虛擬仿真系統應用于機能實驗教學的研究**

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虛擬仿真系統應用于機能實驗教學的研究**

廣州市教育科學規劃課題(11A038)；2012年廣州醫學院教育科學規劃課題(6)；2013年廣東省教育科學“十二五”規劃課題(2013JK142) 。通訊作者：朱曉琴

趙元淑1鄧鎮1雷水生2胡景鑫3朱曉琴31廣州醫科大學機能實驗中心，廣東省廣州市511436；

2廣州醫科大學附屬第五醫院皮膚美容科；3廣州醫科大學生理教研室

摘要將虛擬仿真系統應用于機能實驗教學是一種新型實驗教學模式。虛擬仿真系統的應用，激發了學生的學習興趣，提高了教學效果，培養了學生的創造性和自主學習、主動發現問題解決問題的能力。

關鍵詞虛擬仿真系統機能學實驗教學

醫學機能學實驗課程是一門將醫學生理學、藥理學、病理生理學等基礎醫學實驗內容進行有機結合的實驗課程。由于醫學基礎課程內容抽象，學生在學習中有很大的難度，實驗課可以增加理論知識的直觀性，加深學生對理論知識的理解和掌握。但是目前傳統的實驗教學手段由于教學資源有限、教學模式單一等弊端，不能完全適應新時期醫學人才培養的要求。為了培養學生的實踐能力、自主分析解決問題能力，提高學生實驗課教學質量，廣州醫科大學機能學實驗中心從2006年開始將自主研發的虛擬實驗系統應用于實驗課的教學，同傳統實驗課教學方式相結合，取得了一定的效果。本文將對虛擬系統在教學中的應用及應用效果做以分析，并將新型教學模式實施過程中的教學感想做以總結。

1機能虛擬仿真系統在實驗教學中的應用

實驗教學對培養和提高學生基本技能、綜合能力和創新能力起著至關重要的作用[1]。隨著醫學競爭的日益激烈，學生們都希望能夠在學校學習期間盡量多的掌握醫學實踐技能，所以醫學實驗課越來越受到學生們的歡迎和重視。學生希望在實驗課上能夠反復操作實驗，熟練實驗的過程。但是由于近些年高校學生不斷擴招，實驗教學資源相對不足等原因限制了機能學實驗課程的深入開展。并且，傳統實驗課的教學方式也不能滿足學生動手能力學習鍛煉的需求。為了適應形勢的變化，更好的完成實驗教學，我校機能實驗中心應用最新的計算機虛擬現實技術，結合我校實驗教學的特點，自行設計開發出BL-420E生物機能虛擬仿真實驗系統，軟件包括家兔、青蛙和人體實驗三大平臺的16個模塊，涵蓋了一些在傳統實驗課上無法開展的經典實驗項目，虛擬仿真實驗系統的應用，極大的豐富了機能學實驗課教學內容，為學生提供了更多實驗的機會，同時也節省了教學成本，可以讓教師從繁重的講課任務中解放出來，有更多的時間對學生進行實驗指導。

興趣是最好的老師，能夠最大程度地發揮個人學習的主管能動性[2]。我校機能虛擬實驗系統為一開放的實驗平臺，以選修課的形式出現，學生可以根據個人興趣自主選擇。此外，我校虛擬實驗系統應用最新的計算機技術，將各實驗模塊設計成3D動畫游戲的形式，學生在游戲的各階段要選擇正確的“游戲武器”——實驗用品，進行正確的實驗操作，游戲才能通關。以《青蛙立體在位心臟灌流》實驗為例，進入一個三維的仿真的實驗室后，在手術臺上出現了一只剪開皮膚、暴露出心臟的青蛙以及各種可供選擇的手術工具，有眼科鑷、線、眼科剪、靜脈插管，先選擇正確的工具才能進入下一步的操作，如果選擇不正確的話工具圖標不予反應。接下來操作者選取眼科鑷，將鼠標移動到心臟相應位置，用眼科剪剪一小口，選取靜脈插管工具，用鼠標拖住將其插入血管口，并點擊棉線結扎固定；如果操作者忘記結扎固定靜脈插管，則操作無法繼續進行并且系統會彈出提示對話框：“插管未固定，請先固定插管”。實驗結束后操作者通過點擊操作界面右上方的“查看”按鈕可以看到此次操作犯錯的次數以及操作所用的時間，如果犯錯次數多則此關不能通過，系統會顯示“遺憾，繼續努力”，同學可以重新玩游戲爭取順利通關。把實驗操作以游戲通關的形式呈現，增加實驗的趣味性，調動了學生的積極性，學生可以在趣味游戲中學到實驗的原理，掌握實驗過程，規范實驗操作技術。此外，虛擬實驗課還為傳統動物實驗課的開展做好準備——在虛擬實驗結束后，學生在已經充分掌握實驗原理、過程的情況下胸有成竹的進行實際操作，更有助于提高學生對實驗的深入理解。

新時期素質教育的要求不單單是看學生期末考了多少分，而是注重要提高學生學習的積極性，培養學生能力。我校機能學虛擬實驗系統課程期末采用調查問卷的形式，讓學生評價參加本課程的學習感受，對本課程需要改進的內容提出意見和建議。

2在機能學中應用虛擬仿真系統的優點

2.1虛擬實驗課程提高了學生的學習興趣虛擬動物實驗課程采用了學生們樂于接受的“打游戲”的形式開展，整個系統動畫設計生動有趣，仿真度高、直觀性強，對于整個實驗的整體和細節設計詳細合理，學生在操作的過程中可以通過系統預置的干擾因素了解錯誤的實驗方法帶來的后果，拓展學生的知識面，使學生全面掌握實驗操作過程；并且，通過對虛擬系統的反復操作加深學生對實驗全面了解對正確實驗方法的記憶。在虛擬的環境中，通過人機交互，學生在玩游戲的過程中掌握了實驗原理和實驗的過程，規范了實驗技術，學生學習興趣足、效率高，教學效果良好。

2.2培養了學生的自主學習能力自主學習能力是新時期教學領域的一項重要培養目標，自主學習的過程包括：自我觀察、自我判斷、自我反應[3]。傳統的實驗教學形式為教師講授實驗理論知識、示教、指導學生實驗及時糾正學生操作中的錯誤，這種模式的弊端就是學生對老師有依賴心理[4]。學生在選修機能學虛擬實驗課伊始，可能是受到以往傳統實驗教學模式的影響，遇到不會的內容馬上問老師，比如家兔麻醉要使用的劑量、插管的位置等，自己不會主動的去查資料解決問題，缺乏自主學習的能力，這也與筆者應用虛擬實驗系統培養學生主動學習、發現問題解決問題的能力的宗旨相沖突。為了使學生養成主動學習的好習慣，教師在最初的幾堂實驗課上注重引導學生，讓學生自己發現解決問題，而不是直接告訴學生正確的答案。比如學生在家兔頸部正中切開術實驗中，學生遇到提起家兔頸部皮膚手術切口后游戲無法繼續進行的問題時，自己不去查找問題的原因，直接問老師正確答案，這時教師并不直接解答學生的問題，而是引導學生嘗試試一下其他的方法。幾堂實驗課后，學生基本適應了虛擬實驗的教學模式，再遇到游戲中存在的問題會先自己嘗試解決，或者和同學討論解決方案，逐漸養成了自主學習的好習慣。學生在期末的調查問卷中也多次提到：“機能學虛擬實驗課就像自己是實驗的主宰者，責任巨大，需要用心完成”，甚至有的同學在課前主動預習做預習報告，課后寫實驗心得！

2.3虛擬動物實驗平臺節省了教學資源，增加了學生參與實驗的機會近些年由于醫學生不斷的擴招，給機能實驗教學帶來很大的挑戰：教師人手不足、實驗資源有限，學生動手機會少。在傳統的實驗室課上，教師忙于對實驗內容的講授，無暇對學生進行詳細的指導，嚴重影響了學生動手能力的提高和創造性。隨著計算機虛擬現實技術應用于實驗教學，實驗通過計算機模擬的虛擬環境與人體的反應進行交互完成，虛擬動物實驗不需要購買實驗動物和實驗藥品，不需要購買大量的實驗器械，也不需要擴建實驗室，沒有實驗器械的損耗，學生可以通過虛擬動物實驗平臺反復進行實驗操作，大大節約了教育成本，增加了學生實驗操作的機會；并且由于不需要使用一些有毒的藥品，增加了實驗的安全性和成功率；教師也可以從繁重的講課任務中解放出來，有更多的時間對學生進行實驗指導，提高學生的主動性和創造性。

2.4教學效果突出我校的機能虛擬實驗課歷來都是很受學生們歡迎的課程，每年選修的人數都很多。筆者對2011-2012年選修機能學虛擬實驗課程的臨床、影像、護理專業3個年級20個班共計600名同學進行問卷調查。其中91.4%的學生對虛擬實驗比較感興趣，98.6%的學生對虛擬實驗的設計基本滿意，97.4%的學生認為虛擬實驗可以避免手術操作過程中常犯的錯誤，23.1%的同學希望能增加虛擬實驗項目的開發。通過虛擬仿真系統的應用，明顯豐富了實驗的教學手段，提高了學生的學習興趣，生動了實驗教學內容，學生對機能學實驗中增加虛擬實驗系統滿意度很高。

機能學虛擬仿真系統的應用也提高了學生的創新能力和動手能力，2009年在孔天翰老師的指導下學生自主設計完成的科研項目分別獲得全國大學生學術科技作品競賽二等獎、廣東大學生課外學術科技作品競賽特等獎；2011年、2012年朱曉琴等老師指導的學生設計性課題獲得了廣州醫學院大學生課外科技競賽二、三等獎；機能學課外興趣小組的學生在2009-2012年間先后參與完成了2項國自然、2項省自然課題，在國家核心期刊發表論文10余篇。

3虛擬仿真系統在教學應用中有待改進的方面

3.1機能實驗不能替代傳統的醫學實驗課程醫學實驗課程著重培養學生的動手能力、發現問題解決問題的能力。目前的機能綜合實驗是通過對動物的實驗操作鍛煉學生的動手能力和實驗的技能技巧，比如：蛙坐骨神經的分離實驗，鍛煉學生手術操作的技術水平，而這些能力是通過虛擬仿真系統完成不了的。此外，機能綜合實驗以小組的形式進行，通過小組各位成員間互相協調、溝通、合作完成實驗，學生不僅可以學習實驗技術，也培養了學生的團隊意識、協作精神、溝通能力[5]；學生應用虛擬仿真系統可以掌握實驗原理、規范實驗操作技術，提高學生主動學習、分析問題解決問題的能力；但是，虛擬仿真實驗是學生通過計算機完成的，每名學生一臺計算機，同學之間缺乏溝通和協作。為了解決這些問題，我們將虛擬實驗系統應用于實驗課的同時，我們在實驗課上另設動物實驗項目，學生在虛擬實驗結束后可以根據個人意愿進行動物實驗。虛實并存，實為主體，以虛補實，虛實雙促[6]，虛擬實驗是真實實驗的預演,與真實實驗互為補充[7]。結果證明，學生在虛擬實驗后已經熟悉了實驗原理、過程，在傳統實驗操作時事半功倍。

3.2進一步完善虛擬實驗系統學生在傳統實驗操作中出現的問題多種多樣，而筆者虛擬實驗系統在設計的時候不可能想每名學生之所想，把學生所有能夠出現的問題都反映在系統的設計中。因此，學生在期末調查問卷的時候也會給我們提出這一方面的問題，希望筆者能夠完善。對此，在以后的設計中，盡可能貼近學生的實際操作需要，把虛擬實驗系統做到更加完善。當然，一定不可能達到每名同學的理想狀態，這也是虛擬實驗系統與傳統實驗比較起來不理想的地方。針對這一弊端，筆者采用教師輔助學生，及時解答學生問題的方式進行彌補。

總之，將虛擬實驗系統應用于機能學實驗教學，使實驗教學更加生動有趣，極大的提高了學生的學習興趣，增強學生學習的主動性和創新性，符合新時期教學改革的要求。因此，全面推進和深化虛擬實驗系統教學已經成為醫學教育界的共識。未來，我校將繼續根據學生特點，開發出更多、更全面細致的機能虛擬實驗系統模塊，應用于教學，為培養出更多的醫學人才做貢獻。

參考文獻

[1]劉愛東，王箐，田琳. 虛擬實驗在機能學實驗教學中的應用與體會 〔J〕. 西北醫學教育. 2012，2(20)：88-90.

[2]劉中霖，唐亞梅，陶恩祥，等. 重視興趣教學 提高神經病學臨床見習效果〔J〕. 中國高等醫學教育， 2010，(5)：98-99.

[3]龐維國. 論學生的自主學習〔J〕. 華東師范大學學報：教育科學版， 2001，20(2)：78-83.

[4]朱曉琴，胡景鑫，王桂房，等. 模擬病人應用于機能實驗教學的實踐與探索〔J〕. 廣州醫學院學報，2012，40(1)：77-78，81.

[5]徐靜，孫藝平，王冬梅.虛擬實驗與真實實驗在機能學實驗中之比較〔J〕.醫學與哲學：人文社會醫學版 ，2009，30(6)：75-76.

[6]朱曉琴，雷水生，胡景鑫，等. 醫學機能實驗教學改革探索〔J〕. 中華醫學教育雜志，2012，32(3)：441-443.

[7]沈行良. 正確認識SCI、IF及其相關問題〔J〕. 海南醫學院學報，2004，10(1):58-61.

(編輯雅文)

收稿日期2015-03-09

中圖分類號：G420

文獻標識碼：B

文章編號：1001-7585(2015)17-2410-03