虚拟仿真技术在生理学实验教学中的应用*

王 星 王 静 王超群 史 君※

(1.内蒙古医科大学基础医学院,内蒙古 呼和浩特 010110;2.内蒙古医科大学附属医院风湿免疫科,内蒙古 呼和浩特 010110;3.内蒙古医科大学附属医院影像科,内蒙古 呼和浩特 010110)

生理学是一门重要的医学基础课程。在生理学教学中实验非常重要，通过完成实验操作学生不仅可以熟练地掌握动物实验技术，而且可验证所学到的理论部分知识，深化对理论知识的理解，使抽象、晦涩的理论直观化。但传统教学实验受时间、耗材、经费等因素的制约，教学模式依旧很传统：教师讲授演示、学生模仿操作，导致学生学习兴趣低落，教学效果欠佳，已经不能满足日常的实验教学需求[1-3]。随着高校教学方法的改革与教学模式的创新，应用虚拟仿真技术于生理学的实验教学中，可以弥补传统实验教学的缺点，不受时间、空间和场所限制，人机互动直观实验环节和现象，可作为开放共享的实验数字资源室供学生反复实验，直至操作成功，因此能有效提高学生的实践与分析能力，引发学生的学习兴致，促进传统的教学模式向信息共享、智能化方向的变革[4-6]。本研究依托内蒙古医科大学国家级蒙医学虚拟仿真实验教学平台丰富的教学资源，探讨生理学实验教学中虚拟仿真技术的应用与发展前景，为发展生理学实验教学提出新的思路。

1 虚拟仿真实验教学中心的建设

内蒙古医科大学蒙医学虚拟仿真实验教学中心成立于2013年，依托中蒙医的临床模拟实验教学示范中心，以形态学实验教学中心、生物医学综合实验教学中心等6个自治区级实验教学示范中心和自治区级工程技术研究中心——数字医学中心等为支撑，本着“以实为本、以虚补实、虚实结合”的指导思想，秉承“教学、科研、医疗、开发、共享”一体化理念，大力进行数字化和虚拟仿真实验教学资源建设，尤其是对那些受诸多主客观因素制约的项目着重进行虚拟仿真研发。该中心网络教学平台以基础医学的虚拟仿真资源作为支撑，数字医学中心作为支柱，整合特色的蒙医资源而建立。平台施行统一的身份认证、统一的管理，并且共享开放。该平台目前有蒙医学、基础医学、虚拟病人PBL教学、数字医学中心4大模块。蒙医学模块为自主开发的蒙医特色诊疗技术虚拟操作系统等虚拟资源。基础医学模块有内蒙古医科大学与上海梦之路联合开发的机能学、病原生物学、生化学、分子生物学等虚拟仿真实验项目，山东易创研发的人体数字解剖系统、医学形态学数字化教学平台，成都泰盟研发的VMC-100基础医学虚拟仿真实验教学平台及内蒙古医科大学自行建设的数字切片库。数字医学中心有Mimics16.01、Amira5.4、Anybody、Geomagic Studio等数字转化软件。平台总计虚拟实验项目110多项，大体病理图片360多张，数字切片1000多张，PBL教学项目5项，以及虚拟仪器、虚拟实验动物等。师生利用这些资源可开展综合性、设计性和创新性实验。在任何时间、地点学生可通过网络利用平台开展自主学习、探究学习和PBL学习。平台除虚拟实验教学功能外，还具有用户管理、实验信息管理、课堂作业、在线答疑、教师教学管理等模块。

2 虚拟仿真实验教学系统在生理学实验教学中的应用

生理学虚拟仿真实验教学系统，包括蟾蜍、家兔与人体3个主要模块，每一个实验模块由实验目的、实验原理、实验视频、实验模拟操作、课后作业5大部分组成。首先，学生在实验课前通过观看系统中的实验操作的视频以及其他的学习材料达成预习任务，应用人机互动的操作进行练习。其次在实验模拟操作过程中教师可设计一些实验相关的问题，进行启迪式教学。启迪式教学可充分地调动起学生的学习兴致，促进学生主动思考，引发学生从未知至已知、具体至抽象以及现象至本质。同时在实验中，如果学生能够及时地在系统中讨论遇到的疑难问题，教师还可针对性进行解答。课程结束后系统能够将每一位学生的实验操作情形、答题状况、时间与完成比率、疑难的问题等信息反映给带教老师，帮助老师分析学生学习的情况。实验课堂中主要完成实操，教师根据学生在第一阶段自主学习的反馈实行重点讲解。学生随机分组开展讨论，依据疑难的问题拓展思维自主地设计探索性实验，教师指导学生依据已学的理论知识选用科学合理并且具有一定创新性的实验题目开展实验，结束实验后完成实验报告的书写。最后，各小组选派一名学生报告成果，教师可根据其综合表现评价学生操作能力、实验的可行性以及新颖性等。如此既能培养学生的实操能力，又能够逐渐养成学生观察、分析与解决问题的科学素养。实验课后学生也可利用该系统反复地进行模拟操作以加强复习已学知识，还可完成网上测试。另外，系统还能够将每个学生的自主学习与测试结果回馈给学生，学生能够及时地查收并且进行自身评价，寻找薄弱症结给予强化。

3 虚拟仿真技术在生理学实验教学中的优势

虚拟仿真技术为实验教学开拓出一种新模式，是进步的表现，也是信息技术发展必然的结果。将虚拟仿真的实验教学系统运用在生理学的实验教学过程中，可以有效地把知识从传统的书本呈现至信息技术载体当中，而且将静态的文字与图像转为动态的Flash动画与视频，教学内容因逼真的表现形式更易为学生接受。学生可根据自身的情况充分利用课外的时间，自主安排学习并进行线上的操作，还可在该系统中反复训练实验操作的薄弱节点，以便切实掌握实验。综上所述，利用虚拟仿真实验教学模式具有下列好处[7-10]：(1)真实感，虚拟仿真技术与生理学实验相结合，其逼真的虚拟环境，可以让学生身临其境，产生置身真实环境中的感觉。(2)互动性，实验项目中，学生可选用所需实验的耗材与试剂自主性进行实验的设计与操作，在不同的实验设计中实验结果也会有所不同，促进学生认真思考实验的原理，培养学生观察、分析和解决问题的能力。(3)安全性，虚拟仿真系统搭建的情境，可模拟现实当中确实存在的环境，能够有效地规避传统实验中可能存有的危险。(4)逼真性，虚拟的环境与现实的环境近似度极高，学生能通过模拟的实验过程高度还原手术过程。在实际的实验操作之前体会实验的场景，更好地理解实验中可能产生的预测结果。

4 展望

运用虚拟仿真教学系统在生理学的实验教学过程当中，促使实验教学变得更有趣、更生动，可以有效地培养学生的主观学习能动性和实践素质，激发学生的学习兴趣，补救传统大班级教学的缺点，一定程度上增强生理学实验的教学效果，推动传统教学模式向信息化、智能化方向的变革[11，12]。将来，教师会依据学生个体的特征，采纳大部分学生关于虚拟仿真教学系统的需要与意见，构建更多、更优秀的虚拟仿真的实验教学平台与实验项目，更普遍地运用虚拟仿真教学系统于实验教学当中，发展创新高校的实验教学体系，从而建设较高水平的医学人才培养体系。