虚拟仿真实验软件在高校实验教学中的应用现状调查

唐 溯 姚铁辰 朱 涵 黄 硕 孟 建

（山东第一医科大学（山东省医学科学院） 山东·济南 250000）

0 前言

新时代的医学科技发展已经不再局限于实验室内的研究，将医学实验与信息技术相结合已经成为一种大趋势。而虚拟仿真模拟技术（Virtual Reality），简称VR，就是一种如今日益成熟的，可以将医学研究与网络紧密结合的一种技术。医学影像学是现代医学领域发展最快、涉及范围最广的学科之一，所以就可以将其与虚拟仿真技术结合在一起，成为高等教育体系信息化建设与实践教学中心建设的关键所在。本文章对虚拟仿真实验的发展现状进行了详细的研究，希冀探讨虚拟仿真软件在我国高校实验教学中的应用以及发展前景。

1 虚拟仿真实验的发展现状概述

信息技术的不断发展为教育提供了更多的教学方法，其中将虚拟仿真技术应用在实验教学上，更是为传统的实验室带来了变革。虚拟仿真实验技术的出现冲击了人们的实验教学理念，同时也弥补了许多传统实验教学的缺陷。虚拟仿真以计算机为核心，生成视觉、听觉，甚至是触觉一体化的虚拟环境，实现了每一个学生都可以切实动手操作实验，解决了目前传统实验教学中学生多，仪器少，仪器破损或落后等问题。虚拟仿真实验技术的发展及应用才刚刚开始，是处于一个上升阶段的，应用在教育方面是必不可少的、有发展前景的新兴教学方法。

2 虚拟仿真实验在各个领域的应用

2.1 医学

2.1.1 在诊断学教学中的应用

诊断学是一门理论医学与临床医学相结合的桥梁课程[1]，是运用所学的基础医学知识，通过病人所表现出的症状来对一种或多种疾病做出诊断。诊断学是一名临床医生的基本功，对于医学生来说也是重中之重。既然牵涉到了临床，就说明这是门实践性很强的课程，实验教学条件会直接影响此门课程的学习。据了解，这门课程一般开设在大学三年级，这时的学生还接触不到临床实践环境，但是虚拟仿真实验的出现改变了这种情况。

在实验课上，学生可以以虚拟患者为基础，创建不同疾病的患者模型。诊断分为视诊、问诊、听诊、触诊及叩诊等检查。学生可以在虚拟界面与虚拟患者对话，并进一步用模拟听诊器去进行听诊，然后再进行叩诊从而得出初步的诊断结果。相对于传统的诊断学实验教学，这些都是无法做到的，也正是由于虚拟仿真实验的运用，学生可以更好地掌握诊断学的方法步骤以及最重要的诊断学知识。

2.1.2 在急救医学技能操作教学中的应用

急救医学是一门多专业的综合学科，是临床处理急危重症的第一线，主要是处理和研究各种各样的急性病变及急性创伤，其涉及医学的方方面面——包括内科、外科、神经外科、神经内科、麻醉等，其疾病之复杂、疾病之凶险，对于还身处学校的同学来说，认识不可谓不足。同时这门课程也是一门实践性高，而且实际的操作机会很少的学科，这也就使学生们学习掌握这门课程的难度增加，以及同学们以后身处临床，其生理和心理也难以很快适应。因此，应用于急救医学学科的虚拟仿真实验是通过模拟人操作的模拟人仿真系统，同时结合实际生活中的网络通讯、人机交互等技术将其用于急救医学技能操作教学中[2]。例如，学生可以从书本中学习到如何急救突发心肌梗死的患者后，在虚拟仿真环境中切实感悟到每一步的确切操作手法和应该注意的细节，对于如何处理急性心肌梗死患者的急救措施有更直观的认识，并且系统还可以模拟出患者的身体状况以及反馈急救是否成功，从而使学生不断改进提高自己的心肺复苏术的水平和能力，为了以后更好的临床诊疗提供帮助。

2.1.3 医学微生物学教学中的应用

图1 左图：新型冠状病毒电镜图 右图：新型冠状病毒“德尔塔”变种3D建模

医学微生物学是基础医学中一门重要的学科，主要研究与医学有关的病原微生物的生物学性状、致病机制、机体的免疫反应以及相关的防治措施。[3]这门课程的一大特点是知识点较为琐碎，对于各种各样微生物的形态结构、理化性质等方面的学习，由于没有足够的标本和观察手段，所以学生们大都只能在书本上学习它们的构造，无法真实的看到它们真正的结构。而虚拟仿真实验则给了学生们这个机会——虚拟仿真技术由于具有网络共享的特点，可以搜集到各个医院或实验室上传到文献里的各种对人类致病的微生物，以如今最引人注意的新型冠状病毒为例，课本上只是描述其结果特点，配图是一个电子显微镜下放大的图片，十分模糊且没有立体感，而在虚拟仿真技术的帮助下，学生们可以直观的观察新型冠状病毒的真正构造，并且找到其具有高度变异性的结构，还可以对比其与最近变种“德尔塔”病毒的不同，可以让学生们更好地学习冠状病毒这一大类病毒的形态结构、抗原结构簇及其增殖过程。

2.2 化工

化工原理实验教学是化工专业学生必须学习掌握的一项重要内容[4]。为了让该专业的学生更好地学习这门专业课，弥补传统教学方式的不足，虚拟仿真实验技术可以利用在计算机上运行的数字化平台，准确模拟化学上真实的实验。在线下的传统实验课堂上，一是缺少实验所需要的材料，二是反应消耗的时间久，三是化学实验的影响因素太多，结果容易不成功，并且一旦不成功则需要重新开始实验。而在虚拟平台上做实验，则可以缩短实验反应的时间，并且可以自行加入对实验具有影响的变量，这样即使失败重新开始了，也不需要等待每一步反应所消耗的时间，这样可以大大提升学生们的效率，减少学生们的精力损耗，同时也可以让学生们深刻地认识并掌握相关的化工原理。

2.3 工业机器人

为了使自己的制造业更具有竞争力，效率更高，各国都在研发改进升级自己的工业机器人。工业机器人是智能制造的重要组成部分[5]，工业自动化的不断改造，机器人需求量的不断增长，也对实用型专业技能人才提出了新的要求。如今对于该类人才的培养需要加强实践操作，不能只进行理论上学习，要在教学过程中将理论与实践结合起来，将课堂转移到工厂里，同时自动化的工业机器人对使用者的计算机水平也有较高的要求。所以为了提升课程质量与效率，要将互联网、遥操作、虚拟现实等技术运用到课堂上。

如今是大数据的时代，信息的交流自然也是无比之重，通过“虚拟仿真+在线课堂”的教学形式，可以使老师傅与新学徒建立更好的沟通桥梁，师傅既可以远程观看学徒的操作过程，也可以进行远程操控，对过程中出现的问题进行纠正。这种教学模式改变了在工厂里学习的乏味与条件的简陋，极大提升了学习者的兴趣，在未来的教学中会不断发挥更大的作用。

2.4 外语类

语言是一门实用类学科，外语学科的学习同样需要在真实的语言场景和文化背景下才能取得好的效果，但是传统的语言授课模式仍然缺乏以上两种优点，同学在老师的口讲笔述下学习语言，其效果大打折扣，学生的学习兴趣及其学习成果也非常不理想。在目前新学科建设背景下，学生对于语言学习的实用性有了极大的要求，对于外语教学的需求发生了深刻变化。[6]

因此，VR和虚拟仿真实验软件的出现，完美的契合了现如今学科发展的现状以及学生们对学习外语的需求。外语教学可以借助虚拟仿真软件来更新教学方式、建立语言场景和文化背景、增强学生记忆以及语言知识与技能学习的效果。虚拟仿真软件也符合教育部关于虚拟仿真实验教学项目—“虚实结合、相互补充”的项目设计理念，可以更深层次的启发学生对于中外文化差异的思考，理解其语言的内涵和精髓，深入的学习语言。

3 前景与展望

虚拟仿真实验技术能够生动并且形象的展现实验过程中的操作细节，同时可以弥补传统教学的不足，具有时空随意性、学习交互性等优点。目前，虚拟仿真实验技术仍属于一项新兴的技术，还没有被广泛的应用于教学实验中，但是其有着极大的潜在价值与意义。应用虚拟仿真实验教学能够激发学生的学习兴趣和学习主动性，有效提高整体教学效果，具有可发展性，相信在未来会被广泛应用，有利于为社会培养创新型人才，同时，教育方式也会因虚拟仿真技术的加入课堂而发生重大变革。随着虚拟仿真技术的不断发展，日益成熟，不难想象，在未来的高等教育体系中必然会发挥越来越重要的作用。

总而言之，不管新兴的技术有多先进，功能有多强悍，都不可能从根本上把老师替代。教学也不可能是技术选择老师，而是以老师主导，通过选择相应的虚拟仿真技术，配合自己的教学思路来教授知识。目前 VR技术及其衍生产物“虚拟仿真实验”还只是处于萌芽阶段，仍没有大规模的应用到每个大学、每门学科、每位教师的教学当中，但是基于其在教学当中所能发挥的种种优势，我相信用不了多长时间，虚拟仿真技术就会在我们的课堂当中出现，带来一场极其重大的教育改革。