应急过后虚拟实验在机能实验教学中应用的反思

[摘 要]针对虚拟实验在应用中的特点，明确了虚拟实验在实验教学中的意义，即促进实验教学资源的整合、激发学生的求知欲以及创造性、提升学生自主学习效率、提升实验教学成效，反思了虚拟实验在实验教学中的构建原则及正常推行的基本条件，不仅能助力实驗教学高效展开，也能提升学生的自主学习能力，并为应对突发的公共卫生安全事件提供支持，做到有备无患。

[关键词]虚拟实验室；机能实验学；实验教学

[中图分类号] G645            [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2023） 04-0110-03

新型冠状病毒（COVID-19）疫情出现的极其严重的接触传播性，导致医学实验教学受到严重影响。而且就新型冠状病毒及其变异形态的发展来看，其有作为常驻病毒的趋势。而要摆脱其给教学带来的负面影响，必须找到相应的方法应对。虚拟实验室是一个强大的教育工具，是在网络支持下的实验系统，使学生能通过虚拟平台在线进行相关实验操作，辅助常规的实验教学，这也有助于强化学生的自主学习能力，发展学生的综合素质。

一、虚拟仿真实验系统在实验教学中存在的重要意义

（一）能合理促进实验教学的资源整合

医学机能实验学是一门训练学生基本实验技能和分析并解决问题能力的综合性实验学科，它能借助动物实验研究来促进学生认知生命过程机能正常和异常变化的特点和规律。高等医学院校定购并建设的虚拟仿真实验系统几乎包括了医学实验的所有基本模块，就机能学实验来看，主要包括生理学、病理生理学、药学及相应的实验模块。通过搭建资源丰富、易于操作、科学有效的网络自主学习服务体系，能够为学生提供自主学习所需的知识管理及学习过程管理服务，结合教育社交网络实现教学资源整合、分享的目标，以突破时空限制的大平台优势，达成学生的自主学习条件需求。

（二）能刺激学生的求知欲并培养学生的创造性

虚拟仿真的实验系统内容上主要有思考题、实验模拟模块及可开发模块；形式上有视频、音频、动画、图像、文字等。学生可通过虚拟仿真实验系统中的人机互动操作，观看平台中的视频、音频、动画，对实验内容产生好奇心以及操作欲望，有利于学生更透彻地理解实验的目的、实验原理以及操作步骤。[1]此外，虚拟仿真的实验系统具有可开发性，允许学生按照自己的具体情况设计更有创意的实验方案，提升学生在创新实验方面的设计精神以及水平，拓展深层次的医学实验教学。

（三）能提升学生自主学习的效力

贯彻以学为中心的教学理念。若要学生具备自主学习的习惯与能力，教师就要策略性地设计实验问题给学生，让学生尝试借助虚拟仿真平台自己解决一些问题，或者通过小组交流找出解决问题的方案，促进学生自主学习。同时，学校可持续性地完善评价学生自主学习能力的指标体系，提供给学生一套能够及时评价和反馈其自主学习能力的测评指标。测评后的相应反馈信息能使学生及时发现学习过程中存在的优势及不足，同时还能为教师有针对性地改进教学工作提供客观依据。

（四）能提升实验教学的成效

虚拟仿真实验系统融入机能实验教学，还有利于推进医学实验教学的信息化发展，并支持学生的探究式学习及自主知识构建。同时，增加了学习场所的灵活性，而且体现了重视课前准备、强化课中掌握、拓展课后成果的过程教学，从而强化学生在创新以及自主学习方面的能力。[2]而且运用虚拟仿真的实验系统，也让实验教学的方法更加多元，让实验教学更具有生动性和趣味性，学生还可以针对自身实验操作中比较薄弱的部分，主动地进行预习，同时进行线上操作的练习，熟悉实验操作以及内容，可以有效弥补由于实验室资源紧张而带来的教学方面的不足，提升师生共同在机能实验教学中的成就感。

二、虚拟实验室在医学实验教学中的常规应用方向

（一）虚拟实验室是应急情况下在线实验教学的解决方案

利用虚拟平台，学生可以突破传统实验教学在时间、实验动物、试剂和实验仪器方面的约束，通过互联网进行虚拟实验操作，既可帮助学生理解实验原理以及熟练实验的操作步骤，又能获得实验结果的即时反馈。由于重要的实验可以随时随地在网络环境下进行，学生可以结合自身实际情况反复进行操作，利用课下时间继续学习。而且，虚拟实验也可以分成小组进行，允许学生之间进行社交互动和协作，可以促进学生间的交流。对于教师而言能起到较好的教学助手作用；对于学生而言，则起到强化自主学习、熟悉实验流程及实验结果的作用。

（二）虚拟实验室可用于科学研究实验方案的预演

除了教育之外，在线模拟器也经常被用于研究之中。学生利用虚拟仿真实验平台可以自主扩展自身科研需要的实验，并可反复模拟，甚至实验过程可以中断、暂停，不会影响实验结果；而且这种研究方式低成本甚至零成本，有利于提高学生实验的自主性，培养其探索性的实验思想，有利于其科研创新能力的发展。此外，虚拟实验室为博士生和博士后研究人员提供了获得教学经验的好机会，可以熟悉虚拟教育中的重要教学方法（如情景教学和探究式学习）、参与虚拟实验室的开发、定期对虚拟实验室的内容进行补充和改进，这样可以为丰富完善在线实验教学的手段提供帮助。

（三）虚拟实验更多用于辅助传统实验教学

实验是科学研究的重要组成部分，学生通过实验可以获得更多宝贵的技术方面的经验，并为将来学生走向工作岗位提供必要的技能准备。然而医学是实践性较强的学科，因部分实验周期较长，且实验中应用的某些大型仪器价格昂贵，再加上实验试剂、实验动物的成本及安全问题，导致学生亲自实验机会减少，影响人才培养。但虚拟实验室可以有效解决传统实验教学时空安排、试剂种类和实验仪器的限制，帮助学生理解实验原理，反复进行实验操作，[3]提高其综合实验操作能力，而且借助虚拟实验室的相应实验模块辅助学习，也有助于提升实验教学的整体效果。

三、应急过后实验教学应用虚拟实验的反思

新冠病毒疫情的爆发导致医学实验教学任务应对过程中必须采取虚拟仿真实验的方式作为应急措施。但是，应急过后的反思中也发现，虚拟实验平台建设能更好地服务实验教学，提升学生的自主学习能力，有效解决实验教学中的实际问题。

（一）虚拟平台实验教学体系构建的基本原则

主管教学部门，包括国家级教育决策部门及学校教务部门。国家级教育决策部门需要制订相关指导性纲领。在相关指导纲领框架下，学校层面需要协调整合校内外所有可利用的教学资源，给予经费支持，完善虚拟仿真实验中心，按照“分层培养、虚实交替、创新创业”的原则构建实验教学体系平台，并确保硬件及软件能支撑学生自主学习。[4]虚拟仿真中心资源配置方面，在基础理论体系部分重点设置操作性和验证性的实验项目，如生理学、病理学、药理学相应的基础实验；专业特色体系部分则按学科专业侧重点开设综合性实验项目，如生理-病理-药理综合、科学实验视频；创新创业体系中设置学科前沿技术实验项目，如大学生比赛项目；校企结合实验体系则以企业自身及社会市场的需求为导向构建；师生互动体系以学生需求为导向并融入思政元素构建，如群体互动、多屏联动、随堂测验实时反馈。

（二）虚拟实验正常推行的基本条件

1.教师层面的挑战

（1）需要加强ICT 能力及相关专业应用技能培训。在应用ICT的能力方面，教师对ICT 掌握的熟练程度将直接影响线上教学的推进以及教学质量。在使用ICT技术的意识方面，有数据表明，有相当数量的教师选择性忽视数字化发展是时代发展必然趋势，并对数字技术发展产生的巨大优势带给传统教学方式的严重冲击缺乏清醒认识，因而很难与时俱进地把数字化发展带给传统教学改革的良好机遇作为突破点来推动教学改革。

（2）需要加强教师之间专业层次的协作。突发的新冠病毒肺炎疫情让我们清醒地认识到人与人之间保持适当联系可以有备无患，尤其在特殊时期，教师之间怎么高效开展深层次的教学合作、如何处理教学资源共享等问题还需要深入研究。

（3）需要重构新型的适应师生交流的关系。在传统的课堂教学过程中师生互动以彼此能感觉到温度的自然表达沟通形式展开，线上教学的环境不同于传统的课堂教学，师生互动受到空间隔离和时间不连贯的影响，因此，要求教师探索新型的师生交流模式，满足线上或线上线下混合教学中师生互动的基本要求。

（4）需要构建顺应线上规律的教学设计。教师要认真研判线上教学的教情、学情趋势，合理运用線上平台进行课程建设（主要解决教学过程管理）和在线虚拟实验平台（主要实现实验操作的全方位理解和掌握）的功能，创造性地设计符合线上学习或与线下混合要求的教学活动环节，有效强化学生自主学习能力。

2.学生层面的挑战

（1）需要改善线下学习模式。从学生发展的角度来说，自主学习的能力是极其重要的品质，想要让学生有自主学习的习惯，教师应该引导学生适应虚拟仿真的教学方法。在机能学的实验教学中应用虚拟仿真的实验系统以后，学生在操作过程中遇到问题可以尝试重复操作，分析问题的原因并尝试解决，逐渐养成自主解决一些问题的习惯，突出学生主体，强化学为中心，促进线上教学与线下教学的平顺切换。

（2）需要加强心理健康建设。对于自我调节能力较差的学生而言，他们无法快速适应从有严格制度和作息规律的导引学习转向相对独立的自主学习，进而影响学习质量。如何更科学合理地消解自己的消极情绪，实现自主学习，尽快找到适合自己的解决方案是一些学生的首要任务。

（3）需要出台可行方案保障困难生线上学习的基本条件。如何保证弱势学生群体数字化学习的质量，尽量降低学生端硬件要求是平台建设应考虑的严肃问题。也应是国家扶贫政策应给予高度关注的教育问题。

3.在实验教学中应该发掘虚拟仿真实验系统的高层次功能

多数教师只愿意运用虚拟仿真实验系统中的简单功能，如实验录像、动画演示等，只有少数教师愿意花费更多精力创造性地应用虚拟仿真实验系统配备的可开发性功能，以充分地发挥其优势，这样才能尽可能地弥补线上教学存在的不足。

4.虚拟仿真实验不应该取代传统实验室中的实体实验

虚拟实验系统的实质是利用动态数学模型，通过符合科学逻辑的交互式操作3D仿真实验装置，实时模拟真实的实验过程及实验现象，可以产生与实体实验匹配的实验现象和实验结果。但虚拟实验室不应该完全替代传统实验室中的真实实验，因为传统实验室中的真实实验更有质感、情感、伦理认同感，而且实际实验中会受到各种主客观因素的影响，实验过程更符合实际工况。而虚拟仿真实验的操作步骤已经程序化，其实验结果也是预设的理论上的结果，实验数据有可能是“完美无瑕”的，不利于学生对实际问题的分析；也不能实现大量的实物操作和反复练习，达不到增强学生实际动手操作能力的教学目标，也很难真正帮助学生掌握技术。然而，在学术环境中，虚拟实验室和实体实验室可以协同工作，为实体实验做更富有成效的准备。[5]

5.线上教学的体验及持续使用意愿

由于教师与学生的人生阅历及在教学中的立场不同，导致双方对在线教学的身心体验存在差异。有研究表明，感知有用性、感知易用性和外部环境对师生持续使用在线教学意愿具有较大影响。调查发现，互联网时代的学生群体对感知有用性和外部环境更敏感，认为三因素对持续使用意愿的影响次序为：感知有用性优先于外部环境感知，外部环境感知优先于感知易用性。而教师由于角色和责任不同，更看重感知有用性和感知易用性条件，认为三因素对持续使用意愿的影响次序为：感知有用性，感知易用性，外部环境感知。但毋庸置疑的是，把线下课程的教学模式简单地线上进行处理、线上资源优势利用缺少合理性、线上即时评价的反馈滞后仍是提升使用线上教学意愿需要解决的关键问题。比较而言，面对线上教学的软硬件挑战，相较于互联网时代成长的学生群体，教师群体整体趋于保守。值得注意的是，教师与学生在未来在线教学使用意愿上的问卷调查显示“线上模式”低于“线上＋线下”模式。

当前医学基础课程在培养体系中存在授课学时压缩而又不能降低教学要求的看似不合理操作，而利用虚拟实验辅助实验教学具有直观、投入少、产出多的效果，能给课程学习带来更多便利和助力，而且能将专业最前沿的知识及技术带给学生。鉴于此，虚拟实验平台作为高校应用较多的线上实验教学系统，软件研发单位应多与各高校教学一线使用部门沟通合作，多采纳教学使用部门的有效建议和意见；同时教师的教育理念也应与时俱进，将虚拟实验系统自然地融入教学中，强化学生的自主学习能力，以推动医学教育的优质发展。但考虑虚拟实验缺乏面对实体的实际动手能力训练，采取能发挥各自优势的线上虚拟实验与线下实际操作相融合的实验教学模式才是最适配方案。

参考文献：

[1]王鹏翔，邓秀玲，薛昕，等.虚拟实验在生物化学实验教学中的应用[J].中国中医药现代远程教育，2020，18（7）：7-8.

[2]何谋海，陈哲，廖小立.虚实结合的混合式生物化学实验教学模式改革与探索[J].绿色科技，2020（19）：203-205.

[3]徐宋瑶，扈瑞平，薛昕，等.生物化学虚拟仿真实验教学项目的尝试与应用[J].基础医学教育，2019，21（9）：743-744.

[4]赵宁，冯小飞，陈玉惠.基于互联网+生物化学虚拟仿真实验中心构建[J].西南林业大学学报：社会科学，2020，4（2）：89-92.

[5]齐彦，郭丽新，卞敬琦，等.虚拟实验在生物化学实验教学中的作用探讨[J].教书育人：高教论坛，2021（24）：111-112.

（责任编辑：刘洁）