陳 勇，涂春香，林 瑤，余文珍

福建中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院，福建福州 350122

醫(yī)學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)學(xué)是一門綜合性實(shí)踐課程，它將生理學(xué)、藥理學(xué)和病理生理學(xué)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來，是醫(yī)學(xué)生教學(xué)課程中重要的組成部分，以人體的生理功能、疾病的發(fā)生發(fā)展和藥物的作用機(jī)制作為研究對(duì)象，其目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題的能力、提升創(chuàng)新思維、增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，為其接下來的臨床課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。隨著在現(xiàn)代教育中信息科技的普及和飛速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在計(jì)算機(jī)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步的支持下，已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用到各個(gè)院?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[2]。虛擬實(shí)驗(yàn)具有其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，不受時(shí)間、空間及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物等限制，推動(dòng)了教學(xué)方式的多樣化發(fā)展，也是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的補(bǔ)充和完善，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，更好地培養(yǎng)現(xiàn)代高等醫(yī)學(xué)教育人才[3]。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

1.1沉浸性 虛擬實(shí)驗(yàn)是采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字建模和仿真等技術(shù)，在平臺(tái)上構(gòu)建一個(gè)可供學(xué)生體驗(yàn)和觀測(cè)的三維立體交互式環(huán)境，并且通過創(chuàng)建模擬的教學(xué)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器械和實(shí)驗(yàn)操作對(duì)象等，完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)所不能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[4]。實(shí)驗(yàn)人員按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)要求自行設(shè)定所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，登入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，運(yùn)用平臺(tái)上虛擬的各種實(shí)驗(yàn)物件、器械、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、藥品等，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，操作者可以從不同的角度觀察任何對(duì)象，與虛擬仿真平臺(tái)上生成的環(huán)境融合，沉浸其中，從而創(chuàng)造沉浸式體驗(yàn)。

1.2交互性和多感知性 在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)中，操作者可以點(diǎn)擊手中的鼠標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行各種操作，如給動(dòng)物稱體質(zhì)量、注射麻醉藥物、固定動(dòng)物及手術(shù)操作、給藥觀察等，通過不同藥物的干預(yù)和改變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行分析[5]。學(xué)生們?nèi)缤瑢?shí)際操作一般，可以感受較為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)，同時(shí)可以對(duì)自己所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行錄像，回顧實(shí)驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)并探討其中的不足，這樣對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理及相關(guān)的理論知識(shí)能夠更加深入地掌握。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

2.1豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、節(jié)約教學(xué)資源 在醫(yī)學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往由于教學(xué)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等原因的限制，使一些實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)、步驟復(fù)雜、還要配備專用儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法得到正常開展[6]。而通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以借助虛擬平臺(tái)中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，觀看演示或?qū)μ摂M實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行手術(shù)操作，還可以多次反復(fù)練習(xí)，以此加深理解，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性和自主性，這樣能更好地掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[7]。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以仿真軟件為核心，不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)耗材、藥品及動(dòng)物等影響，很大程度上節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)，也省去了繁重的實(shí)驗(yàn)課前各種準(zhǔn)備工作[8]。從這方面來說，相比于真實(shí)儀器設(shè)備，虛擬仿真軟件具有使用成本較低、并且可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)[9]。所以，虛擬實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，對(duì)于緩解教學(xué)資金短缺、教學(xué)資源不足等問題是非常有利的。

2.2改善教學(xué)條件、提升實(shí)驗(yàn)效果 目前，傳統(tǒng)的機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們實(shí)驗(yàn)操作的對(duì)象大多是活體動(dòng)物。在實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)常會(huì)受到實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)及操作安全等因素的影響，學(xué)生在課堂上自己動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)相當(dāng)有限，大部分是以旁觀者的身份參與，或者做一些輔助工作，實(shí)驗(yàn)效果不理想[10]。有些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，手術(shù)操作較為復(fù)雜，如家兔動(dòng)脈血壓調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)脈插管環(huán)節(jié)，尿液生成的影響因素實(shí)驗(yàn)中的輸尿管插管等，在這些實(shí)驗(yàn)過程中常常因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗[11]。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過對(duì)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、藥品試劑、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等進(jìn)行虛擬化，在很大程度上解決了這一問題。學(xué)生們?cè)谀M實(shí)驗(yàn)操作前，先觀看實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的操作錄像，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)有了初步了解，然后進(jìn)行模擬操作，有效地利用實(shí)驗(yàn)資源，減少了盲目性，更好地完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作，提升了教學(xué)效果。馬艷[12]開展了機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用研究，以運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)法進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生作為對(duì)照組，運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合法的學(xué)生為試驗(yàn)組，對(duì)兩組學(xué)生分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)筆試和實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核(包括實(shí)驗(yàn)基本技能操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理分析)，結(jié)果表明虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能切實(shí)提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和教學(xué)質(zhì)量。

2.3提高實(shí)驗(yàn)安全性 有些機(jī)能實(shí)驗(yàn)需要使用有毒的藥品和試劑，倘若操作不當(dāng)，就可能給操作者造成傷害；另外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常要用到家兔、大鼠、小鼠等動(dòng)物，不小心會(huì)抓傷、咬傷老師或者學(xué)生[13]。相比而言，虛擬實(shí)驗(yàn)就沒有了這些危險(xiǎn)性，很多有毒、有害及破壞性實(shí)驗(yàn)都可以在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成，并且通過模擬仿真技術(shù)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.4具有明顯的開放性 與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)使學(xué)生擺脫了原有的環(huán)境限制，節(jié)省了時(shí)間和空間成本。學(xué)生們可以利用課余時(shí)間，登入校園網(wǎng)絡(luò)，在虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后鞏固[14]。從教學(xué)方面來講，在形式和內(nèi)容上，教師可以按照不同專業(yè)、不同層次學(xué)生的實(shí)際情況擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在開展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的同時(shí)適當(dāng)增加綜合性、探究性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生也可以有針對(duì)性地選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)答疑與討論，虛擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試等，以達(dá)到最佳學(xué)習(xí)效果[15]。

2.5激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，更加形象生動(dòng)地將實(shí)驗(yàn)技術(shù)傳授給學(xué)生，并且學(xué)習(xí)過程帶有娛樂性，不需顧及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的死亡及實(shí)驗(yàn)儀器的損壞等因素，這樣學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力可以得到充分地發(fā)揮。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，學(xué)生可通過實(shí)驗(yàn)課件，自己學(xué)習(xí)，擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)跟著老師做的弊端，提升了他們對(duì)實(shí)驗(yàn)課的熱情和學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)一步拓展了視野，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力，從而提高了學(xué)習(xí)的效率[16]。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)在機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的局限性

盡管虛擬實(shí)驗(yàn)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍不能完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。(1)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，要求學(xué)生能夠掌握基本的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)操作技能，如動(dòng)物的麻醉、手術(shù)器械的使用以及手術(shù)操作等。而虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)過程的演示，學(xué)生以觀察來獲取實(shí)驗(yàn)技能，得不到真實(shí)的動(dòng)手操作鍛煉，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的突發(fā)狀況缺乏分析應(yīng)對(duì)能力[17]。(2)在傳統(tǒng)的動(dòng)物機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力具有重要的意義，這是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無法比擬的，仿真技術(shù)不能完全還原出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(3)虛擬實(shí)驗(yàn)通常采用人機(jī)交互模式，無法提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的人文環(huán)境，缺乏實(shí)驗(yàn)氛圍。而真實(shí)的動(dòng)物機(jī)能實(shí)驗(yàn)過程包含手術(shù)前的麻醉、動(dòng)物的固定以及手術(shù)操作等，需要同一組的同學(xué)共同參與、協(xié)作完成，這種參與過程更能培養(yǎng)和體現(xiàn)學(xué)生們的團(tuán)隊(duì)精神[18]。(4)此外，部分虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在操作上過于簡(jiǎn)單，如對(duì)家兔的固定、表層皮膚的切開、頸部手術(shù)操作以及氣管插管等都不夠真實(shí)，而且實(shí)驗(yàn)過程缺乏無菌觀念[19]。在虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方面還有待于繼續(xù)研究和開發(fā)，以便能更好地應(yīng)用于教學(xué)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)只能作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充和延伸，在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，應(yīng)該以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，同時(shí)將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種輔助，合理利用其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性，提高傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率[20]。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的預(yù)期效果分析

本著提高教學(xué)水平，服務(wù)學(xué)生的宗旨，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建好后，將考慮面向?qū)W生免費(fèi)開放，學(xué)生們可以通過預(yù)約，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)，為了更好地了解虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用效果，本課題組將以調(diào)查問卷的形式向這些學(xué)生征詢滿意度評(píng)價(jià)。如果效果較好，本實(shí)驗(yàn)室將關(guān)聯(lián)校園網(wǎng)，讓學(xué)生在寢室或圖書館登入網(wǎng)絡(luò)即可進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。

5 結(jié) 語

隨著我國(guó)高等教育體制改革的深入，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多元化，目前單一的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教育及不同層次學(xué)生的需要[21]。數(shù)字化教學(xué)是高等教育發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要輔助，將豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，應(yīng)該將它們有機(jī)地整合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，相互促進(jìn)，更好地提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。