虚实结合实验方法在人体生理学教学中的应用

2022-10-22徐子彤孙远红瞿永华

科教导刊 2022年14期

黄娟，徐子彤，麻凯，孙远红，瞿永华*

（武汉轻工大学医学与健康学院，湖北武汉 430023）

人体生理学是医学院的重要基础课程之一，属于实验科学的范畴，开展实验教学是学习该学科必不可少的一部分。2015 年以前，武汉轻工大学（以下简称“我校”）生理学实验教学由于实验动物、实验学时、经费等条件的制约，造成生理学实验质量无法达到预期的效果。2015 年时，我校启动了医学机能学实验室的建设，引进了虚拟仿真实验教学平台系统，利用虚拟化完成了更多的教学内容。但在疫情防控期间，我校全覆盖采用虚拟仿真实验进行课程内容教学，导致学生的实际操作技术和动手能力不及传统的实验教学。2021 年，我校采取传统实验和虚拟仿真实验相结合的方法开展生理学实验课程的教学，在一定程度上提高了学生对实验课程的兴趣和教学质量。本文主要是从这三种方法的使用效果评价进行总结和分析。

1 传统实验方法的效果评价

传统的教学方式主要是由教师先讲解实验的目的要求、内容以及注意事项等方面的知识，然后学生根据教师的指导和演示完成实验。

1.1 传统实验方法的优势

1.1.1 有利于提高学生的操作技术和动手能力

生理学实验是以活的动物或人体作为观察对象和实验材料的。在实体实验中，操作技术和动手能力对实体实验的成功与否具有重要的影响。在实体实验的操作过程中，学生可以学习和掌握一些基本的操作技术，例如手术器械的使用方法和技巧、动物固定的方式和手术结打结的方法等操作。

1.1.2 有利于促进学生思维能力的发展

在动物实验过程中，动物会受到许多因素的干扰进而引发各种现象，学生可以通过观察实验的现象和记录相关的数据，对比分析出现不同结果的原因，并总结能从中得到什么结论或启示。

1.1.3 有利于培养团队合作的精神

在传统的实验教学中，主要采用小组成员之间共同合作的实验方式，小组内团结、配合、分工协作完成各项实验。因此，在实验的过程中，在实验井然有序地进行的同时还可以培养同学们团队合作的精神。

1.2 传统实验方法的劣势

1.2.1 实验资源匮乏，安全隐患高

在生理学实验教学中，学生常常会因为资金匮乏，动物数量有限，实验涉及的实验器械和设备种类繁多复杂，不容易掌握实验方法。如果学生没有掌握这些仪器的使用方法，可能导致实验过程中因使用方法不恰当，造成实验中断或动物死亡，甚至还可能会因为捉拿过程中不小心被动物抓伤的情况。传统的生理学实验还存在实验动物供不应求和安全隐患等方面的问题。

1.2.2 实验条件有限，导致某些实验无法开展

生理学实验教学往往会受到教学经费短缺、实验课时较少与生物伦理等因素的制约，使得一些实验无法开展。

1.2.3 实验教学的效果不佳

生理学实验教学的过程中，教师会先讲解实验的目的、操作步骤与注意事项，学生们按照老师的指示和步骤进行。实验的设计方面多数是验证型实验，导致学生对生理学实验没有独立的思考，长期如此反复，学生们会把人体生理学实验作为一种刻板完成任务的实验课。

2 虚拟仿真实验方法的效果评价

虚拟仿真实验教学方法主要是通过将计算机虚拟仿真技术与互联网结合，利用虚拟动物来模拟实际生理学实验的操作过程。

2.1 虚拟仿真实验方法的优势

2.1.1 提高了实验教学的安全性

在一些安全系数较低的实验中，若操作不慎，容易给操作者带来危害，如生理学上的缺氧实验中气体制备和药物使用具有一定的安全隐患，操作过程中不够专心就可能会对身体造成危害。除此之外，在一些实验中需要用大只的动物做实验，如捉拿的方式不正确或者麻醉药不足时，也可能会出现在实验的过程中被动物抓伤或者咬伤的情况。而虚拟仿真实验的操作过程是无须动物无须药品试剂的，任何实验都能够在虚拟实验室内完成。

2.1.2 优化人体生理学实验教学的资源

传统生理学实验教学常常会因为实验动物、实验学时、经费等条件的制约，导致我们能开展的实验项目内容不够丰富。但通过采用虚拟仿真实验教学模式进行实验，不仅可以改变传统生理学实验教学的缺陷，还可以开展更多的实验项目。虚拟仿真实验教学系统主要是采用虚拟动物来模拟实体实验，无须实验材料，不管进行多少次实验都不需要额外的教学资源投入，大大减少了经费的支出，同时省去繁杂的实验准备工作。

2.1.3 增强学生的实验技能，提高教学效果

通过利用计算机的模拟功能进行实验，不仅能够满足在实验过程中实现缓慢过程的快速化或快速过程的缓慢化，还能够满足实验者随时停止实验或查资料的需要。相对于传统的实验教学模式而言，虚拟实验系统能够通过虚拟操作的演示和互动，把实验中的重点、难点表示出来，学生能够通过虚拟实验熟悉实验的各项基本操作，掌握实验的重点。例如，在影响尿生成因素虚拟实验中，采用大量的数据曲线，结合2D和3D动画、实验操作录像，生动形象地展示了影响尿液的生成因素及其原理机制，实验完成后还可以进行知识点自测。除此之外，虚拟仿真教学体系不受时间和空间的束缚，学生和教师可以随时随地进行实验，从而解决了因课程学时不足而带来的困扰。

2.2 虚拟仿真实验教学方法的缺点

2.2.1 虚拟仿真实验系统的发展还不够完善

利用虚拟仿真实验系统进行教学的过程中，可能会因为系统管理体系上的不足、计算机信息网络信号不强或设备陈旧等因素的影响，在虚拟实验系统操作过程中不能进行步骤跳跃，出现死机的现象，导致实验无法完成。

2.2.2 虚拟仿真实验教学系统不能够完全代替实体实验的教学方法

传统的生理学实验教学模式可以提升学生的实际操作水平，有利于促进学生对动物实验方面实验操作的认知，为今后其他医学机能学实验奠定基础。虚拟仿真实验操作系统属于实验操作模拟的范畴，学生并没有真实体验动物实验的操作，因此，与传统生理学实验相比，虚拟仿真实验教学系统还具有一定的局限性。此外，虚拟仿真实验虽然能够解决传统实验上大部分的缺陷，但是虚拟仿真实验无法解决传统实验过程中所出现的问题，例如消毒的部位和方式、穿刺的方法与药剂的剂量等。虚拟仿真实验是程序化的过程，固定化的结果，导致学生缺乏独立思考问题的能力。

2.2.3 虚拟仿真实验系统在生理学实验教学中的普及程度不足

从河北省交管局获悉，河北省交管部门扎实开展交通秩序整治工程，上半年河北省交通事故起数、死亡人数同比分别下降15.34%、28.05%，未发生一次死亡10人以上重特大道路交通事故。河北省累计查处交通违法行为1719万起，同比增长20%；现场执法总量达到359万起，同比增长120%

在虚拟仿真实验教学系统的使用上，我校主要是通过虚拟仿真实验教学平台上的实验操作录像向同学们展示实验的具体操作过程，让同学们更加直观地看到实验的操作过程，用来补充在传统实验课堂上没能够展示出的内容。

3 虚实结合实验方法的效果评价

虚实结合法就是通过传统实验和虚拟仿真实验教学技术手段相互结合形成的一种教学方法，利用虚拟实验来促进实体实验的教学质量。

3.1 虚实结合实验方法的优势

3.1.1 虚实结合法推动了实验教学手段的改革发展

随着教育模式的改革发展，传统实验的教学方式无法满足现阶段教学的需求。虚拟仿真实验教学手段是由信息技术与教育深度融合形成的，还存在一定的局限性，不能够全方位覆盖使用。因此，我们采取了虚实结合的教学模式，恰巧能够达到相互弥补，使得生理学实验教学在生理学中发挥更大的作用。

3.1.2 虚实结合法提升实验效果，发挥以虚促实的作用

我们通过对20 级康复治疗学部分学生做了问卷调查，其中97.9%的学生对虚实结合法的教学方式呈满意的态度、92.4%的学生对我校的虚实结合实验教学感兴趣，99.4%的学生认为通过虚实结合可以减少实体实验操作过程中的错误。学生使用虚实结合的模式进行实验，不仅提高了实验动手的能力，而且还提高了实体实验的成功率。2021 年我校医学院在校学生参加了湖北省第一届大学生医学虚拟仿真实验技能大赛，并获得特等奖一项和二等奖三项。

3.1.3 虚实结合法提高课堂教学的效率

在虚实结合式教学模式中，学生可以通过利用课余时间在虚拟仿真教学平台系统上完成知识点的学习以达到预习的目的，教师根据学生的学习进度，对其在虚拟仿真教学平台系统上自主学习完成的情况进行评价，让同学们了解自己的学习成果并从中汲取经验，这不仅可以提高教师与学生之间互动的有效性，还促进了教学相长。