基础医学虚拟仿真实验教学的实践应用

　　【摘要】随着计算机普及和网络技术的发展，虚拟仿真技术越来越多应用于实验教学中。借助虚拟仿真技术，可以展现传统实验难以展现的学科前沿技术。建设虚拟仿真实验中心不仅是高校实验教学的一个发展大趋势，也是基础医学实验教学所迫切需要的。本文针对基础医学虚拟仿真实验教学平台的特点和实践应用进行了详尽的探讨，目的在于促进虚拟仿真实验在本校的推广使用，实现教学资源共享，揭示了基于网络的虚拟仿真实验的发展前景和对未来医学教学领域的重要作用。

　　【关键词】虚拟仿真；基础医学；实验教学

　　中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：2095-2457（2017）29-0021-002

　　虛拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，国家教育部早在2013年8月就已下发通知，要求各高校积极开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。之后全国各地高校纷纷开始着手此项工作，2014年03月教育部高等教育司对全国各高校申报材料进行遴选后确定了100家普通本科高等学校和军队高等学校作为首批“国家级虚拟仿真实验教学中心”，其内容涵盖地理信息、医药医学、电力能源、工业制造、军事战场等各个领域，旨在通过这些虚拟仿真实验教学中心的示范、引领作用的，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新[1]。乘着这个东风，我们购买了上海梦之路数字科技有限公司的虚拟仿真实验教学平台，借助他们强大的技术力量和支持服务体系，初步构建了可用于基础医学实验教学的网络平台——《深圳大学医学部基础医学虚拟仿真实验教学中心》（网址http：//），并逐步在我校基础医学实验教学中推广使用。

　　1虚拟仿真实验教学的优势

　　建立“虚实结合”实验教学模式，是当前实验教学改革的方向之一[2]。借助虚拟仿真技术，我们可以展现传统实验难以展现的学科前沿技术，对受场地、资源、伦理等条件限制较难开设的医学类实验和教学尤其必要。它依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建了高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，使学生可以在虚拟的实验环境中体验同样的实验过程和结果，达到教学大纲所要求的教学效果。其突出的优势如下：

　　1）突破了时间、空间和仪器套数的限制。虚拟实验打破了传统实验的模式，学生不再受时间、空间的制约，可实行网络远程教学，师生可随时、随地进入虚拟仿真实验室进行

　　虚拟实验操作，瞬间观察到一些需要几十年甚至上百年才能观察到的变化过程，还可以进入大到宇宙宏观物体，小到原子分子层面内部观察现象[3]，这是电视录像和多媒体无法达到的。

　　2）避免真实实验或操作所带来的各种危险。医学基础实验操作中，不可避免的涉及到部分对人体有毒有害微生物菌种和毒品，利用虚拟技术进行实验，可避免人体直接接触危险的或对人体健康有害的实验，还可以降低传统实验教学中大量废弃试剂排放所造成的环境污染[4]。

　　3）实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。涉及高危或极端环境，不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或综合性实验项目，虚拟仿真实验可以真实、全面的展示教学内容，从而提供给学生更多学习实践机会。

　　4）大幅降低教学成本。虚拟实验减少了教学实验耗材的实际使用量，尤其对于医学院校的实验教学中需要使用大量的实验动物和人体标本，如能采用虚拟实验进行辅助教学，可大大减少实验耗材经费的支出，大幅降低实验教学的耗材成本。

　　2虚拟仿真实验教学平台的模块结构：

　　上海梦之路数字科技有限公司所开发的虚拟仿真实验平台系统采用了J2EE技术和B/S构架模式，二维和三维技术，结合程序控制，实现虚拟仿真的实验操作。该教学平台分为前台操作系统和后台管理系统两大模块，前台操作系统主要包括学生实验模块和教师教学模块，后台管理系统主要包括学校管理、实验管理、考核管理、公告答疑管理、系统管理等模块，每个模块下面包括3-4个不同的功能。该平台具备丰富的题库系统，提供在线自测自评功能，为学生的自我巩固学习提供一个良好的平台。教师可以在本平台开展实验教学活动，还可以上传个人教学资源、布置批改实验报告、网上考试、答疑等；学生可通过平台进行成绩查询和实验报告的在线提交和查看批阅情况。这些功能的设置实现了教学资源的共享，减少教师们的重复劳动，促进师生的互动交流，提高实验教学效果。

　　3虚拟仿真实验教学平台建设的内容

　　虚拟仿真实验教学资源建设主要针对以下三类教学资源：一是，真实实验无法开展或高危实验；二是，大型综合的虚拟实验资源；三是，成本高、资源（包括能源和实验原材料）消耗大、污染严重的实验教学资源。

　　我校虚拟仿真实验教学平台包括机能学、生化与分子生物学、病原生物学和临床医学PBL教学六大类共73个虚拟仿真实验项目。其中机能学14个、生化与分子生物学28个、病原生物学28个（包含微生物学12、病毒学3和寄生虫学13）和临床医学PBL教学3个虚拟仿真实验。每个虚拟仿真实验里包含有实验目的、实验原理、实验视频、虚拟实验操作、思考题等内容。实验目的可使学生在虚拟实验前充分了解虚拟实验操作所需达到的要求；实验原理通过文字或动画形式全面生动的描述；实验视频真实呈现实验操作全过程；思考题涵盖实验中可能会遇到的各类问题；虚拟实验操作首先進入虚拟实验项目所需的仪器、设备和器材页面，让学生对实验项目有总体概念。通过虚拟的动画演示和互动操作，依靠虚拟仿真技术准确还原真实实验的操作步骤，具有实验操作提示功能。实验内容在计算机上进行，实验流程完全模拟实验室中的操作过程。实验可以反复操作，使学生有更多的尝试与实践的机会，减少实验资源的耗费。实验过程中穿插相关知识点考核以及操作要点提示。

　　在虚拟实验操作环节还配备相应的知识库，里面可查到与该实验相关的知识点，或者在每一个实验步骤配有文字提示，选错了可按提示纠正实验操作，实验全过程有语音解说或文字解说，尤其适合学生实验前的预习或课后的复习，比如在《生化与分子生物学》这门虚拟实验课程中，医学细胞培养综合实验、移液枪基本操作、电泳基本操作等都是医学生必须掌握的最基本的实验，学生做这些真实实验前，随时可以登陆本平台进行自由学习，学生预习中遇到某个实验环节不明白的可以反复重播，反复操作练习，直到熟练并完全掌握为止。熟练全部实验步骤后，再回到实验课堂开始真实操作，既可减少课堂中教师的讲解和演示实验时间，又可缩短学生实验摸索的时间，大大提高了实验的准确率和学习效果。

　　4虚拟仿真实验教学平台后台管理：

　　4.1管理员后台管理系统的功能：

　　后台管理系统分管理员、教师个人和学生个人三个管理模块，管理员后台管理系统包括个人资料管理、公告管理、账户管理、课程管理、学习统计和系统管理六个模块，个人资料管理里可以修改用户个人密码；公告管理可发布各类公告通知新闻等；账户管理可以导入或删除教师和学生用户，可以对学生进行分班管理等。在课程管理中，既可以对已有的课程进行设置管理，也可以通过“导入课程”新添加用户所需的课程；可以对每一门课程进行个性化的设置，比如添加课程学习课件图片，知识点，考试题库，实验报告，是否允许学生加入为助教，是否允许访客浏览等等；通过“用户管理”，不仅可将已有的用户添加到这个课程中，还可以对已申请参与课程的用户进行审核。学习统计可以查看课程内所有学生的学习进度、学习成绩和时间，并可以通过设置计算规则以学习进度、成绩和时间作为评分依据来生成每位学生的最终实验课成绩。

　　4.2教师用户系统的功能：

　　教师用户系统包括个人信息资料管理、教师个人教学管理和课程申请三个管理模块。在人信息资料管理中可以添加或修改个人资料和密码，在个人资源区可上传各类教学资源，公共资源区可以查阅系统中其他老师共享的教学资源，在日程表中可以记录或标记某日的教学活动（类似备忘录）；在教学管理中可以查阅个人课程所有学生的学习详细情况，可以给学生进行分组管理，可以上传实验作业和考试卷并在网上进行批改，可以进行学生答疑等。在课程申请中教师可以查阅已有的课程和申请添加新的课程。

　　4.3学生用户系统的功能：

　　学生用户系统包括个人信息资料管理、学生个人学习管理两个管理模块。个人管理部分的功能跟教师的模块功能相似；在个人学习管理模块中，学生可以选课学习，可以向任何教师提问并查阅老师答疑的回复，查阅本班或本小组同学，还可以在系统中完成老师布置的作业和批改情况，或查阅测验或考试成绩等。

　　5虚拟仿真实验教学平台使用反馈

　　虚拟实验作为一种新型的信息化教学方式，它的出现将有效缓解实验经费、场地、器材等方面普遍面临的困难和压力，能够突破传统实验的“时空”限制，无论是学生还是教师，都可以自由地、随时随地登录。但是我们也要看到虚拟实验不足的一面。我们曾对14、15级临床专业共109名学生进行了一次问卷调查，结果显示学生们普遍认为，虚拟实验占传统实验比例在20-40%左右比较合适，他们认为虚拟实验更多的适用于拓展性实验而不是教学大纲（下转第73页）（上接第22页）内的实验；超过半数的学生认为实验课前预习和实验考前复习更适合使用虚拟实验，随时都可以进行学习，方便省时。尽管学生普遍反映真实实验和虚拟实验相结合的模式可以加深他们对实验原理、步骤、实验细节的掌握和理解，提高学习兴趣和学习效果，但他们普遍认为虚拟实验不能替代真实实验，“虚拟”不叫实验，因为虚拟实验无法锻炼动手能力，没有实际操作就无法积累实践经验等等。由此可见，虚拟实验最适宜作为传统实验课程的辅助和补充，应用于学生的课前预习和课后复习；或者用于弥补现实教学中内容的不足，丰富实验内容，拓宽学生学术视野。对于很多受现有教学条件所限无法正常开展的基础医学类实验（如人体器官的活动、病毒实验等等），则可借助虚拟实验让学生亲临其境开展相关实验，扩大了实验教学的覆盖范围。

　　6虚拟仿真实验的展望

　　我国虚拟实验系统的开发和应用刚刚开始，一些理工科院校如清华大学、华中理工大学、复旦大学等高校走在前列。从各地高校在不同学科开展的虚拟实验教学改革[5]中可以看出，虚拟实验技术作为一个新型的教学媒体，以其自身强大的功能，在医学院校的基础医学实验教学和临床技能训练中起着广泛应用，具有传统实验无可替代的优点，然而虚拟仿真实验与实物操作之间仍然存在一定的差异，虚拟实验的过程是看不到、摸不着实物的，实际操作过程中出现的各种复杂情况也是虚拟实验中无法完全复制的，因此虚拟实验只能作为实验教学的一种辅助手段，它不能完全取代传统的实验教学。此外，从技术上还可以进一步开发个人移动终端版本，让学生能随时随地应用虚拟实验；在实验项目设计方面，还可以增加基于知识点的微视频、微动画、微考核，拆分冗繁的实验过程，设计问答式提示以引起学生对实验过程的思考和知识点的回顾等。总之，基于网络的虚拟仿真实验其优缺点都是显而易见的，它对未来医学教学领域发挥着重要作用，而且随着技术的逐渐成熟还能使虚拟技术进一步应用于医学其它领域，如远程手术、合作治疗、医疗救护等紧急医务处理等方面，具有广阔的发展和应用前景。

　　作者：陈献雄等

　　【参考文献】 

　　[1]王森，李平.2014年国家级虚拟仿真实验教学中心分析[J]. 实验室研究与探索，2016，（04）：82-86. 

　　[2]孙建林，贠冰，姜伟.实验教学示范中心与虚拟仿真实验教学中心相互融合协同发展[J].实验技术与管理，2016，（09）：208-210+214. 

　　[3]李莉，张英，成军，李占军.分子生物学虚实结合实验教学模式的初探[J].实验室研究与探索，2016，（10）：225-227. 

　　[4]刘俐，刘平安，李玲，刘璐，向琴，胡立娟.虚拟仿真实验技术在医学微生物学实验教学中的应用研究[J].中国中医药现代远程教育，2017，（06）：1-2. 

　　[5]吕震，李响，李报，吴强，贾雪梅.虚拟仿真技术在形态学实验教学中的应用[J].解剖科学进展，2017，（02）：223-224.