虚拟仿真实验在医学实验教学中的应用与分析

侯艳丽

（南阳医学高等专科学校，河南 南阳 473000）

实验教学作为医学教育的重要组成部分，对培养实用型和技能型人才至关重要。但是，在实际教学过程中，由于逐年扩招，学生数量剧增，而教学条件、教学资源在一定程度上有所限制，使得一些实验项目无法有效开展，进而影响了学生专业技能培养。虚拟仿真实验教学是信息化时代高等医学教育改革的必然产物，其形象、逼真、便捷和可重复操作的虚拟实验环境，为学习者搭建了一个全新的学习平台，成为一种新的医学实验教学模式[1]。虚拟仿真实验与传统实验相结合，必将实现优质、高效的实验教学，为培养实用型、技能型医学人才奠定良好的基础。

1 虚拟仿真实验教学是时代发展的必然趋势

第一，传统医学实验教学需要采购大批实验动物，一方面，实验动物价格昂贵，花费较多；另一方面，医学伦理学要求尊重实验动物、尊重生命，因此以牺牲动物生命而进行的验证性实验必将逐渐减少。第二，社会的发展需要绿色环保，而传统医学实验中废弃的动物遗体及实验垃圾必将会造成环境污染，影响人类的生存环境[2]。第三，学生数量的剧增，使实验动物需求量增加，实验中师生一旦操作不当或管理不善，就可能出现动物源性传染病。此外，若不熟悉实验流程及操作，就可能使实验动物白白牺牲，而学生并没有掌握相应的知识和技能。但是，传统实验教学确实可以提升学生的操作技能，也是其走上工作岗位前为数不多的锻炼机会。因此，需要一种新的实验模式辅助传统实验教学，以取得良好的教学效果，同时又可以避免高消耗、高风险带来的问题。虚拟仿真实验教学顺应时代发展的需要，采用高新技术，使学生在高度仿真的虚拟场景中进行实验，且具有可重复和共享的特点，越来越受到师生欢迎。

2 虚拟仿真实验教学的主要类别与基本形式

信息技术的飞速发展为虚拟仿真实验系统的建设和应用提供了强有力的技术支撑，实验教学的理念、模式及方法也随之发生了深刻变革。目前，国内外虚拟仿真实验教学资源包括电子教材、视频、课件和软件等[3]，但是不同类别和形式的虚拟仿真实验有其各自特征，见表1。

表1 虚拟仿真实验教学的主要类别与基本形式

3 虚拟仿真实验与传统实验的不同点

虚拟仿真是仿真技术和虚拟技术的交互应用，通过两者的深度融合构建出可交互的虚拟世界[3]。学生在虚拟的实验环境学习传统实验教学中的知识并模拟相关操作，包括实验目的、原理、用品、对象、步骤及操作方法等，融合情景教学、启发教学、互动教学于一体，与传统实验教学有很大不同（见表2）。

表2 虚拟仿真实验教学与传统实验教学比较

4 虚拟仿真实验教学具有诸多优点

4.1 可帮助学生克服心理障碍

医学实验大多需要用到青蛙、蟾蜍、小白鼠、兔子等动物，但是，大部分学生并未接触过这些动物，不了解它们的习性，再加上动物在受到惊吓时会出现抓、咬及大小便失禁等情况，使许多学生产生畏惧和厌恶心理，不愿动手操作。虚拟仿真实验可消除学生因为未知而对实验动物产生的心理障碍，使其愿意学习并尝试进行实验操作。

4.2 具有很强的示教作用

学生课前可以通过医学虚拟仿真教学软件学习并模拟实验过程。如小白鼠的捉拿和给药、家兔的麻醉固定及手术操作等。传统实验教学时，多数学生难以看清示教过程，且由于时间限制，教师的示教往往只能进行一次，学生很难掌握操作要领。虚拟仿真实验恰恰可以解决该问题，它可以借助图片、视频、动画、声音、文字等详细介绍操作步骤、仪器使用方法、注意事项等，创建模拟场景，起到示教作用。学生课前可以随时随地反复学习，掌握操作要领，规范操作方法，熟悉注意事项，带着问题有目的地到实验室进行实验操作，减少操作失误，牢固掌握操作技术。

4.3 可提高学生的学习兴趣

虚拟仿真实验系统仿真度高，直观性强，可以模拟整个实验过程，将难以理解的、抽象复杂的操作简单、直观地呈现给学生，且呈现过程人性化，增加了学习的趣味性，操作错误时会有提示，纠正后方可继续进行。学生可多次实验操作，掌握实验流程，在此过程中学生对传统实验操作产生好奇心，并期待将虚拟变为现实，获得成就感。

4.4 可提高实验成功率

在传统实验课前，学生观看虚拟仿真实验系统中的实验录像、模拟实验操作步骤，熟悉并掌握实验关键操作，包括药物的配制和注射方法、手术方法及仪器的调试使用等。学生通过反复练习，在进行传统实验时就能对操作过程做到心中有数，快速进入状态，提高实验效率及成功率。

4.5 可节省教学资源，增加实验机会

传统实验教学需要宽敞的实验教室，大量药品试剂、实验动物以及精密的仪器设备等，成本高、耗资大；近几年招生规模持续扩大，学校软硬件都难以在短时间内全面提升，使得学生动手操作的机会减少。虚拟仿真实验系统可以反复操作且具有共享性，节约了实验成本，学生还可以随时登录系统进行练习，增加了实验机会。在一定程度上虚拟仿真实验也减少或避免了有毒有害实验药品对学生造成的危害，提高了实验的安全性，且可以寓教于乐，提高实验教学效果。

4.6 可培养学生自主学习能力

在传统实验教学之前，教师通过作业的形式要求学生进入虚拟仿真实验系统进行学习，记录学习过程中发现的问题、感兴趣的或比较难操作的步骤，学生带着问题有目的地进行学习，长此以往必将养成主动学习的习惯，并提升发现问题、解决问题能力。

5 虚拟仿真实验也存在一些问题，应与传统实验结合使用

尽管虚拟仿真实验优点很多，但其并不能取代传统实验教学。虚拟仿真实验通过电脑或手机端操作，学生无法真正体验实验的复杂程度，缺少传统实验中同学之间的相互协作与沟通交流，也缺乏操作技能的锻炼机会。因此，两者必须相互结合，虚拟仿真实验在先，传统实验操作在后，互为补充，开阔学生视野，调动学生学习兴趣，并将抽象的内容具体化、形象化，给学生留下深刻的印象，加深学生对实验操作要点的理解和掌握，达到培养实用型和技能型人才的目的。

6 虚拟仿真实验未来发展趋势

虚拟仿真实验已经成为医学实验教学必不可少的一部分，但是，目前虚拟仿真实验平台的建设仍存在一些问题，未来虚拟仿真实验平台建设应从以下几方面着手。

6.1 学校与企业加强合作，提高虚拟仿真实验平台建设水平

尽管医学院校具有众多医学教育资源，在实验过程中可以根据实际情况形成新的实验设计思路，但是缺乏平台开发的软硬件条件和技术队伍。只有与企业强强联合，结合双方的需求，优化资源配置，才能制作出真正有利于提高教学水平的虚拟仿真作品，特别是要结合经典实验开发作品，加强学科交叉互融，以获取更多学习资料，拓展知识，满足教学需求。

6.2 增强虚拟操作的仿真性

调查显示[4]，学生建议虚拟实验操作应更具参与性；建议设置实验意外场景；利用AR和VR技术，使虚拟仿真实验更具仿真性，同时提高学生分析问题、解决问题能力，带给个人沉浸式的感官体检。未来虚拟仿真实验平台建设应以此为导向，使学生在学习过程中参与度更高，提高实验效果。

6.3 建立有效的师生评价与反馈体系

师生是虚拟仿真实验系统的实际应用者，在实际应用过程中更容易发现产品的不足之处。建立有效的师生评价与反馈体系，可使发现的问题及时得以反馈，并以此为出发点，引导师生共同参与虚拟仿真实验产品研发过程，开发出实用型、功能性更强的仿真软件，有效应用于医学人才培养。

总之，虚拟仿真实验的引入和应用可弥补传统实验教学的不足，两者相互结合，通过线上线下混合式教学，真正做到把“教”与“学”融为一体，为学生提供一个开放、自主、交互的虚拟实验环境，也使实验教学摆脱了对器械设备、场所、课时等的限制，从而使实验教学变得更加便捷、生动、高效[5]。学生通过自主学习、主动学习，形成良好的学习习惯，从而达到教与学的良性互动[6]。不管是在疫情当下还是在今后的信息化时代，虚拟仿真实验作为医学实验教学一道亮丽的风景线，定会成为提高医学实验教学质量的重要手段，并不断推动医学实验教学改革。