諶新興，龔興牡，石慧娟，姚元春，朱耀峰，梁成青（吉首大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖南吉首416000）

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醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

諶新興，龔興牡*，石慧娟，姚元春，朱耀峰，梁成青
（吉首大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖南吉首416000）

摘要：醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺采用計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中發(fā)揮著巨大的作用，使醫(yī)學(xué)實驗操作簡單化，有助于提高學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)效率。通過虛擬實驗的真實感、立體感，使學(xué)生模擬實驗的全部操作過程，可加強(qiáng)學(xué)生的主觀能動性和對知識的理解力，使學(xué)生掌握基本的操作技能和運用知識的能力，克服傳統(tǒng)教學(xué)方式呆板、師生間互動不足、趣味性不強(qiáng)的弊端，真正提升醫(yī)學(xué)的實驗教學(xué)價值。醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺可為學(xué)生提供隨時隨地的實驗服務(wù)，為虛擬實驗遠(yuǎn)程教育的發(fā)展提供廣闊前景。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)虛擬實驗；實驗教學(xué)；資源共享

醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺采用計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在無實驗動物和無實驗儀器的情況下，利用計算機(jī)模擬生物醫(yī)學(xué)實驗的全部操作過程。利用醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺，學(xué)生可以通過虛擬實驗的真實感、立體感、多媒體性，在沒有真實實驗條件的情況下，使學(xué)生仿佛身臨其境地做實驗，彌補了很多實驗沒有條件做的不足，加強(qiáng)了學(xué)生的主觀能動性和對知識的理解力，使學(xué)生掌握了基本的操作技能和運用知識的能力。醫(yī)學(xué)虛擬實驗的真實感、立體感就如同動漫和3D電影一般，學(xué)生利用所學(xué)知識，模擬實驗的全部操作過程。對于教師而言，醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺能夠起到輔助教學(xué)的作用，同時可以培養(yǎng)學(xué)生對生命的敬畏。對于學(xué)校而言，可以有效降低實驗成本，提高教學(xué)質(zhì)量。醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺改變了傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)方式，學(xué)生通過開展網(wǎng)上仿真實驗，就可以獲得與真實實驗一樣的體驗。同時實驗教師也可以通過網(wǎng)絡(luò)共享實驗教學(xué)資源、指導(dǎo)學(xué)生實驗、及時反饋教學(xué)效果，從而達(dá)到提升醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量的目的。虛擬實驗是指借助于圖形、圖像或仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機(jī)上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境。虛擬實驗教學(xué)是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有效補充[1]。

實驗教學(xué)是教學(xué)活動中的重要環(huán)節(jié)，有利于學(xué)生深刻理解理論知識、積極發(fā)揮主觀能動性、進(jìn)行科學(xué)研究與再創(chuàng)造，是從理論走向?qū)嵺`的橋梁，也是高校教學(xué)中不可或缺的重要組成環(huán)節(jié)。實驗條件的好壞直接影響到學(xué)生動手能力、創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。隨著高校擴(kuò)招，傳統(tǒng)實驗室的設(shè)備和規(guī)模已不能滿足學(xué)生的實驗需求，學(xué)生的實驗時間和實驗空間都受到限制。尤其是在醫(yī)學(xué)院校，醫(yī)學(xué)實驗的開展受實驗動物以及試劑等諸多因素影響，且實驗成本較高。隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及科研的進(jìn)一步深入，虛擬實驗技術(shù)日漸成熟和完善，實驗教學(xué)改革也迫切地需要虛擬實驗技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用能夠早日從理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)[2]。

醫(yī)學(xué)虛擬實驗技術(shù)是一門集自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬技術(shù)和多媒體技術(shù)等而興起的新興實驗技術(shù)，最早是一些國外的醫(yī)學(xué)院及醫(yī)院的人員使用。近年來，國內(nèi)上海中醫(yī)藥大學(xué)、山東大學(xué)、南方醫(yī)科大學(xué)、中山大學(xué)、天津中醫(yī)藥大學(xué)等已經(jīng)成功入選國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，并且建立了虛擬仿真實驗平臺。

網(wǎng)上虛擬實驗教學(xué)具有廣闊的應(yīng)用前景，但虛擬實驗技術(shù)要求比較高，在實際教學(xué)中還未得到廣泛應(yīng)用，有關(guān)虛擬實驗教學(xué)模式還有很多工作值得教育者去深入探討。

1　研究內(nèi)容

采用計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立醫(yī)學(xué)顯微形態(tài)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。醫(yī)學(xué)顯微形態(tài)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)，使學(xué)生、教師可在任何地點通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬實驗的操作學(xué)習(xí)，沒有客戶端數(shù)量的限制，平臺采用負(fù)載均衡技術(shù)，配合多線機(jī)房云服務(wù)器存儲，使得訪問速度更快。

2　研究目標(biāo)

通過該項目的研究，制作醫(yī)學(xué)實驗仿真教學(xué)課件，建立醫(yī)學(xué)顯微形態(tài)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺及資源庫，促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，持續(xù)推進(jìn)實驗教學(xué)信息化建設(shè)。

3　醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

3.1情景設(shè)置

虛擬實驗的情景設(shè)置需要運用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)和多媒體技術(shù)等，從而創(chuàng)造出逼真的情景。只有這樣，才能使學(xué)生產(chǎn)生真實的學(xué)習(xí)體驗，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。通過視覺、聽覺等的刺激，使學(xué)生在虛擬情景中掌握知識，并遷移到真實的實踐當(dāng)中，能獨立解決問題，并真正理解所學(xué)知識。另外，注重知識的呈現(xiàn)方式，分析學(xué)生現(xiàn)有知識、能力水平，適當(dāng)?shù)匕才乓恍┦÷浴⒖瞻谆蛘吡钊烁械狡婀种?，以激發(fā)學(xué)生的興趣。虛擬實驗系統(tǒng)不同于真實的實驗室環(huán)境，實驗者是通過用戶界面與之交互作用的。因此，界面的設(shè)計要方便、美觀、易于操作。

3.2過程模擬

在虛擬實驗過程模擬階段，學(xué)生通過觀察、分析實驗現(xiàn)象，處理實驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)反饋調(diào)整策略、澄清錯誤概念，檢驗自己的假設(shè)和實驗設(shè)計方案，這有助于提高學(xué)生對反饋的反應(yīng)能力以及對因果關(guān)系的敏感性。另外，在虛擬實驗過程中，學(xué)生必須有意識地運用自己的經(jīng)驗，并用現(xiàn)有的知識綜合分析實驗結(jié)果。因此，要注重虛擬實驗的真實性和智能化。真實性可以豐富學(xué)生在虛擬情景中的體驗，智能化主要表現(xiàn)為可在實驗過程中跟蹤學(xué)生的實驗進(jìn)度，并適時地為其提出指導(dǎo)性建議。

3.3遷移學(xué)習(xí)

在開展虛擬實驗時，學(xué)生應(yīng)該學(xué)會運用遷移理論，其定義就是“在一種情景中獲得的技能、知識或形成的態(tài)度對另一種情景中技能、知識的獲得或態(tài)度形成的影響”。簡言之，遷移學(xué)習(xí)就是一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)的影響。在虛擬實驗情景創(chuàng)設(shè)中，虛擬與真實學(xué)習(xí)情景的共同要素越多，遷移的程度就越高，反之，則遷移的程度越低；虛擬與真實學(xué)習(xí)情景的共同因素越多，遷移就越容易發(fā)生。遷移的發(fā)生依賴于學(xué)習(xí)者在虛擬與真實學(xué)習(xí)情景里對共同原理的掌握和運用程度。例如實驗設(shè)備與實驗環(huán)境是根據(jù)真實環(huán)境模擬開發(fā)的，只有創(chuàng)設(shè)逼真度高、現(xiàn)場感強(qiáng)的虛擬情景，對學(xué)生來說才能感覺到真實。

3.4總結(jié)評價

分析虛擬實驗的進(jìn)程、描述自己的感覺和反應(yīng)，以判斷自己的概念掌握程度以及分析和解決問題能力，意識到自己存在的問題和不足，并尋求新的解決問題的方法。同時，把虛擬情景與真實世界相比較，把虛擬實驗和實際應(yīng)用聯(lián)系起來，即遷移學(xué)習(xí)，將在虛擬情景中掌握的概念和解決問題的方法運用于實際情景中，提高學(xué)生的自信心和靈活性。

3.5修改完善

通過對學(xué)生知識掌握、態(tài)度情感、能力培養(yǎng)方面的分析，進(jìn)一步修改完善虛擬實驗設(shè)計。分析學(xué)生是否通過虛擬實驗達(dá)到基本的教學(xué)目標(biāo)，如概念原理、實驗儀器的結(jié)構(gòu)及操作的掌握；是否培養(yǎng)了學(xué)生對實驗的興趣、熱情，提高其積極性和參與度；是否能夠增強(qiáng)學(xué)生對實際問題的解決能力等。

醫(yī)學(xué)虛擬實驗在無實驗動物和實驗儀器的情況下，利用計算機(jī)模擬生物醫(yī)學(xué)實驗的全部操作過程。在虛擬實驗的過程中，學(xué)生可逼真地觀察虛擬實驗場景，真正做到直接、直觀和及時了解某些動物實驗的基本操作過程，熟悉實驗步驟，厘清實驗思路，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)方式呆板、師生間互動不足、趣味性不強(qiáng)的不足，被越來越多地應(yīng)用于高校教學(xué)中，逐漸成為一種新型的互動體驗式教學(xué)模式。作為一種有力的教學(xué)補充手段，虛擬實驗為成功實施真實的醫(yī)學(xué)實驗奠定了基礎(chǔ)。對學(xué)生而言，可以很好地完成實驗預(yù)習(xí)，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；對于教師而言，能夠起到輔助教學(xué)的作用；對于學(xué)校而言，可以有效降低實驗成本，提高醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量。

4　醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺的優(yōu)越性

虛擬實驗系統(tǒng)能夠大大節(jié)省常規(guī)的實驗設(shè)備經(jīng)費；由于硬件和軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，用戶往往只需經(jīng)歷一次組建工作。虛擬實驗系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可使參與實驗的人員在遠(yuǎn)程相互合作進(jìn)行實驗研究。

5　研究意義及補充

5.1加深學(xué)生對實驗概念、原理的理解

虛擬實驗系統(tǒng)通過計算機(jī)把教學(xué)內(nèi)容、實驗設(shè)備、教師指導(dǎo)和學(xué)生操作等有機(jī)地融為一體。借助仿真技術(shù)，虛擬實驗系統(tǒng)直觀地展示了儀器的三維全貌，并附加形象生動、圖文并茂的使用說明書，加強(qiáng)學(xué)生對儀器的了解，有助于學(xué)生對實驗從整體到局部建立起直觀的感性認(rèn)識，加深學(xué)生對實驗概念、原理的理解。

5.2培養(yǎng)學(xué)生解決問題的方法和能力

虛擬實驗省略真實實驗中因儀器本身干擾或人為因素所造成的繁瑣操作細(xì)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生將注意力集中在實驗上，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的方法和能力，能有效地避免在實際實驗中出現(xiàn)的盲目操作和實驗走過場的現(xiàn)象，提高實驗效率。

5.3加強(qiáng)師生、生生互動合作學(xué)習(xí)

虛擬情景中學(xué)生之間的協(xié)作互動環(huán)境是較理想、較活躍的，因為在協(xié)作過程中，他們就某一項具體的任務(wù)進(jìn)行交流并分享各自的觀點，以使工作順利進(jìn)行。同時，以E－mail和BBS論壇等形式在學(xué)生與輔導(dǎo)教師之間建立起清晰、高效的對話渠道，加強(qiáng)師生間的溝通交流。

5.4教學(xué)方式靈活

基于因特網(wǎng)的虛擬實驗教學(xué)模式不同于傳統(tǒng)面對面的教學(xué)模式，它能夠靈活地提供給用戶（學(xué)生）不同的實驗教學(xué)內(nèi)容，用戶（學(xué)生）可以根據(jù)實際情況確定學(xué)習(xí)內(nèi)容和安排學(xué)習(xí)進(jìn)程，從而可以最大限度地滿足用戶（學(xué)生）的不同需要。它突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式時間、地點、人次的限制，解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)長期受到課堂、課時限制這一問題，使實驗教學(xué)在時間、空間上得到延伸。

5.5虛擬實驗適合于發(fā)展網(wǎng)上遠(yuǎn)程教育

由于客觀條件的限制，能夠進(jìn)入高等院校接受教育的人畢竟有限，網(wǎng)上的遠(yuǎn)程教育可以滿足人們渴望獲得知識的要求，虛擬實驗為遠(yuǎn)程教育的發(fā)展提供了廣闊前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭丹．網(wǎng)上虛擬實驗教學(xué)模式的研究與探討[J]．高校實驗室工作研究，2008（3）：16－18．

[2]張曉萌．普通高等醫(yī)學(xué)院校網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室教學(xué)模式的研究與探討[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2012．

（*通訊作者：龔興牡）

基金項目：湖南省普通高校實踐教學(xué)建設(shè)項目（湘教通[2014]272號）

中圖分類號：G40－057

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671－1246（2016）02－0045－02