动物生理学虚拟仿真实验在生物技术专业学生培养中的应用及其重要性

郭东光，陈明艳，孙国鹏，岳 锋，朱艳平，张艳芳

新乡学院生物工程学院，河南 新乡 453000

虚拟仿真技术是一种基于计算机模拟的技术，该技术通过构建虚拟实验环境、模拟实验过程和结果，为学生提供一种更加安全、自主、个性化的学习体验，从而提高学生的学习积极性和学习效果。然而，传统的生理学教学模式以理论知识讲解为主，开展实验操作和探究学习的机会较少，甚至有些实验难以在学校实验室开展，学生难以真正理解并掌握生理学的知识和技能，也难以充分培养自身实验操作和解决问题的能力。此外，传统的生理学教学模式还存在实验条件受限、安全风险高等问题，进一步限制了学生对生理学实验的学习和探究[1]。

1 动物生理学虚拟仿真实验的特点与优势

动物生理学实验涉及动物的取材、饲养、操作等多个环节，存在着实验成本高、实验风险大、操作难度大等问题。而采用虚拟仿真技术进行动物生理学实验可以有效地弥补这些不足，该技术主要具有以下特点和优势。

1.1 凝练和总结知识点

虚拟仿真实验可以将动物生理学中复杂的生理现象、实验操作等通过计算机图像和声音等形式直观地呈现出来，使学生更加深入地理解和掌握其中的知识点。例如，在呼吸系统的教学中，教师可以设置多个实验环节，包括肺活量测定、呼吸频率测定、肺功能测定等，通过实际操作与仿真实验的结合，让学生更好地理解呼吸系统的结构和功能。

1.2 方便实验设计和操作

以心电图（ECG）实验为例，传统的ECG 实验需要用到实验动物（如小鼠、大鼠或兔子等），通过实验操作记录动物的心电图，并进行数据分析。实验过程中动物可能会发生受伤或者死亡，实验操作容易受到环境和人为因素的干扰等。相比之下，虚拟仿真实验可以提供更加灵活、可控的教学场景，教师可以自由设置实验参数，如心率、心脏疾病模型等，模拟不同的实验条件；学生可以通过虚拟实验软件进行实验操作，记录心电图数据，并进行分析和解读[2]。

1.3 模拟真实实验环境

虚拟仿真实验可以在不同的虚拟环境中模拟真实实验环境，为学生提供视觉、听觉和触觉等多种感官体验，让学生身临其境，从而更好地理解实验过程和实验结果。以胃液分泌实验为例，传统的实验过程需要用到胃管等器材对实验动物（如大鼠）进行胃液分泌实验，过程繁琐、操作复杂，且需要耗费大量的实验动物。而通过进行虚拟仿真实验，学生可以在虚拟环境中模拟胃液分泌实验，不仅可以避免实验动物的使用，而且可以模拟不同的实验条件，如不同药物的作用、不同的饮食环境等，让学生更好地理解和掌握胃液分泌的原理及机制。

1.4 提高实验安全性

虚拟仿真实验可以提高动物生理学实验的安全性，降低实验中可能出现的风险和危险。传统的实验过程需要用到化学试剂、手术器械等器材，但这些器材的使用可能会对实验人员造成伤害。而虚拟仿真实验则可以在不使用这些器材的前提下完成实验操作，避免实验人员受到伤害。例如，在研究心脏的生理功能和病理机制时，需要使用电极对心脏进行电生理记录和刺激，这项操作可能会对实验人员造成伤害。而虚拟仿真实验可以通过模拟心脏的电生理活动，让学生了解心脏的生理功能和病理机制，同时避免实验人员受到伤害[3]。

1.5 增加实验重现性

让学生可以反复进行实验，并对不同条件下的实验结果进行比较和分析。传统的实验过程往往会受到许多因素的影响，如实验人员的能力和经验、实验器材的品质等，导致实验的重现性较差。而虚拟仿真实验可以减少这些因素的干扰，保证实验的重现性。例如，在研究呼吸系统的生理功能和病理机制时，需要开展呼吸功能测试。传统的实验过程中，呼吸功能测试需要用到呼吸机、气体分析仪等器材，而这些器材的状态可能会对实验结果产生影响，导致实验的重现性较差。而虚拟仿真实验可以在模拟实验中减少这些因素的影响和干扰，保证实验结果的可重复性[4]。

2 动物生理学虚拟仿真实验的应用及其重要性

2.1 提高学生的实验操作能力

一项针对大学生生理学实验课程的研究表明，虚拟仿真实验技术能够有效提高学生的实验操作技能和熟练度，增强学生的实验设计和实验思维能力。在这项研究中，研究者采用虚拟仿真实验技术来辅助大学生的生理学实验教学，结果表明，在使用虚拟仿真实验技术之后，学生的实验操作技能和熟练度有了明显的提高，同时学生的实验设计和实验思维能力也得到了一定程度的加强。另一项研究比较了虚拟和实体实验室在提高本科生对人类生理学理解方面的有效性，发现虚拟实验室组在理解生理学概念并将其应用于现实情境的表现和实体实验室组一样好[5]。

2.2 增强学生的科学研究思维能力

生理学领域的一些研究表明，虚拟仿真实验的应用可以更好地帮助学生理解和掌握科学研究的基本原理，并培养学生的科学研究思维能力。例如，在神经生理学中，虚拟仿真技术可以模拟神经元的活动过程，学生可以通过计算机软件对神经元的活动过程开展模拟实验，观察神经元活动的变化规律，并进一步思考神经元活动对于生物体的生理功能和行为的影响，从而深化对神经生理学的理解和对神经生物学研究的认识。

另外一项研究探讨了如何通过虚拟仿真实验来培养学生的科学研究思维能力和实验技能。在该研究中，学生通过虚拟仿真实验进行实验操作和数据分析，然后通过论文撰写和演示的方式将其研究成果展示出来。结果表明，使用虚拟仿真实验进行教学可以显著提高学生的科学研究思维能力和实验技能，并促进学生对生物技术领域的深入探索和理解[6]。

2.3 提高学生的实验数据处理和分析能力

虚拟仿真技术可以模拟不同实验条件下的实验数据，并能将实验数据以图形或表格的形式呈现出来，促使学生更好地理解实验数据的含义和分析方法。例如，在心血管生理学的教学中，通过虚拟仿真实验，学生可以获得大量的心电图数据，这些数据可以用于研究心脏的电生理特性及不同疾病状态下心电图的变化。学生可以通过虚拟仿真实验学习和掌握心电图信号的处理及分析方法，如滤波、放大、时间和频率分析等。同时，他们还可以使用数据处理软件对心电图数据进行定量分析，例如心率、QRS 波宽度、ST 段变化等指标的计算和比较。

3 动物生理学虚拟仿真实验的局限性和未来发展方向

3.1 动物生理学虚拟仿真实验的局限性

首先，虚拟仿真实验无法完全模拟出真实实验中的复杂情况。例如，在研究神经系统的生理功能和病理机制时，真实实验需要考虑神经元之间的复杂相互作用、细胞内信号传递等复杂过程，而虚拟仿真实验可能无法完全模拟这些过程。其次，虚拟仿真实验可能无法完全代替真实实验的实际操作体验[7]。虽然规避了不利因素，但容易导致学生在实际中缺少应对困难的经验。另外，虚拟仿真实验可能无法解决某些特殊情况下的实验问题。例如，在研究肿瘤的生长和转移机制时，真实实验需要考虑肿瘤细胞与周围组织的相互作用和局部免疫反应等问题，而虚拟仿真实验无法完全模拟这些情况。因此，在运用虚拟仿真实验时，需要根据实际情况进行评估和选择，尽可能克服其局限性，并在真实实验的基础上，进一步提高学生的实验技能和实验能力。

3.2 动物生理学虚拟仿真实验的未来发展方向

随着虚拟技术的不断发展和应用，动物生理学虚拟仿真实验的未来发展方向将更加广阔。首先，虚拟实验平台的软件技术和数据分析方法将会不断更新和完善，以提高虚拟实验的准确性和可靠性。其次，虚拟实验平台将会向多方面发展，包括多样化的实验样本和场景、更加精细化的实验操作和数据分析、更加便捷的数据共享和交流等。最后，虚拟实验平台将会与真实实验相结合，形成完整的实验教学体系，为学生提供更加全面和深入的实验教学体验。

4 结论

虚拟仿真实验作为实验教学方法之一，具有诸多优点和重要应用价值。虚拟实验平台可以提高学生的实验技能、实践能力和操作能力，拓展学生的实验思维，提高学生的综合素质和竞争力。同时，虚拟仿真实验也存在着一些局限性，需要不断完善和更新。因此，建议在生物技术专业课程中增加动物生理学虚拟仿真实验的教学内容，将其作为实验教学的重要组成部分，进一步加深学生对实验知识的理解和记忆，进而提高学生的实验技能和实践能力。