虚拟仿真实验在基础医学概论实验教学中的应用

孙雪莲　刘渊　彭岳

【摘 要】本文论述虚拟仿真实验在基础医学概论实验教学中的运用，分析基础医学概论课程的特点及实验课的意义，以及该课程实验教学中存在的不足之处，探讨了应用虚拟仿真实验教学改革基础医学概论实验课的必要性和可行性，提出利用虚拟仿真实验教学系统，在验证性实验的基础上增加综合性、设计性实验，以优化实验教学的内容，引入PBL教学法改革实验教学的方法和手段，建立多元化的实验考核方式，以加强实验教学改革。

【关键词】虚拟仿真实验  基础医学概论  实验教学改革

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）11C-0082-03

随着信息化时代的到来，以网络为基础的各种知识学习逐渐成为全世界教学发展的一种趋势。虚拟仿真实验教学应运而生，它是利用计算机创建一个虚拟仿真的实验操作环境，通过模拟现实的实验环境，对仿真试剂、人体组织器官、实验动物或标本等进行虚拟操作，实现对学习操作人员的各种感官反馈的模拟，以达到与真实实验一致的教学目的和要求。与传统的实验相比，虚拟仿真实验不受教学资源的限制，具有开放性、资源共享性、交互性、先进性、安全性、内容丰富、体验逼真等特点，是未来理论教学的有益补充和实验室建设的主要发展方向。

基础医学概论是供护理学、药学、法学、心理学、医药营销、公共卫生、社会保障、医疗保险、医学信息工程等医学相关专业类人才培养设置的一门基础课程，涵盖了人体解剖学、组织胚胎学、生物化学与分子生物学、生理学、遗传学、病原生物学、免疫学、病理学等多门课程的内容。为适应教学发展的需要，帮助学生了解医学全貌，掌握必要的医学基础知识，自2009年以来，广西中医药大学护理学、药学、中药学、口腔医学、医药营销等专业开设了此门课程。由于课程知识跨度大，涵盖的内容广，学生基础知识薄弱，在学习过程中普遍感到理解困难，所以通过实验教学巩固基础知识，加深学生对相关知识的理解，掌握医学实验、检验及基本诊疗方法，就显得特别重要。

一、基础医学概论实验课的意义和存在的问题

（一）基础医学概论实验课在教学中的意义。医学基础的各类课程大多实验性很强，许多学术理论，各种学说、设想和结论都是从实验结果得出的，并不断通过重复实验得到验证。基础医学概论作为一门将基础医学领域里的多个学科密切联系起来的综合性课程，实验课的开设是为了加强多学科知识间的相互关联性，使形态与功能、基础与临床之间的内容有机结合，这不仅是提高教学质量的重要手段，也是一个培养学生的思维能力、实践操作能力和科研创新能力的重要平台。

（二）基础医学概论实验课存在的问题。目前，我校基础医学概论实验课的授课量只占20学时，相比起其丰富的理论教学内容来说，实验课时偏少，造成部分实验课的内容得不到学习，学生学得不精，教学质量难以保证。实验内容主要以人体解剖学、生化学和生理学等学科的基础性、验证性实验为主，缺少综合性、设计性实验，不利于学生职业技能的培养。实验教学的手段和形式比较单一，一般都是教师先讲解实验步骤，然后学生机械式地照做，缺乏对实验设计的思考，这在培养学生自主学习的能力与创新能力方面存在缺陷。另外，随着高校招生规模的扩大，实验仪器、设备耗材等教学资源相对不足的问题逐渐凸显，使得一些有特殊生物安全要求的实验没有机会进行，造成学生对这方面知识的掌握薄弱。

基于上述基础医学概论实验教学中存在的问题，构建一个既能节约成本、降低实验资源消耗，又能丰富拓展实验教学内容的虚拟仿真实验教学平台，对减轻高校教学资源的压力、丰富实验教学的内容、提高学生对实验课的兴趣和增强学生实践能力的培养具有重要的意义。

二、基于虚拟仿真实验改革基础医学概论实验教学

（一）广西中医药大学开展虚拟仿真实验教学的基础。2016年，广西中医药大学整合解剖学虚拟实验、机能学虚拟实验、病原微生物学虚拟实验、形态学虚拟实验、细胞与分子生物学、医学化学、护理学虚拟实验、中医学虚拟实验、药学虚拟实验、生命科学、临床前基础医学综合案例思维训练等教学资源，建立了涵盖基础医学、临床医学、护理学、中医学、药学等多学科的自治区级中（壮）医药虚拟仿真实验教学中心。该中心是广西中医药大学中西部高校基础能力建设项目—— 中医药壮瑶医药实验教学中心的重要组成部分，也是作为医学院校真实实验的有力补充，它丰富了实验教学资源，有效地补充了学校部分真实实验暂不具备的条件，提供了可靠、安全和经济的实验项目，并可突破时间和空间的限制，便于学生安排好自己的学习时间，强化了学生对医药学实验知识的学习，搭建了共享的实验资源平台，值得推广应用。

（二）优化基础医学概论实验教学的内容。传统的实验课教学主要以验证医学理论、演示实验现象为主要内容，缺乏系统性，制约了各学科之间知识的交叉融合，与大学生素质教育的培养不符合。因此，根据医学相关类专业人才培养的专业特点和教学要求，以培养学生的素质和能力为目标，我们把基础医学概论实验设计为从基础到前沿、从接受知识到能力培養的教学内容，包括基础性实验、综合性实验与设计性实验。

1.基础性实验。主要包括各学科最基本的实验操作和技能，由观察与验证实验组成，要求学生掌握解剖学形态和组织学结构，然后在掌握形态结构的基础上理解各系统的机能及其调节，根据我校中（壮）医药虚拟仿真实验教学中心不同学科的实验分类，挑选以下内容开展虚拟实验教学：①进入解剖学虚拟实验室，进行三维人体观察（包括皮肤、肌肉、关节、骨骼、内脏、心血管、淋巴、神经等）以及大体标本观察（包括脊柱、关节、肌组织、各系统器官等），掌握正常人体各系统组织器官的基本形态结构。②进入细胞与分子生物学虚拟实验室，学习细胞基本结构的普通光镜观察和分析，为光学显微镜的使用打下基础;学习移液枪的使用，掌握正确使用移液枪进行移液的方法。③进入形态学虚拟实验室，从微观层面认识人体各系统器官的组织结构，为将来的病理学、诊断学、内科学、外科学等知识的学习打好基础。④进入机能学虚拟实验室，学习家兔的基本操作综合实验：包括术前准备，气管、颈动脉、颈外静脉插管，中心静脉压测定，颈部迷走神经、交感神经、降压神经的分离等技术;学习大鼠手术实验操作：包括大鼠的抓取与固定、分组与编号、给药方法、麻醉、取血、主要脏器识别、处死等方法;学习蟾蜍手术实验操作：包括术前准备、离体心脏制备、神经肌肉标本制备、神经干标本制备等方法。只有掌握好以上动物实验操作的基本技术，才能进行下一步机能类动物实验的学习。接下来我们选择几个代表性好、理论知识典型、内容比较重要，学生也普遍感兴趣的呼吸、心血管及神经系统的相关实验内容，主要包括：呼吸运动的调节，心血管活动的调节，动脉血压的调节及减压神经放电实验，中枢神经系统实验等。通过这些实验的学习，达到巩固理论知识，掌握机能学基本的实验操作技术，也为今后诊断、外科的各项操作打下良好的实践基础。

2.综合性实验。实验设计体现综合性，内容涉及一门课程的两个主要章节以上的多个知识点或两门以上相关课程的综合知识，学生需要应用这些不同的知识和技能方可完成实验。比如机能学虚拟实验室里的多因素对呼吸功能调节的综合实验，实验目的有两个，一是通过模拟气道阻力与死腔气量增加、吸入氮气和二氧化碳、酸与碱的中毒、气胸、肺水肿、药物等影响外呼吸功能;二是观察与分析多种因素对呼吸运动的影响，以及呼吸运动改变时血气变化与心血管系统的相应改变。这项综合性实验涉及实验动物学、解剖学、生理学、生物化学、药理学等多个学科的相关知识，多学科的知识综合在一起，为完成共同的实验目的服务。又如机能学虚拟实验室里的离体心脏灌流综合实验、微循环灌流与血液动力学综合实验、坐骨神经—— 缝匠肌综合实验、影响尿液的生成综合实验等都属于这一类实验。对于医学相关专业的学生，我们建议学生选三项自己感兴趣的实验进行学习，这些综合性实验能进一步强化学生的实验操作技能，提高学生综合运用知识和技能分析问题、解决问题的能力。

3.设计性实验。是对拟定的研究目标进行的一种具有新见解或创新性的实验，它体现了“以学生为主体，教师为主导，以知识传授为基础，学生能力培养为核心”的教学理念。根据我校中（壮）医药虚拟仿真实验教学中心已有的虚拟实验教学资源，我们拟定几个仿真虚拟实验让学生自学，然后学生根据自学内容自选题目、查阅文献资料、设计实验方案、分组参与实验讨论。比如教师拟定的仿真虚拟实验有：大蒜素体外抑菌实验、ABO血型的鉴定、用PH计测定醋酸的电离常数的实验操作。学生利用校园网在线学习细胞与分子生物学虚拟实验：大蒜素体外抑菌实验，掌握细菌培养基的制备方法、细菌的密集划线接种方法以及大蒜素抑菌环的敏感度判断方法，然后根据所学的实验知识举一反三，触类旁通，自己设计“不同中药的抑菌作用”实验方案。通过学习机能学虚拟实验：ABO血型的鉴定，掌握血型测定、消毒采血的操作方法以及正确判读血型鉴定结果的方法，然后根据这些知识设计“同学间ABO血型的鉴定”实验。通过学习医学化学虚拟实验：用PH计测定醋酸的电离常数的实验操作，掌握PH法测定醋酸电离常数的原理和方法，学会使用PH计，根据所学的实验知识设计“唾液淀粉酶最适PH值的测定”实验等。有问题或有困难可以查阅文献资料，在线上询问老师，线下分组讨论解决。设计性实验让学生通过自选题目、查阅相关文献资料、设计实验方案、分组参与讨论等，提高了学生的自学能力和创造性思维能力，同时，设计性实验以实验小组为单位，共同参与讨论实施，使学生在学习知识的同时也培养了团队协作的精神，增强了沟通合作及协调能力。

（三）改革实验教学的方法和手段。传统的基础医学概论实验教学方法是教师先讲授实验内容，然后学生按照老师的操作重复实验即可，这种教学方法形式较单一，造成学生过于依赖老师，普遍缺乏兴趣，不利于学生创造性思维和能力的培养。为此，我们在传统教学方法的基础上引入“以问题为基础”的学习方法（Problem-based learning，PBL），比如在学习组织胚胎学的相关知识时，要从微观层面认识人体各系统器官的组织结构，这就要求学生首先要学会使用显微镜，教师可以在相关理论课讲授结束时提出几个问题：同学们，你们了解显微镜的构造及其正确的使用方法吗？假如给你人体某一器官的组织切片，你能用显微镜观察它的结构并准确判断出它是什么器官的组织吗？然后让同学们带着这些问题，利用课余时间登录我校中（壮）医药虚拟仿真实验教学中心系统，自学相关实验内容，获得一个感性的综合的认识，这样在后期真实的实验课过程当中，就可以缩减教师示教的时间，教师可以腾出更多的时间指导实验有困难或有问题的同学，参与指导学生实验小组的实验讨论，促进师生之间的互动交流，调动学习气氛，培养学生团队合作的精神。此外，教师还可以及时引导学生思考总结实验原理、优化时间条件、甚至设计新的实验，使实验教学进一步向纵深拓展，这样培养了学生独立思考、举一反三的创新能力。

（四）改革实验教学的考核。实验考核是对实验教学效果的检验和反馈，改革旧的、教条的、单一的考核方式，建立多元化的考核方式，是“以学生为中心”的教育理念的需要。我们将学生所学的相关虚拟仿真实验的章节测试成绩，纳入平时实验成绩，加上实验报告、实验技能操作以及实验设计方案等，从这几个方面综合评价学生的实验成绩，并且提高实验成绩的比重，实验成绩应至少占到期末總成绩的30%。

三、虚拟仿真实验教学的运用所取得的初步成效

我们将2016级药学专业的236名学生的基础医学概论实验采用了改革后的课程内容设置。改革后的实验教学内容涉及解剖学、组织胚胎学、生物化学、机能学、微生物与免疫学等各个学科，遵循了从基础到前沿、由浅入深、从接受知识到运用能力培养的学习过程，整体实验安排循序渐进，全面性、综合性和实用性更强。

学生利用虚拟仿真实验系统反复模拟实验操作，对实验原理的理解和掌握得到加强，提高了实验教学的质量。学生可不受时间和空间的限制，在课后或假期进行实验，减少了真实实验仪器操作前的准备和检测时间，把有限的时间留给具体的实验操作，提高了实验效率。实验项目虚拟化后，使得教学效果不变，却不消耗实验资源，大大节约了实验成本。虚拟仿真实验补充了真实实验不具有的新技能和新技术项目，丰富拓展了实验教学的内容，提高了学生对实验课的兴趣。学生在实验知识学习过程中的主体性有所加强，其自学能力、理解能力、实践能力、创新能力和团队合作能力均有显著的提高。教师在课堂上担任的角色也发生了翻转，由知识的传授者变成了教学资源的开发者、教学的指导者和帮助者。师生之间得到良好的互动交流，活跃了课堂气氛，增强了学生的学习兴趣。

随着信息化时代的发展，虚拟仿真实验教学必将成为高校实验教学的重要组成部分。国内外很多高校已经开发构建了医学虚拟仿真实验教学中心，用于医学领域的教学和科研，可见其应用前景广阔，必将成为当前实验教学改革的热点。

实践证明，将虚拟仿真实验教学应用在基础医学概论实验教学中，符合该课程实验教学改革的方向，将为医学相关专业的实验教学开辟新的天地。目前，利用虚拟仿真实验教学补充完善基础医学概论的实验教学改革还处于探索阶段，在实验教学过程中，还需要我们不断努力，为培养具有良好的创新精神和实践能力的高素质人才提供一个广阔的医学实验教学平台。

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