用。

1 刘慧霞. 微课在护理高职高专生理学教学中的应用[J]. 中华护理教育, 2013, 10(11): 489-490.

2 孙湛, 张雪梅. 数字化教学模式在人体机能学实验中的应用[J]. 中国医学教育技术, 2018, 32(4): 410-412.

3 吴晓燕, 袁艺标, 施睿臻, 等. 多元化网络教学模式在机能实验学课程教学中的应用[J]. 中国高等医学教育, 2018, 3: 109-110.

4 庄文献, 杨雪, 周玉霞, 等. 医学机能学虚拟实验教学系统设计研究[J]. 中国高等医学教育, 2010, 11: 47-48.

5 刘慧霞, 马建伟, 侯滕菲, 等. “组长责任制”在生理学实验教学中的应用[J]. 中华医学教育探索杂志, 2013, 12(2): 146-149.

6 赵红梅, 包保全, 陈建平, 等. 浅谈医药院校化学虚拟实验教学平台建设[J]. 药学教育, 2015, 31(5): 59-61.

7 石冬梅, 李鹏, 李志军. 虚拟实验在生药学实验教学中的应用初探[J]. 福建医科大学学报(社会科学版), 2016, 17(4): 40-43.

8 周丽芬, 马宁芳, 章喜, 等. 基础医学虚拟仿真实验教学资源建设及教学软件研发与应用[J]. 基础医学教育, 2019, 21(8): 666-670.

9 樊守艳, 王继浩. 基础医学虚拟仿真实验教学现状分析与展望[J]. 中国教育信息化, 2018, (2): 88-89.

10 杨丹聃, 王志飞, 王艳玲, 等. 基础医学虚拟仿真实验模式探究[J]. 实验技术与管理, 2017, (3): 124-126.

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）

菏泽医学专科学校教研课题（编号：H13KG02）

刘慧霞，女，教授，主要从事生理学教学和心血管病理生理学研究，Email：liuhuixia1979@126. com。