虚拟实验系统在机能实验中的应用探索

吴 穹，马祁生，汪晓筠，王宇婕

（青海大学 医学院机能实验室，青海 西宁 810001）

虚拟实验系统在机能实验中的应用探索

吴 穹，马祁生，汪晓筠，王宇婕

（青海大学 医学院机能实验室，青海 西宁 810001）

机能实验教学是医学教育中的一个重要组成部分，虚拟实验技术在医学院校实验教学中受到了越来越多的重视及应用，本文对其在机能实验中的应用进行了一定的研究与探讨。

虚拟实验；机能学；实验教学

机能学是一门用实验方法观察正常、疾病和药物作用下机体的功能、代谢变化及其机制与规律的科学，是在原有生理学、药理学和病理生理学实验的基础上发展、融合形成的，对于培养医学生初步的医学实验技能具有十分重要的作用。近几年来，高校的合并、扩招给医学实验教学带来巨大的压力，教师资源、教学资源的相对匮乏造成“实验小组由小变大，实验动物由大变小”的缩水现象，导致医学生实践时间和动手机会较少，在很大程度上影响了医学实验教学的质量［1］。

青海大学医学院机能实验室结合自身的特点和具体情况，于2010年引进了VBL－100医学机能虚拟实验系统，以真实实验为主，虚拟实验为辅为学生进行了实验教学，在此，我们结合教学实践，将整个过程和自己的体会总结如下，与大家共同探讨。

1 机能虚拟实验系统的结构与特点

1.1 机能虚拟实验系统的框架结构

VBL－100医学机能虚拟实验室系统集合了计算机虚拟仿真技术与网络技术，采用服务器／客户机的构架模式（图1），服务器主要用于存放素材和数据库管理，作为虚拟实验系统的数据源，起到提供数据和修改数据两方面的工作。提供数据包括接受客户机的请求，然后从数据库中查找数据，并得到数据或数据的详细位置，然后将数据分发给请求的客户机；修改数据则包括修改数据、添加数据和检查数据三个部分的内容，服务器上提供修改数据的界面，可对数据的内容，访问路径进行修改；添加数据用于添加新的实验内容或数据；检查数据根据数据库的信息检查资源的可用性。客户机是用户直接与该系统打交道的接口，客户机本身相当于一个浏览器，请求并解释从服务器得到的数据。

图1 VBL－100系统的框架结构

1.2 机能虚拟实验系统的特点

VBL－100系统采用服务器／客户机的体系结构，既可以在实验室局域网使用，又可以在校园网范围内进行访问［2］，方便学生的使用，也便于系统的扩充和升级；此系统有大量的生物学背景知识，比如信号采集与处理技术、传感器技术等，可以拓展学生的知识面；该系统由基础知识、实验动物、实验仪器、模拟实验（含简介、原理、操作仿真、录像和波形）、实验考核等部分组成，涵盖了40多个机能学实验的全套模拟仿真，由于仿真实验无需实验动物，无需实验准备即可帮助学生理解实验操作步骤以及实验效果，可以作为机能学实验教学的一个有益补充。

2 机能虚拟实验系统在机能实验中的应用

2.1 可用于机能实验课前期培训

机能实验是医学生进入医学院校后首次接触活体实验动物的课程，有大量的手术操作需学生独立完成，如家兔耳缘静脉注射术、颈总动脉插管术、气管插管术、膀胱插管术等。由于实验课时间紧，内容多，即使教师示教实验操作的全过程，详细讲述操作的要领、技巧，但是由于手术操作的复杂性、不确定性，再加上学生精神紧张，手技不熟练，实验操作往往手忙脚乱，易引起动物出血死亡，导致实验失败。

因此，利用虚拟实验室在实验课之前对学生进行前期培训，课时安排为6个学时。首先，教师结合虚拟实验平台的资料室、动物房、准备室模块向学生介绍实验动物学、BL－420生物信号采集系统的使用方法、常用手术器械的正确使用方法、手术操作、注意事项等，然后，各组学生在动物身上进行实际操作，教师在旁边进行指导，对关键步骤要求每一位学生必须亲手操作，以提高对手术的认识和感受，增加操作经验，提高实验的成功率。

在前期培训中，学生可以把注意力集中在了解和掌握手术操作上，在正式实验时就明白该如何正确操作，这样可以大大缩短带习教师示教的时间，学生也可以在规定的课时内顺利地完成实验。

2.2 可用于机能实验课中辅助

由于VBL－100系统具备多媒体课件及教学视频，在实验操作讲解时，教师可通过播放视频代替示教，一方面减轻了教师示教的负担，另一方面为学生提供了标准的操作指导。实验操作时，学生首先在虚拟实验平台上进行仿真实验，然后在传统实验平台上开展真实实验，同时可以参照实验视频，遇到问题也可向带习教师请教，但教师不能代替学生操作，强调学生的动手机会，实现以学生为主、教师为辅的教学方式。通过虚拟实验，能帮助学生更好地掌握实验步骤和实验方法，有助于提高学生在真实实验操作中的实验效率和实验成功率，另外，在真实实验后，学生可将实际的实验结果与虚拟实验中的标准结果进行比较分析，从而促使学生在实验过程中积极思考，提高学生分析问题和解决问题的能力。

2.3 可用于机能实验课后复习

实验课后，带习教师可利用虚拟实验平台的考核模块进行实验小结，引导学生对实验结果进行分析、总结，作出正确的结论；对一些特别重要的操作可利用虚拟实验的模拟实验模块反复演练，有利于巩固所学的知识。如在“血液凝固及其影响因素”实验中的颈总动脉插管操作，我室就反复模拟实验，在实验模拟过程中采取缓慢播放的方法，并且结合教师的详细讲解，让学生清楚地掌握实验的全过程，掌握手术操作技巧。第一次模拟实验，目的是为了让学生复习实验的全过程；第二次模拟实验，着重回忆操作过程中的细节，比如颈部切口定位、切口长度及“T”字形气管切口的方法，如何区别减压神经和迷走神经等；同时对实验中所出现的一些问题进行讨论分析，找出原因；对实验过程中出现的错误操作及时进行纠正和强调，并适当引导学生把实验结果与临床问题联系在一起，最后要求学生按虚拟实验模板完成实验报告。

3 教学效果评价

召集参与虚拟实验的180名学生召开师生座谈会，设计调查问卷，通过学生对客观问题的回答，分析总结学生对机能学虚实结合的实验教学模式的看法和建议。下发调查问卷180份，有效回收180份，回收率100%。学生对机能学虚拟实验教学模式的客观认可度结果见表1。

表1 学生对机能学虚拟实验教学模式的问卷调查结果（%）

4 讨论

虚拟实验室是由以计算机仿真技术为核心的虚拟实验和用于运行虚拟实验的网络结构等构成的实验室。其核心虚拟实验是指按照实验教学的基本要求，在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样运用各种虚拟实验器械和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真操作，完成各种预定的实验项目［3－4］，其优点主要体现在：①虚拟实验对学生熟悉实验内容、了解实验仪器、提高实验兴趣、拓宽知识面、降低实际操作中的错误发生等方面具有积极地作用；②通过虚拟实验来演示或进行操作，可以省去很多的实验费用，能使因实验成本过高而难以进行或真实实验中无法做到一人一组的实验顺利进行，增加了学生的实验机会；③便于学生课前预习和课下复习，便于学生进行探索性实验时选择合适的实验动物及对实验基本技能的掌握。VBL－100虚拟实验系统也存在一定的不足，如操作过于死板单一；实验项目较少，缺乏与临床结合的人体实验和在真实实验中没时间完成或很难完成的操作性实验；缺少实验相关的链接资料和临床案例；部分操作过程，如气管插管、动脉插管等的录像不太真实，太粗略，自主性和可操作性不强；应增强更清晰的实验原理介绍和实验注意事项，加大人机互动、减少录像成分；增加智能模块，使学生可以自己对实验进行设计并在电脑上进行操作，以培养学生的创新意识，提高学生综合分析问题、解决问题的能力。

［1］庄文献，杨 雪.医学机能学虚拟实验教学系统设计研究［J］.中国高等医学教育，2010（11）：47－48.

［2］戴淑芳，张蓓蓓，李连宏.医学机能虚拟实验室在多元化实验教学中的应用［J］.医学信息，2010，23（4）：849.

［3］徐 静，孙艺平，王冬梅.虚拟实验与真实实验在机能学实验中之比较［J］.医学与哲学，2009，30（6）：75－76.

［4］单美贤，李 艺.虚拟实验原理与教学应用［M］.北京：教育科学出版社，2005.

G642.0

A

1006－2769（2012）05－0941－04

2012－06－21

青海大学医学院教育教学研究项目（qyjg－2010001）

吴 穹（1977－），男（满族），青海西宁人，副教授，硕士，从事神经病理生理研究。