医学虚拟实验平台在实验教学中的应用

谌新兴，龚兴牡，石慧娟，姚元春，朱耀峰，梁成青（吉首大学医学院，湖南吉首416000）



医学虚拟实验平台在实验教学中的应用

谌新兴，龚兴牡*，石慧娟，姚元春，朱耀峰，梁成青
（吉首大学医学院，湖南吉首416000）

摘要：医学虚拟实验平台采用计算机虚拟仿真技术和网络技术，在医学实验教学中发挥着巨大的作用，使医学实验操作简单化，有助于提高学生的积极性和学习效率。通过虚拟实验的真实感、立体感，使学生模拟实验的全部操作过程，可加强学生的主观能动性和对知识的理解力，使学生掌握基本的操作技能和运用知识的能力，克服传统教学方式呆板、师生间互动不足、趣味性不强的弊端，真正提升医学的实验教学价值。医学虚拟实验平台可为学生提供随时随地的实验服务，为虚拟实验远程教育的发展提供广阔前景。

关键词：医学虚拟实验；实验教学；资源共享

医学虚拟实验平台采用计算机虚拟仿真技术和网络技术，在无实验动物和无实验仪器的情况下，利用计算机模拟生物医学实验的全部操作过程。利用医学虚拟实验平台，学生可以通过虚拟实验的真实感、立体感、多媒体性，在没有真实实验条件的情况下，使学生仿佛身临其境地做实验，弥补了很多实验没有条件做的不足，加强了学生的主观能动性和对知识的理解力，使学生掌握了基本的操作技能和运用知识的能力。医学虚拟实验的真实感、立体感就如同动漫和3D电影一般，学生利用所学知识，模拟实验的全部操作过程。对于教师而言，医学虚拟实验平台能够起到辅助教学的作用，同时可以培养学生对生命的敬畏。对于学校而言，可以有效降低实验成本，提高教学质量。医学虚拟实验平台改变了传统的医学实验教学方式，学生通过开展网上仿真实验，就可以获得与真实实验一样的体验。同时实验教师也可以通过网络共享实验教学资源、指导学生实验、及时反馈教学效果，从而达到提升医学实验教学质量的目的。虚拟实验是指借助于图形、图像或仿真和虚拟现实等技术，在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境。虚拟实验教学是对传统实验教学的有效补充[1]。

实验教学是教学活动中的重要环节，有利于学生深刻理解理论知识、积极发挥主观能动性、进行科学研究与再创造，是从理论走向实践的桥梁，也是高校教学中不可或缺的重要组成环节。实验条件的好坏直接影响到学生动手能力、创新精神和综合素质的培养。随着高校扩招，传统实验室的设备和规模已不能满足学生的实验需求，学生的实验时间和实验空间都受到限制。尤其是在医学院校，医学实验的开展受实验动物以及试剂等诸多因素影响，且实验成本较高。随着计算机技术和网络技术的发展以及科研的进一步深入，虚拟实验技术日渐成熟和完善，实验教学改革也迫切地需要虚拟实验技术在教学中的应用能够早日从理论研究向实际应用迈进[2]。

医学虚拟实验技术是一门集自动化技术、计算机技术、通信技术、网络技术、虚拟技术和多媒体技术等而兴起的新兴实验技术，最早是一些国外的医学院及医院的人员使用。近年来，国内上海中医药大学、山东大学、南方医科大学、中山大学、天津中医药大学等已经成功入选国家级虚拟仿真实验教学中心，并且建立了虚拟仿真实验平台。

网上虚拟实验教学具有广阔的应用前景，但虚拟实验技术要求比较高，在实际教学中还未得到广泛应用，有关虚拟实验教学模式还有很多工作值得教育者去深入探讨。

1　研究内容

采用计算机虚拟仿真技术和网络技术，建立医学显微形态学虚拟仿真实验教学平台。医学显微形态学虚拟仿真实验教学资源的建设，使学生、教师可在任何地点通过网络进行虚拟实验的操作学习，没有客户端数量的限制，平台采用负载均衡技术，配合多线机房云服务器存储，使得访问速度更快。

2　研究目标

通过该项目的研究，制作医学实验仿真教学课件，建立医学显微形态学虚拟仿真实验教学平台及资源库，促进虚拟仿真技术在实验教学中的应用，持续推进实验教学信息化建设。

3　医学虚拟实验平台在实验教学中的应用

3.1情景设置

虚拟实验的情景设置需要运用计算机技术、网络技术、网络三维技术和多媒体技术等，从而创造出逼真的情景。只有这样，才能使学生产生真实的学习体验，增强学习兴趣。通过视觉、听觉等的刺激，使学生在虚拟情景中掌握知识，并迁移到真实的实践当中，能独立解决问题，并真正理解所学知识。另外，注重知识的呈现方式，分析学生现有知识、能力水平，适当地安排一些省略、空白或者令人感到奇怪之处，以激发学生的兴趣。虚拟实验系统不同于真实的实验室环境，实验者是通过用户界面与之交互作用的。因此，界面的设计要方便、美观、易于操作。

3.2过程模拟

在虚拟实验过程模拟阶段，学生通过观察、分析实验现象，处理实验数据，并根据反馈调整策略、澄清错误概念，检验自己的假设和实验设计方案，这有助于提高学生对反馈的反应能力以及对因果关系的敏感性。另外，在虚拟实验过程中，学生必须有意识地运用自己的经验，并用现有的知识综合分析实验结果。因此，要注重虚拟实验的真实性和智能化。真实性可以丰富学生在虚拟情景中的体验，智能化主要表现为可在实验过程中跟踪学生的实验进度，并适时地为其提出指导性建议。

3.3迁移学习

在开展虚拟实验时，学生应该学会运用迁移理论，其定义就是“在一种情景中获得的技能、知识或形成的态度对另一种情景中技能、知识的获得或态度形成的影响”。简言之，迁移学习就是一种学习对另一种学习的影响。在虚拟实验情景创设中，虚拟与真实学习情景的共同要素越多，迁移的程度就越高，反之，则迁移的程度越低；虚拟与真实学习情景的共同因素越多，迁移就越容易发生。迁移的发生依赖于学习者在虚拟与真实学习情景里对共同原理的掌握和运用程度。例如实验设备与实验环境是根据真实环境模拟开发的，只有创设逼真度高、现场感强的虚拟情景，对学生来说才能感觉到真实。

3.4总结评价

分析虚拟实验的进程、描述自己的感觉和反应，以判断自己的概念掌握程度以及分析和解决问题能力，意识到自己存在的问题和不足，并寻求新的解决问题的方法。同时，把虚拟情景与真实世界相比较，把虚拟实验和实际应用联系起来，即迁移学习，将在虚拟情景中掌握的概念和解决问题的方法运用于实际情景中，提高学生的自信心和灵活性。

3.5修改完善

通过对学生知识掌握、态度情感、能力培养方面的分析，进一步修改完善虚拟实验设计。分析学生是否通过虚拟实验达到基本的教学目标，如概念原理、实验仪器的结构及操作的掌握；是否培养了学生对实验的兴趣、热情，提高其积极性和参与度；是否能够增强学生对实际问题的解决能力等。

医学虚拟实验在无实验动物和实验仪器的情况下，利用计算机模拟生物医学实验的全部操作过程。在虚拟实验的过程中，学生可逼真地观察虚拟实验场景，真正做到直接、直观和及时了解某些动物实验的基本操作过程，熟悉实验步骤，厘清实验思路，弥补了传统教学方式呆板、师生间互动不足、趣味性不强的不足，被越来越多地应用于高校教学中，逐渐成为一种新型的互动体验式教学模式。作为一种有力的教学补充手段，虚拟实验为成功实施真实的医学实验奠定了基础。对学生而言，可以很好地完成实验预习，调动了学生的学习积极性；对于教师而言，能够起到辅助教学的作用；对于学校而言，可以有效降低实验成本，提高医学实验教学质量。

4　医学虚拟实验平台的优越性

虚拟实验系统能够大大节省常规的实验设备经费；由于硬件和软件的标准化、规范化，用户往往只需经历一次组建工作。虚拟实验系统利用网络技术，可使参与实验的人员在远程相互合作进行实验研究。

5　研究意义及补充

5.1加深学生对实验概念、原理的理解

虚拟实验系统通过计算机把教学内容、实验设备、教师指导和学生操作等有机地融为一体。借助仿真技术，虚拟实验系统直观地展示了仪器的三维全貌，并附加形象生动、图文并茂的使用说明书，加强学生对仪器的了解，有助于学生对实验从整体到局部建立起直观的感性认识，加深学生对实验概念、原理的理解。

5.2培养学生解决问题的方法和能力

虚拟实验省略真实实验中因仪器本身干扰或人为因素所造成的繁琐操作细节，引导学生将注意力集中在实验上，培养学生解决问题的方法和能力，能有效地避免在实际实验中出现的盲目操作和实验走过场的现象，提高实验效率。

5.3加强师生、生生互动合作学习

虚拟情景中学生之间的协作互动环境是较理想、较活跃的，因为在协作过程中，他们就某一项具体的任务进行交流并分享各自的观点，以使工作顺利进行。同时，以E－mail和BBS论坛等形式在学生与辅导教师之间建立起清晰、高效的对话渠道，加强师生间的沟通交流。

5.4教学方式灵活

基于因特网的虚拟实验教学模式不同于传统面对面的教学模式，它能够灵活地提供给用户（学生）不同的实验教学内容，用户（学生）可以根据实际情况确定学习内容和安排学习进程，从而可以最大限度地满足用户（学生）的不同需要。它突破了传统教学模式时间、地点、人次的限制，解决了传统实验教学长期受到课堂、课时限制这一问题，使实验教学在时间、空间上得到延伸。

5.5虚拟实验适合于发展网上远程教育

由于客观条件的限制，能够进入高等院校接受教育的人毕竟有限，网上的远程教育可以满足人们渴望获得知识的要求，虚拟实验为远程教育的发展提供了广阔前景。

参考文献：

[1]郑丹．网上虚拟实验教学模式的研究与探讨[J]．高校实验室工作研究，2008（3）：16－18．

[2]张晓萌．普通高等医学院校网络虚拟实验室教学模式的研究与探讨[D]．济南：山东大学，2012．

（*通讯作者：龚兴牡）

基金项目：湖南省普通高校实践教学建设项目（湘教通[2014]272号）

中图分类号：G40－057

文献标识码：B

文章编号：1671－1246（2016）02－0045－02