虚拟仿真在高职智慧康养专业群实验教学中的探索与应用

摘 要 生理学实验教学由于耗时长、成本高、结果不可控等原因受到诸多限制，虚拟仿真实验具有高仿真性，能够让学生对实验的各个步骤进行反复模拟，提高实验效率、降低成本、激发学生主动思考的潜力，因而得到了越来越广泛的应用。优化生理学实验教学流程，将虚拟仿真实验安排在不同的教学环节，能够帮助学生熟悉各项生命活动现象，自主探究其内在抽象的发生机制，进而掌握生命活动的规律，促进学生知识、能力和素质目标的达成。

关键词 虚拟仿真；生理学；实验教学

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.16.032

Exploration and Practice of Virtual Simulation in the Experimental Teaching of Intelligent Health and Wellness Majors in Higher Vocational Education

——Taking Physiology as an Example

YAN Yan， CUI Xiangjuan， ZUO Li

（Chengdu Polytechnic， Chengdu， Sichuan 610041）

Abstract Physiology experimental teaching is limited by many factors such as long time consumption， high cost， and uncontrollable results. Virtual simulation experiments have high realism， allowing students to repeatedly simulate each step of the experiment， improving experimental efficiency， reducing costs， and stimulating students' potential for active thinking. Therefore， they have been increasingly widely used. Optimize the teaching process of physiological experiments， arrange virtual simulation experiments in different teaching stages， help students become familiar with various phenomena of life activities， independently explore the underlying abstract mechanisms of occurrence， and thereby master the laws of life activities， promoting the achievement of students' knowledge， abilities， and quality goals.

Keywords virtual simulation; physiology; experimental teaching

教育信息化是推动教育数字化转型、促进教育改革发展、提升教育质量的重要牵引力量和抓手[1]。2018年4月教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》提出，加强职业院校、高等学校虚拟仿真实训教学环境建设，推进信息技术和智能技术深度融入教育教学全过程。2022年11月，工业和信息化部、教育部等五部门联合发布《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022―2026年）》，提出构建“虚拟现实+教育培训”场景，计划在中小学校、高等教育、职业学校建设一批虚拟现实课堂、教研室、实验室与虚拟仿真实训基地。这一系列政策措施旨在促进虚拟仿真实训在教育中的深入应用，为学习者提供更具创新性的学习环境以及更美好的学习体验[2]。

生理学是成都职业技术学院智慧康养专业群智慧养老服务与管理专业、护理专业和助产专业的专业基础课程之一，主要研究正常状态下人体及其各部分的功能，包括各种正常的生命现象、活动规律、产生机制、机体内外环境变化对这些功能活动的影响以及机体所进行的相应调节[3]。生理学是一门实验性科学，大部分生理学知识是通过实验获得的，动物实验是生理学研究的基本方法。生理学实验教学有助于学生对理论知识的深刻理解，成功的动物实验能提升学生的动手能力和自主学习的兴趣。

1 生理学实验教学中存在的问题

生理学实验是学生获得知识的有效途径，但是生理学实验教学中存在诸多问题。高职智慧康养专业群学生以高中毕业生生源为主，大多依赖性强、独立思考问题的意识较弱，仅在实验课堂中听教师讲解不足以帮助学生深刻理解实验原理及步骤；生理学课时少，而动物实验需要准备实验动物、教师讲解示教、观察实验结果、探究机体功能机制等过程，耗时较多，每学期能够开展的实验有限；动物实验往往需要机能实验设备，设备占地大，费用高，操作相对复杂且养护成本高；实验动物数量相对不足，难以满足人人参与操作的要求，部分学生只能在实验过程中长时间观看操作演示视频，导致学习积极性不高；动物实验容错率较低，一旦出错很可能会导致后面的结果不准确，达不到通过实验促进理论知识理解和掌握的目的，重复操作的时间成本和金钱成本较高[4-5]。

2 虚拟仿真实验教学的优势

虚拟仿真实验采用三维建模与虚拟仿真相结合的方式，模拟真实实验情景，再现实验操作，有效地将实验教学的重、难点用现代信息技术呈现出来，让学习者通过人机交互活动随时随地沉浸式进行探索，促进学生掌握知识、内化知识、迁移知识和应用知识[6]。相比传统实验教学，虚拟仿真实验具有如下优势。

通过构建高度仿真的教学场景，用形象生动的实训项目引导学生自主探究学习，以游戏的形式代替传统枯燥的被动式学习，以人机交互的模式认识实验操作的基本原理与流程，增强学习趣味性以及学生学习的主动性；在学习过程中，学生充分发挥自己的主体作用，教师主要提供指导，并使用虚拟仿真软件让学生沉浸式学习，学生有充足的时间进行试错，倒逼学生思考问题，不断提高分析问题和解决问题的能力；生理学虚拟仿真实验平台为师生、生生之间搭建了一个畅所欲言、互动交流的24小时“在线课堂”，满足3A（Anywhere、Anytime、Anyone）式实训，解决了师生配比低和教学课时有限的问题[7]；虚拟仿真实验教学体系注重过程性评价，以智能考核的方式对学生每步操作的正确性、规范性、安全性进行自动记录、评估、计分，并给出详细的考核记录单，以确保每名学生都能达成学习目标，熟练掌握理论知识与实操技能。

3 探索与实践

成都职业技术学院医护学院（以下简称“我院”）坚持立德树人、坚持与时俱进，不断探索如何利用信息技术服务教学，创新教学模式，提升教学质量。在2019年至2024年双高建设背景下，立足智慧康养专业群人才培养方案，我院与成都泰盟软件有限公司深度合作，建成了医学虚拟仿真实验教学中心。该中心目前包括了基础医学课程生理学、药理学和病理生理学三门课程共计37个关键实验项目。

3.1 平台建设理念

OBE（Outcome Based Education）教育理念也称为成果导向教育，是一种以学习成果或者结果为导向的教育理念，清晰地聚焦和组织了教育中的每个环节，使学生在学习过程中实现预期的结果。OBE教育理念强调学生的主体性，学生不再是被动的知识接受者，而是主动的学习者。教师的角色从“知识的传授者”转变为“学习的引导者”。为了确保学生达到预定的学习成果，OBE教育理念强调持续的评价和反馈。这不仅指考试和测验，还包括日常的作业、项目、实践活动等[8-10]。

实践是根本，认知、能力、品德、思维等都来自实践教育。在生理学实验教学中，我们坚持OBE理念，坚持以学生为中心，以学习成果的获得为导向，设计教学环节，安排教学任务，鼓励学生通过虚实结合的实验进行自主探究。

3.2 平台概况

在虚拟实验中心的建设上，我们设置了教师管理中心和学生学习中心，教师管理中心重在教师对学生学习的引导和学习全过程的分析，设有个人中心、课件管理、班级管理、考试管理、实验室管理和系统管理六个模块。

学习中心重在调动学生学习的积极性，满足学生个性化学习的需求，有学习中心、预约实验、我的收藏、个人资料和在线交流五个模块。

3.3 实践应用

生理学是一门基础性课程，旨在教会学生掌握正常的生命活动规律，识别机体生命活动现象、判断存在的健康问题，为后续专业核心课程的学习做好准备。为达成教学目标，采用由表及里、由易到难，不断深入的方式组织教学，即从观现象到探机制再到拓展应用安排教学活动。虚拟仿真平台在不同的教学环节安排虚拟实验，引导学生一步一步探究知识、掌握知识、内化知识。接下来分别以家兔血压调节实验、动物假饲模型为基础的胃酸分泌调节实验、受体激动剂肾上腺素对心脏功能的影响三个虚拟仿真实验为例进行说明。

3.3.1 观现象——家兔血压调节实验

学生通过自主完成“家兔血压调节”虚拟实验，发现注射去甲肾上腺素、注射肾上腺素与夹闭一侧颈动脉的作用相似，均表现为血压升高；注射乙酰胆碱与刺激迷走神经的作用相似，表现为血压下降。教师引导学生对比注射肾上腺素、注射去甲肾上腺素和夹闭一侧动脉三种实验方案对血压影响的区别以及对心率的影响，通过不断设问启发，帮助学生更细致、全面地观察现象，调动学生学习的积极性，为探究血压调节机制做好准备。

3.3.2 探机制——动物假饲模型为基础的胃酸分泌调节实验

借助虚拟实验重现假饲模型，探究不同饮食（低脂饮食和高脂饮食）、阿托品、迷走神经对胃液分泌量、盐酸含量、胃蛋白酶含量及血液中乙酰胆碱含量的影响，归纳各因素的作用特点，直观了解正常情况下头期（主要为食物的视觉、嗅觉、味觉等刺激，经由迷走神经刺激胃液分泌）、胃期（食物进入胃后，刺激胃液分泌的过程。氨基酸和胺类物质可直接刺激G细胞释放胃泌素，进而通过直接和间接途径激活壁细胞。胃壁扩张同样可以引起胃泌素的释放以及胃酸的分泌）和肠期（起始于食物进入小肠内，通过肠腔扩张和营养物质吸收，刺激胃液分泌）胃液分泌情况并理解神经调节作用的形式、内容。

3.3.3 拓应用——受体激动剂肾上腺素对心脏功能影响实验

通过理论教学，学生了解了交感神经释放神经递质肾上腺素与心脏受体结合可以兴奋心脏，使心跳加快、传导加速、心肌收缩力增强，与骨骼肌、冠状动脉上的受体结合可以扩张血管，改善血流，降低血压。对接临床案例（患者，男，因发热、咳嗽、咳痰、胸痛等症状来医院就诊，诊断为急性肺炎，给予青霉素抗感染治疗及对症治疗。在注射青霉素的过程中，患者自觉胸闷、气喘、四肢厥冷、神志模糊不清，测血压为71/42mmHg，立即停止注射，并用肾上腺素进行抢救），学生设计探究肾上腺素治疗心脏骤停给药剂量的实验方案，并将实验方案上传讨论区，师生共同对各个方案进行点评并修改完善。当方案确定后，开放探究实验，让学生获得临床肾上腺素应用剂量及用药注意事项等知识。

3.4 效果评价

课程结束后，通过问卷调查了解学生对虚拟仿真实验教学的评价，内容涉及趣味性、可操作性、实验时限、学习效果及整体满意度等，87.6%的学生认可虚拟仿真实验教学模式。

学生通过虚拟仿真实验反复练习，熟悉实验步骤，知晓操作要点。在动物实验操作时，学生的逻辑性增强，动手能力提高，操作速度加快，误差降低，使得实验结果的准确性明显提升，有效提高学生的学习兴趣、积极性和学习信心。

通过开展虚拟仿真实验，促进学生对知识的掌握和迁移，将“生理学”与“护用药理”“内科护理”等后续课程的教学内容联系起来。

虚拟仿真实验具有对全过程自动跟踪、记录、评价与考核等功能，推动实训教学的数字化改革[11]。教师根据评价结果调整教学策略，优化教学过程，从教书匠转变成引导者：以问题为导向，通过设置不同的任务，让学生在做中学、学中做。

4 展望

在智慧康养专业群生理学实验教学中探索虚拟仿真实验的应用，开发更多的虚拟实验，鼓励学生参与方案的设计和实施。同时完善虚拟实验和真实实验的结合，虚重在重现经典，实侧重综合创新。

基金项目：成都职业技术学院2021―2023年院级教改课题“虚拟仿真实训项目在高职护理专业实践教学中的创新应用——以护理专业《生理学》为例”（JG-Y2106）；四川省教育厅2022―2024年职业教育人才培养和教育教学改革研究项目“智慧康养专业群‘虚实结合、育训一体’实训教学体系的研究与实践”（GZJG2022-155）。

参考文献

[1] 教育部等六部门关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见[J].中华人民共和国教育部公报，2021（9）：15-19.

[2] 郑春光.虚拟仿真系统在生理学实验教学中的应用研究[J].中国教育技术装备，2022（19）：135-138.

[3] 杨桂染.生理学[M].北京：人民卫生出版社，2018.

[4] 王怀颖，靳祎.基于创新能力培养的实验教学改革的探索——以“生物化学与分子生物学”为例[J].教育教学论坛，2022（2）：69-72.

[5] 黄娟，徐子彤，麻凯，等.虚实结合实验方法在人体生理学教学中的应用[J].科教导刊，2022（14）：129-131.

[6] 任向宇，包丽丽，孙晓琳，等.医学微生物学虚拟仿真实验平台的设计与构建[J].卫生职业教育，2024，42（3）：55-58.

[7] 吕云玲，潘常春，李艳，等.疫情下护理虚拟仿真实训教学体系的构建与应用[J].卫生职业教育，2022，40（24）：42-44.

[8] 吕昆.基于OBE理念的高职高专生理学“生师学习共同体”构建研究[J].菏泽医学专科学校学报，2023，35（3）：85-88.

[9] 任燕，林琳.基于成果导向教育理念的混合式教学模式在生理学教学中的应用[J].卫生职业教育，2023，41（18）：73-76.

[10] 潘杰，周心如，肖池，等.基于OBE理念的生理学实验教学方法探索与实践[J].中国高等医学教育，2021（5）：111-112.

[11] 李艳，陈琳，朱福根.国内虚拟仿真实训：现状、研究及启示[J/OL].现代远距离教育，（2024-01-22）：1-13.