虚拟实验室应用于高等医学院校生理学实验教学的思考※

刘天华 郭 健 李海燕 程 薇 朱庆文 张 胜 高 蔚

(北京中医药大学中医学院，北京 100029)

1 虚拟实验室概述

虚拟实验室(virtual laboratory)的概念最早由美国弗吉尼亚大学的 William Wolf教授在1989年提出，将其用来描述一种可以综合各项工具技术，让用户突破时间和空间的限制，自由共享数据、开展实验的开放化平台［1］。近年来，虚拟实验室作为一种新型教学模式，受到了国内外越来越多的科研机构和高等院校的关注。其可以利用计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术等实现对实验设备参数的测定和实验操作的练习［2-4］。

国外对虚拟实验室建设与使用的研究起步较早，早在1985年美国国立医学图书馆便已对人体解剖图像数字化进行研究，并开展了虚拟解剖学、虚拟放射学、虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学。随着互联网技术的兴起与普及，1995年网络上出现了“虚拟青蛙解剖实验”，在这个实验中，实验者可以利用虚拟操作手术刀对青蛙进行解剖等实验操作，并且可直接地观察到青蛙的肌肉骨骼等组织结构［5］。我国对于虚拟实验室建设与使用的研究相比国外起步较晚，但近年来已取得长足发展［6］。2013年启动的国家级虚拟仿真实验教学中心建设战略，为国内高等医学院校虚拟实验室的建设与发展提供了良好的契机。

2 虚拟实验室应用于高等医学院校生理学实验教学的意义

生理学作为医学院校重要的基础课程之一，旨在研究人体正常功能活动的发生过程和变化规律并揭示其发生机制。通过生理学课程的学习，可以为后续基础医学和临床医学的学习奠定基础。生理学实验作为生理学课程的重要组成部分，不仅对学生理解和掌握生理学的理论知识具有重要的辅助作用，且有助于培养学生的观察能力、动手能力、实验数据分析处理能力及表达能力［7］。

遗憾的是，在高等医学院校生理学实验的实践教学过程中，实验失败的情况时有发生。以家兔动脉血压的神经、体液调节实验为例，需要学生完成家兔的颈部手术并进行颈总动脉插管，学生在实际实验过程中往往由于对实验步骤不熟悉，对实验理解不到位，以及实验操作不熟练等原因而发生动脉远心端结扎不紧、动脉近心端夹闭不紧、动脉插管刺穿血管、动脉插管脱出等情况，处理不及时则会引起实验动物大失血，造成动物死亡。这便要求学生在课前需要对实验的过程了然于胸，对实验中的难点做到心中有数。加之，由于受到实验动物、实验场所、教学时间等多方面因素的限制，很难保证每一位同学在所有实验过程中均有动手操作的机会。而在生理学实验教学过程中应用虚拟实验室，不仅可以借助先进的信息科学技术，为学生创造虚拟的生理学实验场景及对象，还可通过虚拟的方式引导学生按照相应的流程及操作规范完成实验的具体操作任务。此外，还可通过虚拟的方式对实验获得的生理学现象进行展现，并且能根据学生的实际操作情况及时给予反馈。故高等医学院校生理学实验的虚拟实验室建设工作尤为重要。

在高等医学院校生理学实验教学过程中应用虚拟实验室主要具有以下优势［3，5］：(1)虚拟实验室具有较高的应用自由度。学生在使用虚拟实验室进行生理学实验时，可以不受时空限制，随时随地参与和获取相关的教学资源，方便学生利用课余时间实现碎片化学习。(2)虚拟实验室可以激发学生的学习兴趣。学生可以通过观看视频、图片、动画等，直观、形象地理解和掌握相应生理学实验的实验目的、原理和操作流程等内容，增强生理学实验教学的直观性和有效性。借助计算机仿真技术对实验场景进行模拟，可以帮助学生切实感受到由于各种实验操作所造成的实验动物的生理反应，能够加深其对实验的体验，极大程度激发学生的学习兴趣，提高学生参与生理学实验的积极性与主动性。(3)虚拟实验室的应用可以提高生理学实验的安全系数。在传统的生理学实验过程中一直存在着由于操作不当等原因使得学生人身安全和仪器设备等财产安全受到威胁的危险。在生理学实验教学过程中应用虚拟实验室，不仅保障了在其使用过程中不会存在相应的潜在威胁，亦可以帮助学生进一步了解实验仪器、熟悉实验流程、掌握实验步骤，有利于在进行传统生理学实验时避免事故的发生。

3 高等医学院校生理学虚拟实验室应用评价体系构建建议

在生理学实验教学过程中应用虚拟实验室，无需实验动物，无需实验准备，即可帮助学生理解和掌握实验的原理、步骤及结果。预期其可以帮助学生完成对相关知识的预习、熟悉、理解及强化，辅助教师的实践教学，发挥优化生理学实验教学效果的作用。然而，在虚拟实验室应用过程中，如何基于高等医学院校的实际情况，对其应用效果进行科学、合理、系统的评价，是目前虚拟实验室应用于生理学实验教学过程中面临的重要问题之一。

对虚拟实验室的应用效果进行科学、合理、系统的评价，可以反映应用虚拟实验室的实际教学质量，是促进虚拟实验室发展的重要方法和手段，亦可为生理学实验教学方法的改进提供新的依据。然而，目前对于虚拟实验室应用效果评价的研究报道相对较少，刘旭光［8］曾根据非常规性原则、定量评价为主原则和学生为中心原则进行了虚拟实验教学评估系统的设计；刘玉娟等［9］曾依据层析分析法对虚拟实验教学的评估进行研究。

对于高等医学院校生理学实验虚拟实验室应用效果的评价，不仅需要借鉴传统实验教学质量评估的思想，还需要基于虚拟实验室本身的特点，不断探索和完善相关理论和体系［10］。这就要求在对生理学实验虚拟实验室应用效果进行评价时，既要基于学生对虚拟实验室实际使用的反馈数据，结合高等医学院校生理学实验虚拟实验室实际特点，建立和完善科学、合理的定量评价体系，又要考虑生理学实验一线带教教师对虚拟实验室应用效果的定性评价分析结果，以期系统、综合地分析和探讨应用虚拟实验室对提升高等医学院校生理学实验教学效果所发挥的作用。

综合文献调研结果及虚拟实验室实际使用特点，高等医学院校生理学实验虚拟实验室应用效果定量评价体系需要充分考虑虚拟实验平台软件系统、学生虚拟实验室的实际使用情况和学生获得的评价性成绩三大方面；①建议纳入虚拟实验室在实际使用过程中具体的故障报错次数、最大并发数及兼容性；②建议纳入学生的实际参与率、进行实验的次数以及每次实验的具体时间；③建议纳入评价性成绩环节的及格率、优秀率、平均分以及具体的实验成绩分布情况等多个指标。此三方面以期科学、定量的对生理学实验虚拟实验室应用效果进行评价分析，获得分析结果报告。

在定性评价分析环节，建议通过访谈等多种形式，取得一线生理学实验带教教师对先前未使用虚拟实验室的学生与使用虚拟实验室的学生在传统实验操作时对实验原理的掌握程度、实验步骤的熟悉程度、实验的成功率等方面差别的定性评价结果，并进行纵向比较和整理、分析。最终，结合定量评价体系分析结果报告以及定性评价结果，获得虚拟实验室优化高等学校生理学实验教学效果评价体系的具体结果结论。

4 结语

生理学实验虚拟实验室的建设是基于一种投入少、产出高、实现资源共享的全新教学理念，利用计算机软件建立与教学相关的一种信息化和网络化的虚拟生理学实验环境，使学生可以通过虚拟的方式进行生理学实验的学习。高等学校在生理学实验教学过程中应用虚拟实验室有助于实现碎片化学习，激发学生对生理学实验的学习兴趣，并且可以帮助学生进一步熟悉和掌握实验的原理、仪器设备的使用方法以及实验操作的具体步骤等内容，是高等医学院校生理学实验教学发展的必然趋势。

对于高等学校在生理学实验教学过程中应用虚拟实验室的实际效果评价，需要建立和完善科学、合理的定量评价体系，并综合定量评价体系的分析结果报告以及生理学实验一线带教教师对虚拟实验室应用效果的定性评价结果，进行全面、系统地分析。分析和探究应用虚拟实验室对提升高等医学院校生理学实验教学效果所发挥的作用，可以为进一步优化生理学实验教学体系与方法提供指导，具有十分重要的理论和现实意义。