虚拟与现实结合模式在药理学实验教学中的应用

王 敏,王欣赏,张 鹍,李旭波,吴玉梅

(中国人民解放军空军军医大学药学系药理学教研室,陕西 西安 710032)

药理学实验是《药理学》课程的重要组成部分,学生通过药理学实验课程的学习,可验证抽象的理论知识,深化对药理学理论知识的理解,掌握药理实验设计的基本原则和基本的实验操作技能,培养分析和解决问题的能力[1-2]。然而,有些药理学实验因为操作步骤多,实验技术要求高,传统教学模式下实验成功率不高,不能收到满意的教学效果[3]。那么,如何提高实验的成功率,有效培养学生的实验操作技能,深刻掌握理论知识是亟须探讨的问题。虚拟仿真实验是通过虚拟仿真技术模拟真实的环境,以计算机为媒介,利用视频学习、人机交互等方式,学生仿佛置身于真实的实验环境中,通过运用各种虚拟机械设备对实验对象进行虚拟操作,辅助完成药理学实验教学[4-5]。

为此,在以课件和示教操作的传统教学的基础上,本研究将虚拟仿真实验技术引入药理学实验教学课程,探讨虚拟与现实结合的授课方式是否可达到满意的教学效果并分析其中的原因。本研究拟将虚拟与现实结合的授课方式用于实验课程教学的可行性提供一个参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取空军军医大学2019级五年制临床医学专业120名学生作为研究对象,随机分为两组,实验组(60人)采用虚拟与现实结合教学,即学生先进行虚拟仿真实验,然后通过线下实验完成实操;对照组(60人)采用传统方法进行实验教学。其中,4人组成一个小组,每轮次60人,两个授课轮次完成该研究。教材选用空军军医大学自编教材《药理学实验指导》,授课教师均为同一教员,教学大纲、目标要求、教学时数均相同,所有研究对象对本研究均已知情同意。

1.2 研究方法

授课教师根据空军军医大学《药理学》课程安排的22学时教学内容进行实验教学,实验内容包括药物对家兔血压的影响、酚磺酞半衰期及分布容积的测定、药物体外抗菌作用的测定、有机磷酸酯的急性中毒及解救等,本研究主要以药物对家兔血压的影响实验为例,探讨虚拟与现实结合教学模式的教学效果。

1.2.1 实验组教学

实验课前,虚拟与现实结合组按照要求进行2个学时的虚拟仿真练习,通过虚拟仿真系统学习实验药物对家兔血压的影响,包括实验目的、实验原理的介绍,复习肾上腺素、去甲肾上腺素、酚妥拉明的药理作用,分析其对家兔血压的影响。通过观看实验操作示范视频,熟知本次实验流程及操作注意事项。然后按照实验流程进行规范化的模拟操作,包括动物称重、固定、麻醉、气管插管、颈总动脉分离及插管、心电导联、仪器设备连接以及血压信号记录等。模拟操作过程中设置问题,特别是操作比较难的气管插管,动脉插管部分,通过回答问题的方式让学生充分掌握实验细节,跟踪记录每一步骤操作,实现动态错误纠正,直至解决实验过程中的问题。模拟操作通过后,4人一组进行线下实验操作。

1.2.2 对照组教学

实验课前,传统教学组按照要求进行2个学时的实验预习。然后传统教学组进行实验教学,首先,教师讲解实验目的、实验原理,以提问的方式复习肾上腺素、去甲肾上腺素、酚妥拉明的药理作用。然后图文形式讲解整个实验流程,包括动物称重、固定、麻醉、气管插管、颈总动脉分离及插管、心电导联、仪器设备连接、血压信号记录等,特别强调手术操作的重难点及注意事项,然后示教颈动脉插管。讲解结束后,学生4人一组进行实验操作,教师仔细巡视,一旦发现错误及时纠正,提醒操作注意事项。

1.3 教学评估

1.3.1 动物实验成功率

手术操作完成,仪器连接正确,压力波形诱导成功后,通过耳缘静脉分别给予肾上腺素、去甲肾上腺素、酚妥拉明后,采集到正确的波形信号视为实验成功。

1.3.2 理论及操作考核

依据教学目标要求,考察教学中涉及的理论知识,手术操作的准确性、仪器设备使用的规范性,评价学生对本次实验的掌握情况并给出相应的成绩。成绩总分为100分,其中理论知识部分40分,包括α、β受体的分布,受体激活或拮抗后的作用,肾上腺素、去甲肾上腺素、酚妥拉明的药理作用及机制等;手术操作的准确性部分40分,包括动物称重、麻醉、固定、备皮、耳缘静脉注射、气管插管、颈总动脉分离及插管等;仪器设备使用的规范性为20分,包括生物机能实验系统软件的应用、仪器的导联以及信号输入等。

1.3.3 问卷调查

采取无记名问卷调查的方式,要求学生对各自授课模式进行评分,内容包括提升学生主动学习的动力、增加对实验原理的理解、激发对科研的兴趣、促进小组成员之间的交流、强化安全意识5个方面的调查,每项均为20分,共100分。

采取无记名问卷调查的方式,评估两组学生对实验授课模式的主观感受,了解学生对传统实验教学和虚拟与现实结合教学的满意度,分为满意、一般满意以及不满意。

1.4 统计方法

各组数据核对、整理收集后,录入SPSS 22.0,考核成绩采用(均数±标准差)表示,两组数据采用t检验进行统计分析,当P<0.05则表示有统计学差异。

2 结果

2.1 实验成功率的比较

成功的实验不仅帮助学生理解抽象的理论,还可以增强学生的自信心。本次研究发现,传统教学组实验成功率为53.3%,显著低于虚拟与现实结合教学组的86.7%,且实验耗时也明显高于虚拟与现实结合组,达不到教学要求,见表1。分析其原因,包括以下几个方面:①耳缘静脉注射失败。最常见的是在血管不清晰或较细的情况下盲目进针,进针失败后仍盲目给药,导致血管周围肿胀,再次穿刺困难。②动脉血管分离困难。在术中,分离颈总动脉时,造成小血管破裂,视野受限导致分离困难,更有甚者导致动脉血管破裂,家兔休克死亡。③颈动脉插管失败。此为实验的关键步骤,失败原因包括动脉剪口太靠近近心端,插管前方被近心端的动脉夹挡住,不易操作;动脉剪口太深导致颈总动脉断裂;剪口后,插管动作慢,插管前端血液流出凝固,动脉管壁塌陷,不易插入,血液凝固后压力无法传递至感受器形成信号。④术后压力信号微弱或无信号。失败原因包括插管处血流不畅;换能器中含有气泡,妨碍压力信号的传导。虚拟与现实结合组实验则较为顺利,虽然也遇到突发问题,但是组内可以较好地解决,这主要得益于他们前期的模拟操作,熟悉实验流程及操作技巧。

表1 实验成功率比较

2.2 实验考核成绩的比较

由于两组学生实验成功率及实验耗时差距较大,为了找到其中原因,本研究对本实验中涉及的理论知识、实验手术操作、仪器设备使用的规范性三个方面进行考核,理论知识的掌握通过课后习题考核。结果显示,在理论知识的掌握方面,传统教学组成绩(35.43±2.05)分,低于虚拟与现实结合组的(38.63±1.53)分;实验手术操作的准确性方面,传统教学组成绩为(22.64±3.47)分,明显低于虚拟与现实结合组的(36.51±1.94)分;仪器设备使用的规范性方面,传统教学组成绩为(10.56±2.14)分,也显著低于虚拟与现实结合组的(17.85±1.62)分,见表2。可以看出,在理论知识的掌握方面,两组学生成绩虽然有差异,但不明显,说明两组学生均已基本掌握相关理论知识。在实验操作准确性和仪器设备使用规范性方面,传统教学组得分明显低于虚拟与现实结合组,这说明虚拟与现实结合组实验操作技巧更好,可能因为他们通过虚拟仿真实验系统模拟操作过整个实验流程,对操作细节有充分的掌握。而传统实验组是通过课前预习,课上教师讲解实验流程和注意事项,观摩示范操作颈动脉插管,然后开始动物实验。传统实验组在实验手术操作准确性和仪器设备使用规范性的考核成绩偏低,可能是因为学生观摩位置有限,部分学生看不清,导致无法较好理解、掌握实验操作的细节和要领,后续实验中也可能由于手术操作的失败导致实验无法顺利进行。

表2 理论与操作考核成绩分)

2.3 不同教学模式的评分对比

在考察完学生对理论和实验操作的基础上,通过无记名问卷调查学生对本次实验授课是否能提升主动学习的动力、增加对实验原理的理解、激发对科研的兴趣、促进小组成员之间的交流、强化安全意识五个项目进行评分,每个项目20分。发放调查问卷120分,收回120分,回收率100%。通过表3可见,虚拟与现实结合组5个项目的得分均高于传统教学组,这说明学生更满意虚拟与现实结合的教学模式。提升主动学习的动力方面,虚拟与现实结合组(19.53±0.59)分明显高于传统教学组的(14.31±3.34)分,主要体现在虚拟仿真系统不受实验试剂,动物和场地的限制,学生可以在网络平台自主学习,模拟操作,还有相关的闯关游戏,增加学习的趣味性。增加对实验原理的理解方面,虚拟与现实结合组(18.62±1.47)分明显高于传统教学组的(13.64±3.05)分,主要体现在虚拟仿真系统将复杂抽象的内容具体化和直观化,学生可以直接看到给药后家兔的血压走势和变化,而且虚拟与现实结合组通过实验成功验证给药后,家兔血压的变化与虚拟仿真实验看到的一样,进一步加深对实验原理的理解。激发对科研兴趣方面,虚拟与现实结合组(18.27±1.15)分明显高于传统教学组的(12.98±2.40)分,体现在学生可以自己登录虚拟实验平台,提出问题,设计实验,充分发挥他们的自主能动性,教师只需在旁辅导,更好体现以学生为中心的教学理念。促进小组成员之间的交流方面,虚拟与现实结合组(19.35±0.55)分明显高于传统教学组的(14.49±2.55)分,虚拟与现实结合组每个人都在虚拟仿真系统中进行了训练,熟知实验步骤和技术操作要领,对整个实验流程心中有数,所以在实验操作时,小组成员之间配合更为默契,交流更加有效,小组之间的氛围也更为轻松。强化安全意识方面,虚拟与现实结合组(19.41±0.43)分,传统教学组(18.90±1.03)分,两组之间没有明显差异,说明不论哪种授课模式下,教师强调的安全意识都已融入实验操作中。

表3 不同教学模式的评分分)

2.4 教学满意度对比

通过无记名调查问卷考查学生对授课模式的满意度,发放调查问卷120份,收回120份,回收率100%。与传统教学组相比,虚拟与现实结合组对本次实验教学的满意程度更高,如表4所示。传统教学组中,21名学生表示满意,24名学生表示一般满意,15名学生表示不满意。分析原因可能是传统教学组学生实验成功率较低,有的组课程结束时,实验没有顺利完成,气管插管、动脉插管等操作耗时太久,出现急躁情绪,影响满意度。以上结果提示,传统实验教学的授课模式学生满意度不高,亟待改进。虚拟与现实结合组结果显示,56名学生表示满意,4名学生表示一般满意。分析原因可能缘于实验成功率较高提升了学生的满意度,但必须看到虚拟操作和实操依然存在差别,实操中可能会出现一些意外情况,如实验动物对药物反应的个体差异等需要处理,造成部分学生的满意度不高。

表4 教学满意度比较[n(%),n=60]

3 讨论

药理学实验是学生通过实验操作认识药物与机体相互作用及其作用机制的重要手段,是应用实验操作验证基本理论知识及某些药理现象的根本,是培养学生理论联系实践的能力,动手能力,科研思维能力的基础[6-7]。药理学实验教学需要不断更新观念,紧随日益发展的科学技术,运用虚拟仿真技术克服传统实验教学中存在的一些问题,提高实验教学的教学质量,达到培养创新性人才的要求[8]。通过对本次实验结果的分析,虚拟与现实结合授课模式的优势主要体现在以下几个方面。

3.1 提高课前预习的有效性

学生对虚拟与现实结合的授课模式评价比传统教学模式好,特别体现在课程前的预习上。因为学生可以通过虚拟仿真实验,利用多种手段,将复杂抽象的内容条理化、直观化和模块化,有助于明确学习目标,理解实验原理,熟悉实验流程,掌握复杂程度较高、难度较大的实验技术,达到课前预习的目标。以虚拟仿真实验为基础,基于学生较好的预习效果,在药理学实验课堂上,结合教师的讲解与实际操作,帮助学生掌握实验技术,提高实验成功率,有利于教学质量的提高,本研究结果中学生对虚拟与现实结合授课模式满意度的反馈情况也得到直观地反映。而传统模式下学生对预习感到枯燥乏味,缺乏兴趣,不利于调动学生的主观能动性,对后续的实操造成影响。

3.2 提高课中实验的成功率

由于学生在课前已经通过虚拟仿真实验系统进行了有效训练,熟悉实验流程并掌握复杂操作如动脉插管中的细节和难点,实操时可有序开展。对于实验中复杂的操作和遇到的突发问题,大部分学生可以自己解决,增加学生实验过程中的主体性[9]。教师只需要在学生遇到困难时旁加指点即可,改变了传统实验教学中“以教师为中心”的教学模式[9-10]。同时,可培养学生的实验技能及动手能力,极大激发学生们的科研思维和科研兴趣。

3.3 提高课后学生自主设计课题的兴趣

运用虚拟与现实结合的教学模式,学生不仅在本次实验课中表现优秀,而且课后完成实验报告时,会认真分析本次实验的重点、难点,成功及失败的原因,并提出改良方案。一部分学生通过对本次实验的理解,提出科学问题并自主设计出很多探索性实验,这是对学生科研思维培养的最好体现[11]。药理学是一门实验性学科,鼓励学生提出科学问题设计实验方案,并通过虚拟仿真系统进行模拟练习,最后由教师确定安全可行的实施方法进行线下实操,组织全班学生进行讨论,分析实验成功或失败的原因,培养科研思维[12]。这一过程凸显了学生的主体地位,学生分析解决问题的能力,探索创新的能力均得到提升,形成了良好的科研思维和科研习惯,同时对于教师也是一种提升,达到了教学相长的目的[13]。

虚拟仿真实验技术可以模拟逼真的实验仪器设备和实验场景,解除了传统药理实验时间和空间限制,满足学生随时做实验的需求[14],但由于虚拟实验提供了一个完美的实验环境,无法反映真实实验的复杂性,使学生缺乏对科研实验的真实性体验;结合现实的正式实验,可给学生一个真实的实验环境,锻炼其动手能力和团队协作能力,这种虚拟与现实结合的授课模式互相补充,相辅相成,发挥各自的优势,促进二者共同发展[15-17]。我们还在酚磺酞半衰期及分布容积的测定、药物体外抗菌作用的测定、有机磷酸酯的急性中毒及解救等多个实验教学中,均发现虚拟与现实结合的授课模式应用效果较传统教学模式效果好。综上所述,虚拟与现实结合的授课模式可在药理学实验教学中合理应用,以提高实验教学的质量。