利用虚拟仿真平台构建医学生物化学线上实验课堂

蔚晓晖

（南阳医学高等专科学校，河南南阳 473000）

随着网络信息技术的不断发展，中国慕课（MOOC）、智慧职教、云课堂等云平台的出现以及钉钉、微信、抖音、哔哩哔哩等各种直播平台与教育教学资源的深度融合，促进了线上教育的发展。线上教育是以计算机网络为媒介的教学方式，通过网络，教师与学生即使相隔万里也可以正常开展教学活动；利用课堂回放，学生可以随时随地进行学习，全面突破了空间和时间的限制[1]。

医学生物化学是南阳医学高等专科学校开设的一门重要的基础必修课，主要分为理论和实验两个模块。理论课着重从分子水平出发，研究蛋白质、核酸以及酶等生物大分子的结构与功能，内容抽象晦涩，代谢反应错综复杂。南阳医学高等专科学校学生的生物、化学基础相对薄弱，甚至有些专业部分学生是文科生，学习生物化学课程相对较为吃力，难以理解和掌握专业知识。实验教学作为联系理论和实践的桥梁，发挥了十分重要的作用[2]，能够把理论知识形象化、生动化、简单化，不但能帮助学生理解和掌握理论知识，还能提高学生学习的兴趣和积极性，培养学生分析和处理问题的能力，启发学生创新性思维和实际运用的能力[3]。因此，如何更好地发挥实验教学的作用是高校亟待解决的问题。

受到传统教学思想的影响，南阳医学高等专科学校医学生物化学实验课全部采用单一的线下教学模式，在这种教学模式下，学生缺乏主动思考和创新，学习兴趣不高[4]。整个教学过程中，学生处于被动接受状态，很少认真思考实验的目和原理，一些学生基本操作技能相对薄弱，但因教师精力有限，难以顾及每位学生，出现学生操作不规范，甚至导致仪器设备被损坏的现象[5]。传统的实验教学还往往受到场地、设备、试剂、时间等因素的限制，很多综合性的实验项目无法正常开展，因此，如何结合线上教学资源构建有效的医学生物化学实验课堂成为亟待解决的问题。

1 医学生物化学实验中引入虚拟仿真平台的必要性

将虚拟仿真平台引入到实验教学中,能很好地解决传统实验教学存在的问题[6]。虚拟仿真实验教学平台是现代信息技术与实验教学深度融合的产物，是基于网络技术、仿真技术构建的虚拟实验教学系统，是现有教学内容的虚拟化。虚拟仿真实验平台具有开放、安全、共享的优点[7]，可以将传统实验教学中试剂毒性强、实验耗时长、设备仪器昂贵的综合类实验转化为虚拟实验，保障实验教学的质量和进度。同时，虚拟仿真实验还具有沉浸感和交互性的特点，将抽象的实验内容和实验方法以视频的形式展现出来，能够提高学生的学习兴趣，使学生更容易理解和掌握实验要点[8]。

在医学生物化学实验教学中建立虚拟仿真操作平台，首先，可以改善学生学习的方式和态度，虚拟仿真平台提供的是一个逼真的实验环境，学生看到的仪器设备都是立体、可触摸的，使学生具有如身临其境的视觉效果，可以激发他们学习的积极性和兴趣，从而将被动学习变为主动学习，锻炼了学生自主学习的能力。其次，在虚拟仿真平台中，学生可以通过键盘和鼠标随时操作，不仅可以自由安排实验时间，还可以反复进行实验学习，从而解决了传统教学受时间和空间限制的问题。同时，学生在操作过程中遇到问题可以与教师以及其他学生及时交流和讨论，不但提升了学生的动手能力，同时也能让学生不断地尝试发现问题，真正实现以学生为主体、以教师为主导的教学过程。最后，虚拟仿真平台还可以开展很多大型的综合实验项目，将专业前沿技术运用到实际操作中，丰富了教学内容，降低了教学运行成本，提高了教学质量。

2 基于虚拟仿真平台的线上生物化学实验课堂的构建

2.1 结合生物化学实验室实际情况，制定线上教学内容

现有的教育信息化资源和平台大多是在以学校教育为主体的前提下搭建的，与全程开展在线实验教学的模式不适应，因此，要做好在线教学的整体性和系统性设计。根据线下已开展的实验项目和线上虚拟仿真平台开设的课程，通过组织生物化学课程组教师多次集体讨论学习，制定线上实验教学内容。要着重选取与科技前沿密切相关的虚拟实验项目和传统实验课堂教学条件不完备或是实验时间耗时较长的综合性实验项目，通过虚拟仿真系统完成，如图1 所示。

图1 利用虚拟仿真系统构建线上实验课堂思路流程图

可以选取南阳医学高等专科学校临床专业一年级部分学生作为研究对象，同时设置对照组，对照组按照传统的教学模式进行授课，最后对比分析实验教学结合虚拟仿真平台的必要性和可行性。

2.2 设计线上实验课堂教学过程

图2 为基于虚拟仿真系统的线上实验课堂教学体系构建过程，具体步骤依次为学生课前预习、教师线上教学、学生虚拟仿真实验操作过程、学生课后实验报告完成和教师评价。以下详细介绍各个阶段的实施过程。

图2 虚拟仿真实验线上课堂教学过程构建示意图

2.2.1 课前准备阶段

开课前，教师通过学习通App 建立教学班级群，将本次实验项目名称、学习任务以及相关网络资料发送给学生，其中包括实验原理、实验步骤、仪器试剂等内容，目的在于引导学生主动提出问题，激发其内在的求知欲，充分调动其学习的主动性；同时，教师通过App 也可以及时查看学生预习的情况，例如，在学习通课程中上传视频都设置了任务点，教师可以在后台查看学生任务完成情况，对于没有完成预习任务的学生可以通过平台发送提醒，从而促使学生保质保量地完成预习任务。最后，教师根据各个学生的完成时间、完成质量给出相应的分值。另外，教师还要督促学生及时登录虚拟仿真平台，保存好账号、密码，以便在课堂使用。

2.2.2 课堂实施阶段

教师通过钉钉直播平台总结预习中出现的问题，引导学生带着疑问进入本次课堂讲授环节，着重强调该实验项目的原理、具体步骤和重难点内容。在此过程中教师可以运用多种方式包括视频、图片、文字等进行演示、操作和充分讲解，同时，学生也可以打开虚拟仿真平台同步操作，发现问题即可通过对话框与教师和同学交流，随时保持师生互动、生生互动，在互动中找到自己所提出问题的答案，从而培养发现问题、解决问题的能力以及不断探索、勇于创新的精神。

教师讲授完毕后，学生可以通过虚拟仿真操作平台独立反复练习，同时记录并分析实验结果，找出实验失败的原因，提出改进措施和方法。这样不仅活跃了课堂气氛，使学生加深了对实验的理解，也全面激发了学生对实验的兴趣，培养了其创新思维。

为了强调实验操作的规范性，教师可以将学生分成不同的小组，每组学生相互观察、相互监督操作是否规范，教师根据学生的操作情况进行评分，同时纠正不正确和不规范的操作，从而培养学生团结协作的精神、严谨求实的实验态度和实际操作的能力。

2.2.3 课后总结阶段

实验结束后，教师要求学生完成随堂测验并根据操作过程完成实验报告，包括实验中观察到的现象、操作中遇到的问题、得到的实验结果以及结果讨论分析等多方面内容。学生可以随时登录虚拟操作平台对本学期的实验内容进行反复练习，从而提高实验独立操作能力。在讨论区，师生之间可以互动总结，教师要及时指出学生的问题，并整理、归纳、总结实验报告存在的错误，帮助学生纠正错误，及时答疑解惑，从而使学生加深对知识的理解和记忆。

为了更好地了解学生本次课堂学习情况，教师要根据每位学生的学习时间、实验报告完成情况和测验成绩综合进行教学总结和反馈。教师还应结合反馈内容及时改进教学方案，提高教学质量。对于一些基础好、学有余力的学生，教师可以鼓励他们利用课外时间进入实验平台，按照自己的专业和兴趣选题、设计、完成难度更高的实验，培养学习能力和科研创新能力，为将来的工作奠定基础。

2.2.4 期末考核

考核是实验教学体系的重要组成部分，是评价学生对实验技能掌握程度和学习效果的重要方式[9]。在传统的评价方法中，教师以学生的实验报告内容和到课情况作为成绩评定依据，难以反映出学生的综合能力。针对这些问题，基于虚拟仿真平台的线上实验课堂采取多方面的评价考核，具体包括实验预习完成情况（占比为10%）、虚拟仿真实验线上操作环节（占比为30%）、实验报告书面（占比为30%）、小测验成绩（占比为20%）、平台互动表现（占比为10%），教师根据以上5 部分内容综合评定实验总成绩。

3 线上实验教学效果的评价

为了客观地评价基于虚拟仿真平台构建的生物化学线上实验教学效果，检验学生对实验技能的掌握情况和理论结合实践的能力，同时弥补线下实验教学受时间和仪器、试剂等的限制而无法开展一些综合性、前沿性实验内容的不足，本文采用问卷调查法和期末成绩对比法测评分析生物化学实验教学结合虚拟仿真平台的优势和可行性。

对被抽取的2022 级456 名学生进行了问卷调查，收回有效问卷449 份，调查结果如图3 所示。由图3 可知，对基于虚拟仿真系统开展线上生物化学实验教学模式很满意的有278 人，占比为61.9%，满意的有154 人，占比为34.2%，不太满意的有17 人，占比为3.7%；同时，将实验班和对照班学生期末考试成绩进行对比，各组分别随机抽取100 名学生，成绩85 分以上记为优秀，60～84 分为合格，60 分以下为不合格（不包括60 分），所得结果见表1，将表1 结果进行统计学分析，得出P＜0.05，表明二者有明显的差异，实验组考试成绩明显优于对照组。两种测评方法的结果表明：实验教学改革获得了学生的认可，引入虚拟仿真系统不但使学生牢固掌握了相关理论知识，同时也提高了学生自主学习和不断创新的能力。

表1 实验组与对照组期末成绩比较

图3 调查满意度组成

4 讨论与展望

基于虚拟仿真平台的线上实验教学不但改变了学生的学习方式、方法以及态度，让学生变被动学习为主动学习[10]，同时也对教师的教学设计和信息化能力提出了更高的要求。基于虚拟仿真平台的在线实验教学过程，改变的不仅仅是由实体到虚拟的课堂形式，也使教学环境、组织形式、教学关系、管理方法都发生了巨大的变化。首先，教师要转变思想,课前要认真备课，不断丰富和更新教学内容,课中要做好引导工作，引导学生摸索出适合自己的学习方法、主动自主探究,不断提高学生的学习兴趣；其次，教师要积极转变角色,从原来的课堂主导者转变成课堂学习过程的管理者和引导者、学习任务的布置者和监督者，要从原来课下很少与学生联系,变成通过网络与学生课后保持实时互动，从而形成以学生为中心的教育理念和教学模式。

虚拟仿真系统是一种沉浸感强、逼真性高、交互性强的信息化技术[11]，在医学生物化学实验课堂中引入虚拟仿真系统，不但可以将最先进的知识传授给学生，还丰富了教学内容，降低了不断重复实验造成的试剂浪费和仪器损坏，同时也取得了满意的教学效果。但在运用虚拟仿真实验平台的同时，也要认识到它的缺陷，比如，通过鼠标进行实验操作，无法实现实际动手能力的培养；实验形式过于单一，突发事件少，不能更好地锻炼学生解决实际问题的能力。教育部曾明确要求在虚拟仿真实验教学中遵从“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，不能过于追求实验教学的虚拟化、信息化[12]。因此，虚拟仿真平台的运用与推行应从网络设备建设、实验项目选取、人员培训等方面入手，着重发展与科技前沿密切相关的综合性实验，从而弥补传统实验教学的缺陷，进一步完善实验教学内容建设，努力跟进国家信息化建设步伐，不断提高教学质量。同时，还要利用平台易于共享的优点， 促进优质实验教学资源的相互共享，实现虚拟仿真实验教学的可持续发展[13]，从而满足职业教育信息化的需求[14]。