生理学虚拟实验室的利弊

成洪聚,刘卫东,侯腾飞

（菏泽医学专科学校，山东菏泽 274030）

生理学虚拟实验室的利弊

成洪聚,刘卫东,侯腾飞

（菏泽医学专科学校，山东菏泽 274030）

生理学；实验教学；虚拟实验室

生理学是一门实验科学，实验课不但可以帮助学生理解知识，还可以培养学生的动手能力、观察能力、分析和解决问题的能力等。随着多媒体技术、计算机网络技术和虚拟现实技术的发展，美国William Wulf教授于1989年提出虚拟实验室概念。我国也提出研究开发数字化实验和虚拟实验系统的规划。虚拟实验室是利用计算机仿真技术和网络技术构建的各种虚拟实验环境，实验者在此仿真的环境中完成各种实验项目，以代替或加强传统的真实实验。生理学虚拟实验室是按照生理学的实验教学要求，设置了各种生理学实验项目。现在多所大学已经建立了自己的生理学虚拟实验室［1］，我校也完成了此平台的搭建。现就生理学虚拟实验室的利弊分析如下。

1 生理学虚拟实验室的构建

生理学虚拟实验是根据全国医学院校生理学教学大纲的要求，应用多媒体编程软件编写成的，具有仿真程度高、界面友好、交互能力强、专家系统完善、系统的可操作性强和版本易升级等特点。资料来源于实物实景拍摄，并融合音乐、动画、声效等，创作出了逼真的虚拟环境。生理学虚拟实验主要由常规学生实验及实验设计两大部分组成。常规实验包括一些经典的生理学实验，如“血压调节”、“呼吸运动的调节”等，开始时为学生介绍实验的目的和原理、动物、器械、试剂药品等，实验过程中有不断的提示帮助。实验设计是通过学生自行选择实验动物、器械和处理因素进行设计，并完成实验。

2 生理学虚拟实验室的优点

2.1 逼真形象虚拟实验充分利用多媒体技术，大量应用实验照片、视频、音频素材并配合逼真的动画，为学生构造了一个仿真的实验环境，可达到清晰、美观的视觉效果［2，3］。例如，家兔颈部剪毛被设计成动画，然后利用录像展示实验的操作流程。所有实验过程利用电脑操作完成，这对现代大学生来说不是件难事。类似游戏的过程吸引了学生的注意力，能激起学生的学习兴趣，达到“学以致玩，玩以致学”的境界。

2.2 人机交互与传统实验相比，虚拟实验的模式是动态的、智能的、交互的。计算机能对实验进展作出迅速反馈，显示提示信息，包括遗漏的实验步骤和注意事项。在呼吸运动调节实验中，如果学生点击按钮选择“增加气道阻力”、“缺氧”、“增大无效腔”、“注射乳酸”等操作进行观察，系统会立刻显示呼吸曲线相应的变化。如果学生没有颈部手术操作就直接观察缺氧等因素对呼吸系统的影响，或没气管插管就直接分离迷走神经，计算机拒绝执行命令，让学生及时纠正，来规范学生的实验操作步骤。

2.3 提高效率某些生理学实验难度大，可能全班各实验小组均以失败而告终。例如家兔麻醉，有的耳缘静脉穿刺多次不成功，有的麻醉药过量致家兔死亡。输尿管插管、动脉插管、蛙心插管等实验操作不熟练，则根本插不进去或戳破，使实验无法进行。这就要求学生在实验之前对实验有相当的了解，才能顺利完成。通过反复模拟实验，学生可以在实验前初步了解实验原理和实验方法，熟悉实验操作步骤及注意事项，提高了实验成功率，同时也减轻了教师的工作量，减少了实验耗材。

2.4 自行设计生理学实验教学的目的是让学生巩固理论知识，学习操作技能，重点进行知识和技术的应用和创新。而传统实验教学往往是“老师套路式讲授，学生机械式模仿”，无需主动思维和创新，只要按实验要求和实验步骤进行即可。虚拟实验中的实验设计部分让学生充分发挥想象力，任意选择实验动物、试剂药物以及器械，自行设计实验方案，为学生提供了自由探索的空间，培养了他们的创新性思维。

2.5 开放共享生理学虚拟实验室无时间限定，学生只要有台电脑，能连接互联网，就可以随时随地进入实验室，拓宽了教学实验的时空观［4］。由于网络资源具有共享性，因此在不同地域、不同终端上可以同时进行相同科目的虚拟实验，多个实验者可通过网络进入同一个虚拟空间，对同一虚拟实验进行观察和操作，以达到协同工作的目的。

2.6 超越时空虚拟实验能模拟宏观或微观领域中无法用常规实验直接观察的实验，增加了学生的感性认识。例如，模拟激素与受体结合后细胞内一系列的信号传递过程。其次，它能模拟需长期观察的慢性实验，例如，肾上腺摘除动物的观察。另外，它还能模拟一些对人体有损伤的危险性实验和所需仪器非常昂贵的实验。学生以自然的方式在虚拟实验环境中完成不易观察的、有危险的或费用高的实验，摆脱了传统实验教学时空观念的束缚。因此，它在实验教学中起着独特的作用。

2.7 应用多样生理学虚拟实验室可用于课堂教学。如果老师仅仅空泛的说讲，学生缺乏形象感。示教时几十个同学围住一个老师，学生观看不清，而且仅仅一遍就过，学生记不清复杂的实验程序。老师讲完后再问，真是“一问三不知”。在学生具体操作时老师还得每组重新示教讲解。生理学虚拟实验给学生一定的形象感，让学生易于理解，可反复重演，提高了生理学实验教学效果。对一些没能开设的实验项目也可通过虚拟实验进行，使学生能够全面深刻掌握课本的知识。生理学虚拟实验室还可以用于学生预习、复习和自学。实验预习非常必要，避免实验的盲目性，但学生因为实验的抽象性不愿意预习。学生实验复习会遇到很多实验相关问题，再去实验室重复实验是不可能的。这些均可以通过虚拟实验来弥补。虚拟实验中的提示与帮助系统便于学生自学。网上留言板为学生和老师提供了交流的机会。

2.8 节约成本由于各高校学生扩招、实验经费紧张、实验设备不足等原因，使实验课时大为减少［5］，所以解决好资金投入与人才培养之间的矛盾很关键。将虚拟实验技术引入实验教学，“以虚代实”，可以弥补不足，让学生通过多媒体虚拟实验的强大功能完成实验来缓解矛盾。另外，学生在实验之前大多没有接触过实验设备，在实验过程中设备损坏的现象时有发生。虚拟实验只是电脑操作，不消耗器材。依靠网络可以多人同时进入，反复实验却不增加实验成本。

2.9 推动教改虚拟实验用计算机软件模拟实验过程，无需象传统实验教学那样准备实验，不受动物和试剂的制约，而且克服了传统教学模式的感性认识不足的缺点，为实验教学的设计与实施提供了新的手段，推动了实验教学观念和教学模式的变革。学生无法到学校实验室去做具体的实验一直制约着远程教育的发展。网上虚拟实验室使远程教学成为可能，为远程教育实验问题提供了重要条件和技术支持。

3 生理学虚拟实验室的缺点

3.1 虚拟实验只是依赖电脑操作，虚拟的实验设备和手术器械无实物感，而且无法真正锻炼基本操作技能。例如，手术器械的规范性使用，刀口的切开，静脉穿刺，动脉插管，输尿管插管等，如果不是亲手操作，就无法找到那种感觉，所以虚拟实验只能起到演示的作用，学生只有在现实中才能得到训练。

3.2 真实实验的过程可能会有很多干扰因素或者出现很多异常现象和故障。比如，电生理实验的干扰波，动物麻醉后的死亡，动脉血压测量时插管漏气，正确操作却出现不良后果等，这些在虚拟实验中不会出现。所以虚拟实验无法全面反映真实实验的复杂性，在培养学生分析解决实际问题的能力方面远远不足［6］。

3.3 虚拟实验本身仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。例如，虚拟实验软件设计本身还不够完善；虚拟设备价格昂贵，普通输入、输出设备不易实现直接的力反馈；如何引导和解答虚拟实验问题，对实验过程和实验结果建立实验质量监控体系，做出及时、客观和公正的考核评价［3］。

3.4 真实实验的过程通过一个小组成员的共同合作潜移默化地培养了学生的团队精神，包括协作互助、沟通交流、相互鼓励等，为临床工作做好准备。而虚拟实验是一人一机，无法培养团队意识。

综上所述，虚拟实验模式和传统实验模式各有利弊，在实际应用中应该扬长避短，虚实互补。目前多数教师还缺乏应用虚拟实验进行教学的意识，不能与软件开发和应用专业人员相协调，无法发挥虚拟实验的价值；学生有的忽视，有的过于沉迷，还缺乏对虚拟实验的全面正确认识和评价。我们应该利用传统模式巩固验证课堂的基础理论知识，训练基本技能，利用虚拟实验的形象、生动、直观、交互性以及在展现实验现象时具有强大的表现力等来辅助教学。因此不要忽视真实实验，同时充分开发虚拟实体移植带来的免疫排斥反应。因此神经上皮干细胞作为组织工程的种子细胞具有明显的优越性。神经嵴干细胞具有多潜能性，可增殖并分化为不同类型的成熟组织和细胞。体内实验证实，神经嵴干细胞的衍生物遍及了外、中、内三个胚层，包括周围神经系统和肠神经系统的神经胶质、神经元、大部分的初级感觉神经元；内分泌细胞、心脏流出道和大血管的平滑肌细胞；皮肤和内脏器官的色素细胞，以及头面部的骨、软骨、结缔组织等。神经嵴可分为两部分：颅神经嵴和躯干神经嵴。颅神经嵴干细胞除参与形成头颈部腹侧皮肤的真皮、平滑肌及腺体中结缔组织基质等软组织外，尚可特征性分化为颅面部骨架硬组织。与颅神经嵴干细胞不同，躯干神经嵴干细胞主要分化为周围神经系统的神经元和神经胶质，并参与背根神经节、交感神经节和脊索的形成，在周围神经系统的发育过程中起主要的作用。

研究者们在周围神经组织工程领域做了大量工作！但在临床上长段周围神经缺损的修复仍以自体神经移植为主，寻找丰富的种子细胞来源和经体外培养的种子细胞繁殖及扩增后易趋于老化的问题是目前研究需要克服的主要问题，神经干细胞的研究为组织工程化修复周围神经损伤提供了新的希望。

[1]Soichiro Itoh，Masumi，Suzuki，etal.Develoment of a Never Scaffold Using a Tendon chitosan Tube［J］..International Society for Artificial Organs，2003，27（12）：1079-1088.

[2]Jorge B.Aquino，Jens Hjerling-Leffler，Martion Koltzenburg，et al.In vitro and in vivo differentiation of boundary cap neural crest stem cells intomature Swchann［J］.Experimental Neurology，2006，198：438-449.

[3]Ju W，Yang Y，Tao Q，etal.Interleukin-18 gene transfer increase an titumor effects of suicide gene therapy through efficient induction of antitumor immunit［J］.yGene Thera，2000，7（19）：1672-1679.

[4]Chakraborty NG，Qkino T，Stabach P，et al.Adoptive transfer of acti vated human autologousmacrophages results in regression of trans planted humanmelanoma cells in SCID mice［J］.In vivo，1991，5（6）：609-614.

[5]卢静，孙晋浩，张静，等，躯干神经嵴干细胞体外分离培养及其增殖、分化的实验研究［J］.山东大学学报（医学版），2009，9（5）：112-115

[6]Le Douarin NM，ziller C，Couly GF，etal.Patterning of neural crest derivatives in the avian embryo：in vivo and in vitro studies［J］.Dev Biol，1993，159（1）：24-29.

[7]Anne Baroffio，Elisabeth Duptin，Nicole M.Le douarin etal.Common Precursors for neural and mesectodermal derivatives in the cephalic neural crest.［J］.Development，1991，112（3）：301-305.

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1008-4118（2011）02-0074-03

2011-05-20

10.3969/j.issn.1008-4118.2011.02.40