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虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于機能實驗教學(xué)的研究**

廣州市教育科學(xué)規(guī)劃課題(11A038)；2012年廣州醫(yī)學(xué)院教育科學(xué)規(guī)劃課題(6)；2013年廣東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(2013JK142) 。通訊作者：朱曉琴

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

2廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院皮膚美容科；3廣州醫(yī)科大學(xué)生理教研室

摘要將虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于機能實驗教學(xué)是一種新型實驗教學(xué)模式。虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性和自主學(xué)習(xí)、主動發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。

關(guān)鍵詞虛擬仿真系統(tǒng)機能學(xué)實驗教學(xué)

醫(yī)學(xué)機能學(xué)實驗課程是一門將醫(yī)學(xué)生理學(xué)、藥理學(xué)、病理生理學(xué)等基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗內(nèi)容進行有機結(jié)合的實驗課程。由于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)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(xué)生對理論知識的理解和掌握。但是目前傳統(tǒng)的實驗教學(xué)手段由于教學(xué)資源有限、教學(xué)模式單一等弊端，不能完全適應(yīng)新時期醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)的要求。為了培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、自主分析解決問題能力，提高學(xué)生實驗課教學(xué)質(zhì)量，廣州醫(yī)科大學(xué)機能學(xué)實驗中心從2006年開始將自主研發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用于實驗課的教學(xué)，同傳統(tǒng)實驗課教學(xué)方式相結(jié)合，取得了一定的效果。本文將對虛擬系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用及應(yīng)用效果做以分析，并將新型教學(xué)模式實施過程中的教學(xué)感想做以總結(jié)。

1機能虛擬仿真系統(tǒng)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

實驗教學(xué)對培養(yǎng)和提高學(xué)生基本技能、綜合能力和創(chuàng)新能力起著至關(guān)重要的作用[1]。隨著醫(yī)學(xué)競爭的日益激烈，學(xué)生們都希望能夠在學(xué)校學(xué)習(xí)期間盡量多的掌握醫(yī)學(xué)實踐技能，所以醫(yī)學(xué)實驗課越來越受到學(xué)生們的歡迎和重視。學(xué)生希望在實驗課上能夠反復(fù)操作實驗，熟練實驗的過程。但是由于近些年高校學(xué)生不斷擴招，實驗教學(xué)資源相對不足等原因限制了機能學(xué)實驗課程的深入開展。并且，傳統(tǒng)實驗課的教學(xué)方式也不能滿足學(xué)生動手能力學(xué)習(xí)鍛煉的需求。為了適應(yīng)形勢的變化，更好的完成實驗教學(xué)，我校機能實驗中心應(yīng)用最新的計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合我校實驗教學(xué)的特點，自行設(shè)計開發(fā)出BL-420E生物機能虛擬仿真實驗系統(tǒng)，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(tǒng)實驗課上無法開展的經(jīng)典實驗項目，虛擬仿真實驗系統(tǒng)的應(yīng)用，極大的豐富了機能學(xué)實驗課教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供了更多實驗的機會，同時也節(jié)省了教學(xué)成本，可以讓教師從繁重的講課任務(wù)中解放出來，有更多的時間對學(xué)生進行實驗指導(dǎo)。

興趣是最好的老師，能夠最大程度地發(fā)揮個人學(xué)習(xí)的主管能動性[2]。我校機能虛擬實驗系統(tǒng)為一開放的實驗平臺，以選修課的形式出現(xiàn)，學(xué)生可以根據(jù)個人興趣自主選擇。此外，我校虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用最新的計算機技術(shù)，將各實驗?zāi)K設(shè)計成3D動畫游戲的形式，學(xué)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(guān)。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(shù)臺上出現(xiàn)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(shù)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(biāo)不予反應(yīng)。接下來操作者選取眼科鑷，將鼠標(biāo)移動到心臟相應(yīng)位置，用眼科剪剪一小口，選取靜脈插管工具，用鼠標(biāo)拖住將其插入血管口，并點擊棉線結(jié)扎固定；如果操作者忘記結(jié)扎固定靜脈插管，則操作無法繼續(xù)進行并且系統(tǒng)會彈出提示對話框：“插管未固定，請先固定插管”。實驗結(jié)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(shù)以及操作所用的時間，如果犯錯次數(shù)多則此關(guān)不能通過，系統(tǒng)會顯示“遺憾，繼續(xù)努力”，同學(xué)可以重新玩游戲爭取順利通關(guān)。把實驗操作以游戲通關(guān)的形式呈現(xiàn)，增加實驗的趣味性，調(diào)動了學(xué)生的積極性，學(xué)生可以在趣味游戲中學(xué)到實驗的原理，掌握實驗過程，規(guī)范實驗操作技術(shù)。此外，虛擬實驗課還為傳統(tǒng)動物實驗課的開展做好準(zhǔn)備——在虛擬實驗結(jié)束后，學(xué)生在已經(jīng)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(xué)生對實驗的深入理解。

新時期素質(zhì)教育的要求不單單是看學(xué)生期末考了多少分，而是注重要提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生能力。我校機能學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)課程期末采用調(diào)查問卷的形式，讓學(xué)生評價參加本課程的學(xué)習(xí)感受，對本課程需要改進的內(nèi)容提出意見和建議。

2在機能學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)點

2.1虛擬實驗課程提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣虛擬動物實驗課程采用了學(xué)生們樂于接受的“打游戲”的形式開展，整個系統(tǒng)動畫設(shè)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(jié)設(shè)計詳細合理，學(xué)生在操作的過程中可以通過系統(tǒng)預(yù)置的干擾因素了解錯誤的實驗方法帶來的后果，拓展學(xué)生的知識面，使學(xué)生全面掌握實驗操作過程；并且，通過對虛擬系統(tǒng)的反復(fù)操作加深學(xué)生對實驗全面了解對正確實驗方法的記憶。在虛擬的環(huán)境中，通過人機交互，學(xué)生在玩游戲的過程中掌握了實驗原理和實驗的過程，規(guī)范了實驗技術(shù)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣足、效率高，教學(xué)效果良好。

2.2培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力自主學(xué)習(xí)能力是新時期教學(xué)領(lǐng)域的一項重要培養(yǎng)目標(biāo)，自主學(xué)習(xí)的過程包括：自我觀察、自我判斷、自我反應(yīng)[3]。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)形式為教師講授實驗理論知識、示教、指導(dǎo)學(xué)生實驗及時糾正學(xué)生操作中的錯誤，這種模式的弊端就是學(xué)生對老師有依賴心理[4]。學(xué)生在選修機能學(xué)虛擬實驗課伊始，可能是受到以往傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的影響，遇到不會的內(nèi)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(xué)習(xí)的能力，這也與筆者應(yīng)用虛擬實驗系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力的宗旨相沖突。為了使學(xué)生養(yǎng)成主動學(xué)習(xí)的好習(xí)慣，教師在最初的幾堂實驗課上注重引導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)解決問題，而不是直接告訴學(xué)生正確的答案。比如學(xué)生在家兔頸部正中切開術(shù)實驗中，學(xué)生遇到提起家兔頸部皮膚手術(shù)切口后游戲無法繼續(xù)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(xué)生的問題，而是引導(dǎo)學(xué)生嘗試試一下其他的方法。幾堂實驗課后，學(xué)生基本適應(yīng)了虛擬實驗的教學(xué)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(xué)討論解決方案，逐漸養(yǎng)成了自主學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。學(xué)生在期末的調(diào)查問卷中也多次提到：“機能學(xué)虛擬實驗課就像自己是實驗的主宰者，責(zé)任巨大，需要用心完成”，甚至有的同學(xué)在課前主動預(yù)習(xí)做預(yù)習(xí)報告，課后寫實驗心得！

2.3虛擬動物實驗平臺節(jié)省了教學(xué)資源，增加了學(xué)生參與實驗的機會近些年由于醫(yī)學(xué)生不斷的擴招，給機能實驗教學(xué)帶來很大的挑戰(zhàn)：教師人手不足、實驗資源有限，學(xué)生動手機會少。在傳統(tǒng)的實驗室課上，教師忙于對實驗內(nèi)容的講授，無暇對學(xué)生進行詳細的指導(dǎo)，嚴(yán)重影響了學(xué)生動手能力的提高和創(chuàng)造性。隨著計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)，實驗通過計算機模擬的虛擬環(huán)境與人體的反應(yīng)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(xué)生可以通過虛擬動物實驗平臺反復(fù)進行實驗操作，大大節(jié)約了教育成本，增加了學(xué)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(wù)中解放出來，有更多的時間對學(xué)生進行實驗指導(dǎo)，提高學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。

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

機能學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用也提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力，2009年在孔天翰老師的指導(dǎo)下學(xué)生自主設(shè)計完成的科研項目分別獲得全國大學(xué)生學(xué)術(shù)科技作品競賽二等獎、廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎；2011年、2012年朱曉琴等老師指導(dǎo)的學(xué)生設(shè)計性課題獲得了廣州醫(yī)學(xué)院大學(xué)生課外科技競賽二、三等獎；機能學(xué)課外興趣小組的學(xué)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(fā)表論文10余篇。

3虛擬仿真系統(tǒng)在教學(xué)應(yīng)用中有待改進的方面

3.1機能實驗不能替代傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)實驗課程醫(yī)學(xué)實驗課程著重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、發(fā)現(xiàn)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(xué)生的動手能力和實驗的技能技巧，比如：蛙坐骨神經(jīng)的分離實驗，鍛煉學(xué)生手術(shù)操作的技術(shù)水平，而這些能力是通過虛擬仿真系統(tǒng)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(xié)調(diào)、溝通、合作完成實驗，學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)實驗技術(shù)，也培養(yǎng)了學(xué)生的團隊意識、協(xié)作精神、溝通能力[5]；學(xué)生應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)可以掌握實驗原理、規(guī)范實驗操作技術(shù)，提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)、分析問題解決問題的能力；但是，虛擬仿真實驗是學(xué)生通過計算機完成的，每名學(xué)生一臺計算機，同學(xué)之間缺乏溝通和協(xié)作。為了解決這些問題，我們將虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用于實驗課的同時，我們在實驗課上另設(shè)動物實驗項目，學(xué)生在虛擬實驗結(jié)束后可以根據(jù)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(yù)演,與真實實驗互為補充[7]。結(jié)果證明，學(xué)生在虛擬實驗后已經(jīng)熟悉了實驗原理、過程，在傳統(tǒng)實驗操作時事半功倍。

3.2進一步完善虛擬實驗系統(tǒng)學(xué)生在傳統(tǒng)實驗操作中出現(xiàn)的問題多種多樣，而筆者虛擬實驗系統(tǒng)在設(shè)計的時候不可能想每名學(xué)生之所想，把學(xué)生所有能夠出現(xiàn)的問題都反映在系統(tǒng)的設(shè)計中。因此，學(xué)生在期末調(diào)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(shè)計中，盡可能貼近學(xué)生的實際操作需要，把虛擬實驗系統(tǒng)做到更加完善。當(dāng)然，一定不可能達到每名同學(xué)的理想狀態(tài)，這也是虛擬實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)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(xué)生，及時解答學(xué)生問題的方式進行彌補。

總之，將虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用于機能學(xué)實驗教學(xué)，使實驗教學(xué)更加生動有趣，極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性，符合新時期教學(xué)改革的要求。因此，全面推進和深化虛擬實驗系統(tǒng)教學(xué)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)教育界的共識。未來，我校將繼續(xù)根據(jù)學(xué)生特點，開發(fā)出更多、更全面細致的機能虛擬實驗系統(tǒng)模塊，應(yīng)用于教學(xué)，為培養(yǎng)出更多的醫(yī)學(xué)人才做貢獻。

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(編輯雅文)

收稿日期2015-03-09

中圖分類號：G420

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1001-7585(2015)17-2410-03