机能虚拟实验室的建设与实践

罗怀青，韩 丽，衡建福，王 燕，蒋彭成，何建军

长沙医学院基础医学院， 长沙 410219

机能虚拟实验室的建设与实践

罗怀青，韩 丽，衡建福，王 燕，蒋彭成，何建军

长沙医学院基础医学院， 长沙 410219

虚拟仿真实验室具有较强的交互性、真实性、多感知性等特点。将其引用到机能实验教学中，建立机能虚拟实验室、搭建网络教学平台、开展机能虚拟仿真实验辅助教学，有利于增强学生的学习兴趣，提高学生的动手操作能力和自主学习能力，促进实验教学质量的提高。

虚拟仿真实验室；机能学实验；教学质量

实践教学是医学教育非常重要的部分，是培养学生从事医疗工作不可或缺的环节。机能实验教学是医学基础教学中的主要部分。当今，医学机能实验教学面临动物费用高、动物种类使用不多、实验设备贵且数量较少以及学生动手机会少等诸多问题。如何有效克服这些困难，增加学生动手操作机会，提高实验教学质量，培养学生实际动手能力和创新思维，是医学机能实验学改革的方向。因此，将虚拟仿真技术应用到机能实验学教学中，建立机能虚拟实验室具有重要的实际意义。

1 虚拟仿真实验室概念及现状

虚拟仿真实验室(The virtual/simulation laborat- ory，VL)，主要指在各种计算机系统中通过采用多种虚拟仿真技术实现不同的虚拟实验环境，使得实验者能够在接近真实的实验环境中，完成预定的实验项目[1]。它具有较强的交互性、真实性、多感知性等特点。虚拟仿真技术可依靠计算机的图形处理进行图像再现，与传统的图像再现手段(如电影、电视以及DV，等)相比，有着本质的飞跃[2]。虚拟仿真技术对图像的再现不仅仅局限于对实物的再现，它更多地被应用在超现实画面的再现上[3]。

虚拟实验室的概念是由美国弗吉尼亚大学(Un- iversity of Virginia)的威廉·沃尔夫(William Wolf)教授于1989年首先提出的，其初衷是为了方便不同实验室中的科研人员共享彼此的数据、仪器设备，并能交流思想和进行远程科研合作[4]。当前虚拟实验室应用在发达国家已十分普及，涉及到科研、教学、商业、娱乐等各行各业。近年来，国内虚拟仿真技术应用得到了较快发展，受到了高校教育界的青睐。其功能也由单纯的设备资源的远程共享，发展到依托虚拟资源、场景、模型等建立的网络协作平台。将虚拟仿真技术应用到机能实验学教学中，建立机能虚拟实验室具有较广阔的发展前景。

2 该校机能虚拟实验室建设内容

长沙医学院自2008年就拨专款和专员用于研究计算机技术在教学、考试、办公等方面的应用。现学校已建立了较先进的机能虚拟实验室，包括4个部分，即虚拟实验教学模块、实验报告模块、实验管理模块、师生交流模块。同时，搭建了网络平台以供学生自主学习。

2.1 虚拟实验教学模块

该校机能虚拟实验教学模块分为资料室、准备室、动物房、模拟实验室、考场五部分。资料室中介绍了生理学、药理学、病理生理学三门理论课和机能实验学相关知识。准备室介绍了机能常用仪器设备、器械、试剂、物品等性能、方法相关知识；动物房介绍实验动物的生理特性、生理常数和应用，所介绍的动物包括蟾蜍、大鼠、小鼠、豚鼠、裸鼠、金黄地鼠、家兔、猫、犬、猕猴，等；模拟实验室介绍了70个单项实验，每个实验项目由简介、原理、录像、模拟、结果等部分组成。单项实验所涉及的基础知识、基本原理、基本技能以及注意事项，大多采用Flash技术进行简洁、生动地介绍。实验步骤采用3D动画加Flash技术进行设计，学生可以自由、反复开展实验步骤操作训练；考场部分主要是通过大量的试题来让学生掌握基本知识，实现无纸化考试，可以节约大量资源。

2.2 实验报告模块

主要对学生完成实验后，提供相关的实验报告模板，供学生下载，由学生填写相关内容以及实验结果，完成后上传电子版实验报告，由教师进行批阅，并进行记录。

2.3 实验管理模块

由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。学生通过浏览器进行注册登录，登录成功后可浏览实验项目，查看实验的详细资料，预约实验项目及做实验的时间，在线发送和接受消息，进行问题讨论和实验登记，实验完成后可通过网络书写实验报告并提交报告。教师管理方面：可对实验内容添加、修改、整理、删除，批改实验报告，填写评语和成绩，提交批改结果，与学生进行讨论。仪器管理方面：对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理，以便实验使用。成绩管理方面：对学生的实验情况(实验次数、实验报告及完成情况)给出成绩，并进行统计分析及提供查询，等。

2.4 师生交流模块

教师和学生可以通过论坛进行充分交流，学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题发布到论坛上，教师可以将一些典型的问题提出来，供大家探讨。学生在这种宽松的环境下发表自己的见解，教师从中可以及时得到实验教学的反馈信息，以便整改。

3 该校机能虚拟实验室应用及效果

如何科学地使用虚拟系统进行教学，吸引和提高学生的积极性，促进教学质量的提高是值得探讨的。许多高校将虚拟实验系统用于学生业余时间训练，作为现实实验的补充，没有把虚拟实验教学纳入到教学计划中来，导致虚拟实验室作用发挥不足。因此，学校机能实验教学组经研究，改善机能虚拟实验室应用方法，促进学生主动进入虚拟实验室学习，教学效果明显。

3.1 方法

将2013级临床专业班300名学生作为改革对象，随机分为普通班和教改班。普通班：采用“教师课堂上讲解实验目的、原理、方法，然后教师进行示教，学生课后完成实验报告书写”的传统教学模式。机能虚拟只供学生业余时间学习。教改班：第一次上机能课时，引领学生进入机能学虚拟实验室，给学生讲授虚拟实验室的操作方法、包含内容及特点；然后每次实验下课前都交代学生认真预习下次实验操作步骤，复习该次实验内容。另外，精选现实无法开设的虚拟实验项目纳入到教学计划中，专门开设一次高难度、高风险的虚拟实验项目教学。

3.2 评价方式

对两个班用相同考题进行考核，结果进行统计学评价。对两个班学生在家兔耳缘静脉注射术、动脉插管术、气管插管术、蛙心插管术等项目操作中所用时间进行统计评价。

3.3 统计学方法

对两个班学生考试成绩的分析采用SPSS 16.0 统计软件进行t检验，以P<0.05为差异具有统计学意义。

3.4 结果

两班学生期末操作成绩比较，教改班学生的操作成绩与普通班比较差异有统计学意义(t=4.028，P<0.05)，如表1所示。

表1 教改班与普通班期末成绩比较

两班学生在平时实验操作中，开展家兔耳缘静脉注射术、动脉插管术、气管插管术、蛙心插管术等项目，所需时间比较，如图1所示。

图1 教改班与普通班具体项目操作时间比较

4 讨论

机能实验学是以活体动物为研究对象的一门实验学科。机能实验教学中学生操作时间不足、实验失败率高和动手机会少等是教学过程中的普遍问题[5-6]。将虚拟仿真技术运用到医学机能学教学中，建立机能虚拟实验室，搭建网络教学平台，学生使用不受时间、地点的限制，如学生可以在寝室、实验室、图书馆等场地使用虚拟实验室进行学习。受益面广泛，可以多年级、多次数进行学习，大大提高了实验效果。然而，许多高校没有将虚拟教学纳入到教学计划中来，只是供学生业余时间训练用，很难有效促进学生自觉地进行虚拟学习。学校通过研究将机能虚拟项目有目的地纳入到教学计划，积极引导学生时常进行虚拟训练，促使学生自觉训练。这种教学改革方法在临床专业学生中运用比较显示：改革班学生动手操作能力大幅度提高，学生自主学习能力明显提升，学生考核成绩明显提高，较好地培养了学生自主学习能力和终身学习能力，值得推广。

[1]李春艳，易烨.虚拟仿真实验室的建设与实验教学的改革[J].中国管理信息化,2014,17(24):114-115

[2]门秀丽，赵利军，孔小燕，等．虚拟仿真实验系统在病理生理学教学中的应用[J]．基础医学教育，2013，15(2)：148-149

[3]谭珂，潘新华，高原．医学虚拟仿真教学环境的构建[J]．中国医学教育技术，2012，26(5)：535-538

[4]王燕，罗怀青，衡建福.机能实验学虚拟实验室建设与应用[J]．医学与法学，2012，4(4)：376

[5]李从德．加强学科融合促进机能实验教学改革[J]．教育教学论坛，2013(52):45-46

[6]黄念芳，杨敏．充分发挥机能学实验室在现代医学教育中的作用[J]．医学信息，2013，26(8):15

Construction and practice of the virtual laboratory of function

LuoHuaiqing,HanLi,HengJianfu,WangYan,JiangPengcheng,HeJianjun

SchoolofBasicMedicine,ChangshaMedicalCollege,Changsha410219,China

The virtual simulation lab is strongly characterized by interactivity, authenticity, and multi-perception. Introducing it to establish the virtual laboratory of function, constructing a network-based teaching platform and carrying out virtual simulation-assisted teaching of functional experiments can help to arouse students' interest in learning, improve their hands-on ability and autonomic learning ability, and ultimately uplift the quality of experimental teaching.

virtual simulation laboratory; functional experiment; teaching quality

湖南省教育厅教学改革项目[2013(223号)]

2015-05-04

罗怀青(1978-)，男，湖南耒阳人，硕士，副教授，主要研究方向：生理学和机能实验学教学及改革。

何建军(1974-)，男，湖南衡阳人，博士研究生在读，教授，主要研究方向：高等教育与管理。 电话：0731-88602607；E-mail:BUCKS215@163.com

G434

A

1004-5287(2015)05-0532-03

：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201505016