虚拟实验在医学机能实验教学改革中的应用探索

虚拟实验在医学机能实验教学改革中的应用探索

作者：顾洪丰蒋剑红

来源：《教育教学论坛》2013年第46期

摘要：机能实验学教学改革是目前医学教育改革的热点问题。机能实验学虚拟实验教学的探讨与研究，既可克服传统机能实验教学的局限性；又可提升学生的基本素质与创新能力，实现高校培养高素质医学人才的办学目标。

关键词：虚拟实验；机能实验学；教学改革；探索

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）46-0061-02

医学是一门实践性极强的学科，医学机能实验教学是培养和提高学生基本操作技能和创新能力的重要环节。然而，随着我国高等教育体制改革的深入，传统机能实验教学模式的局限性日益显现，已成为制约机能实验教学发展的瓶颈。因此，探索机能实验学教学改革已成为高校医学实验改革的热点[1]。随着计算机技术的迅猛发展，把计算机技术的优秀成果与医学实验教学有机结合将成为医学实验教学改革的必然趋势，虚拟实验技术便是其中重要成果之一。虚拟实验室是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情景，供学生观察与操纵其中的对象，使他们获得体验或有所发现。为适应医学教育改革的需要，我校机能实验中心进行大胆的改革，强化机能模拟实验在机能实验教学中的地位，努力探索如何更好发挥计算机优势，提高机能实验学教学效果。

一、改革传统机能实验教学模式，积极探索机能虚拟实验教学新方式

医学机能学实验是一门将生理学、病理生理学与药理学实验三者有机结合在一起的综合性实验学科，是医学教育的重要组成部分。传统的实验教学占用并消耗大量的实验动物、器材、教学场地和师资力量。随着医学教育招生规模的扩大，出现了实验经费相对不足、教学资源相对缺乏等现实问题，造成“实验动物由大变小、数量逐渐减少，以及实验小组人数过多”等现象，以致学生动手操作的机会减少，这已成为我校制约机能学实验教学质量提升的瓶颈。目前，国外（特别是发达国家）的医学实验已经很少开展动物实验，我国的医学实验教学也应逐步与国际接轨，将逐步减少动物实验的数量，这也符合动物实验的3R原则。因而改革机能实验学传统教学方式（真实动物实验）已成为当今医学教育改革的热点问题。随着计算机、多媒体与网络技术的发展及普及，计算机模拟与仿真实验技术作为一门新兴的实验技术迅速崛起，在医学机能学实验中探索与应用计算机模拟实验教学的新方式势在必行。为了尽快解决这些制约机能实验教学的现实问题，我校对机能实验教学进行了积极、有效的探索。

二、虚拟实验教学的优点

虚拟实验室是通过多媒体计算机模拟仿真技术同仪器设备性能相结合在电脑屏幕上创造出模拟的仪器性能、实验条件和环境，以达到真实实验的效果。我校的医学机能虚拟实验室由资料室、准备室、模拟实验室、动物房和考场五个功能不同的“房间”组成。虚拟实验室为开设各种虚拟机能实验课程提供了全新的教学环境。模拟实验室与真实实验室类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备，学生可以逐步点击相应的实验材料、实验动物和实验仪器以模拟实验操作过程，这是仿真实验室有别于传统实验教学课件的重要特征之一。通过对机能学实验计算机仿真实验教学的深入研究，发现计算机仿真实验在该学科教学中的有着以下独特优势。

1.有效缓解教学经费不足和资源短缺等问题。传统的机能实验教学占用并消耗大量的实验动物、器材、教学场地和师资力量。随着我国高等教育招生规模不断扩大，技术更新速度日益加快，传统的实验教学手段（即真实实验）由于受到教师资源、场地、仪器和设备的限制已经不能完全满足教学需要。近年来，国内外许多高等院校纷纷将虚拟实验室应用于机能学开放性实验教学中[2]，以效缓解教学经费不足和资源短缺等问题。例如由于教育经费投入等因素限制，医学院校仪器设备的种类、数量以及实验动物不足成为制约高质量人才培养的瓶颈，而仿真实验室所用的虚拟软件与真实仪器设备具有成本低、可重复利用等优势；而且虚拟软件不存在仪器性能波动、设备耗损、药品试剂消耗和“三废”问题，较少的投入就能实现多人同时上机操作练习。因此，通过开设虚拟实验，有利于缓解医学院校实验教学资源相对紧张的状况。

2.虚拟实验利于规范学生的实验操作与培养学生严谨的实验态度。科学严谨的实验态度对培养医学积极主动地进行实验和动手操作意识起着至关重要的作用。在计算模拟实验中，实验室采取人机交互的方式实施实验，就像置身于真实的实验场景中，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性，充分激发了学生学习的兴趣和积极性。医学机能实验学教学的对象主要是刚进入大学二年级的学生，他们对基础医学有了初步认识，还不能熟练运用相关知识进行病理分析。然而，他们又渴望将这些知识运用于临床实践，为了满足学生的需求，我们开展了一些与临床联系比较紧密的实验，例如：犬失血性休克微循环功能障碍与呼吸衰竭及复苏等实验，先进行模拟实验练习；然后通过教师示教及学生利用实验动物对模拟实验结果进行验证和观察。因此，虚拟实验可作为预研手段为真实动物实验奠定基础，这样既可节约大量教学成本，缩短实验周期，又可减少操作失误与提高实验成功率；同时增强了学生动手能力。通过自己动手验证模拟实验的结果，激发学生对实验的兴趣、规范学生的实验操作与培养学生严谨的实验态度。

3.虚拟实验教学有利于激发与培养医学生的创新意识。机能学虚拟实验具有很强的开放性，虚拟实验平台与真实实验平台类似。通过提供不同的模拟与仿真软件，学生可以充分发挥自身的想象力和创造力，自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备，选择实验动物；并且可以随时改变生理系统模型中的各种参数的取值范围，设计实验目的，观察实验过程，实现自己实验设想，以提高学生的动手能力、思维能力和实践能力。例如，当在动脉模型中设置低

于正常值的血管弹性时，则构成了动脉硬化模型。这种通过改变心血管系统模型中的各种参数的取值范围，可仿真一系列心血管疾病模型。在这些病态模型上所进行的虚拟实验对研究相关的疾病发生机理以及防治方法有着重要意义。因此，计算机模拟与仿真实验能够使学生在获取新知识的同时，得到启发；在增强实践能力、动手能力的同时，培养了学生的创造力，提高了学生的创新能力，这是过去传统实验所无法比拟的[3]。

三、虚拟实验在机能实验教学中的局限性

虚拟实验室虽具备上述诸多优点，但虚拟实验在机能实验教学中也存在局限性：①虚拟实验中实验者通过计算机对实验对象进行模拟实验操作，由于受到真实场景的可再现性限制，有些机能学实验难以用虚拟实验替代真实实验中的各种实验操作，如糖皮质激素的药效学观察实验；②虚拟实验受到技术支撑方面限制，例如智能程度就是其中重要的制约因素之一，低智能度的虚拟实验往往脱离真实实验场景。③虚拟实验终究是虚拟的，不具备真实实验中的一些干扰因素等，因而在真实实验中通过对实验过程中出现的各种不确定因素的分析思考及排除等培养学生能力的情景，在虚拟实验中不可能完全包含。例如在真实的实验过程中，可能会出现动物麻醉后的死亡与动脉插管内血液的凝集等意外现象，这些在虚拟实验中不会出现，而这些现象可以培养学生分析和解决实际问题的能力，这些应急处置能力是医学生以后在工作岗位上最需要具备的素质之一。

四、虚拟实验与真实动物实验有机结合，努力提高教学质量

通过7年机能模拟实验教学探索，我校机能中心的模拟实验教学初见成效。尽管虚拟实验具有传统机能实验无可比拟的优势，但其不能完全替代真实实验，它只是对真实实验的一种延伸和强化。虚拟实验保障真实实验的实施以及教学的顺利进行重要手段，有利于培养学生的创新意识，也为机能学实验的开放性教学提供了新的途径。真实实验的主要目的是为了帮助学生验证课堂的基础理论知识和培养学生的基本操作技能。真实实验和虚拟实验都是机能学实验中的重要组成部分，二者相互结合，相互促进。因此，在医学机能实验教学改革的具体实践中要注意处理好“虚拟实验”和“真实实验”的关系。在实验条件允许情况下，尽量按照教学计划来开展真实实验，不能一味地强调虚拟实验而忽视真实实验，要“虚实”结合，既相互补充，又各有侧重，使二者更好地为机能学实验教学服务，以便取得更好的实验教学效果。

传统机能实验教学模式的局限性已成为机能实验教学发展的制约因素，虚拟实验将是传统机能实验学教学改革的方向，也是传统实验教学改革中重要组成部分。处于发展变化中的虚拟实验，随着计算机运用技术的不断进步，其在机能实验教学中有着广阔的应用前景。将计算机虚拟实验与真实实验有机结合，各取所长，达到优势互补，作为提高机能实验教学质量的重要手段。

参考文献：