虚拟仿真实验技术在动物生理学实验教学中的应用探索

杨 迪，吴慧昊，王家敏，乔自林＊

（1.西北民族大学 实验教学部，甘肃 兰州 730030；2.西北民族大学 生物医学研究中心/甘肃省动物细胞技术创新中心，甘肃 兰州 730030）

虚拟仿真实验技术是近年来高等教育教学领域里继多媒体、网络技术之后的又一项应用类新技术，对虚拟仿真教学平台的建设与应用研究也成为目前高等教育领域的焦点。党中央已明确指示要强化人才培养的核心地位以及“双一流”建设的新要求，2018年中国高等教育国际论坛发起了建设中国“金课”的号召，再一次将依托高新技术的创新型虚拟仿真技术课程推到了新的高度[1]。教育部计划到2020年末启动1 000个“示范性虚拟仿真实验教学项目”[2]。

本文借助于西北民族大学实验教学部虚拟仿真实验系统，分析动物生理学课程的传统实验与虚拟仿真实验的各自特征，探究虚拟仿真实验技术在动物生理学实验教学中的应用和发展前景，为动物医学类专业实验教学的发展提供新思路。

1 传统动物生理学实验教学的弊端

动物生理学是动物医学类专业中一门至关重要的专业基础课。主要研究动物体的机能，如消化、循环、呼吸和生殖等，是涉及机体的调节和对环境条件变化——反应的学科，是生命科学的核心机能课程。由于该课程内容抽象，从书本和理论讲授时不易理解，实验教学就显得尤为重要。但是传统的实验教学多采用教师讲授与学生实操相结合的方式，在实验教学的过程中存在以下问题。

1.1 实验模式单一

传统的动物生理学实验教学模式形式单一，教师将实验仪器、试剂耗材等准备齐全，讲解实验原理、步骤后，学生只需对照实验指导进行操作。实验操作按照既定的规则进行，且在实验设置方面多为验证型实验[3]，导致学生只是刻板地完成实验内容，对帮助理解知识的效果有限，也不利于学生创新意识培养和教师教学能力提升。

1.2 学生对实验课的兴趣不高

在实验操作前教师通常会讲解实验操作要点，对于综合型实验，学生往往无法从语言中领会操作要点，实验失败的概率比较高，如影响尿生成的因素、血压测定、心血管活动神经体液调节以及影响血液凝固的因素等实验，通常都是教师帮助完成。由于实验耗时长、难度大、教师无法顾及多组学生同时进行，导致学生在实验过程中常常产生畏难情绪，畏惧失败，害怕动手，因此会影响学生对实验课的兴趣。

1.3 缺乏有效的考核模式

目前，许多学校尚无建立结合实际的实验课程考核体系，大多为传统地评阅实验报告的方式进行考核或成绩评定，不能有效地反映学生真实的实验情况以及实践操作的能力，亟待改革[4]。

2 虚拟仿真实验教学的优势与应用

虚拟仿真实验教学模式已经为实验教学开辟一种新的模式，是一种进步，也是计算机技术发展的必然结果。它有效地将教学内容从传统的书本集成到现代信息技术载体中，表达方式也从以往的静止的文字和图片转化成动态动画和视频，逼真的表达形式让教学内容更加容易被学生所接受。为生物医学类专业实验教学革新提供了新机遇，也为动物生理学实验教学提供了新理念和新思路。

2.1 虚拟仿真实验在动物生理学实验教学中的优势

虚拟仿真技术是在计算机平台，人机交互、网络技术等信息技术不断发展的基础上，将仿真技术与虚拟现实等技术相结合而产生的一种高级的仿真技术。与传统实验教学方法相比较，应用虚拟仿真实验辅助动物生理学的实验教学具备以下几个优势[5]：第一是真实感，当虚拟仿真技术与动物生理学实验相结合时产生的虚拟环境，可以让学生全方位地产生一种沉浸于真实环境的感觉。第二是交互性，虚拟现实是一个互动环境，学生可以在实验项目中选择需要的实验耗材、试剂，自主进行实验设计。不同的实验设计得到的实验结果也各有不同，有助于引导学生对实验原理的思考。第三是虚幻性，即环境是由虚拟仿真系统构建的，可以模拟现实中真实存在的环境。可以有效地避免传统实验中存在的危险，如家兔的有机磷中毒实验，虚拟仿真实验可以有效避免学生接触毒物而引起伤害事件的发生。第四是逼真性，虚拟环境与所模拟的现实极其相像，学生可以通过模拟实验还原手术环境。在实际操作之前感知实验场景，充分认识实验中可能产生的预期结果。

2.2 虚拟仿真实验在动物生理学实验教学中的应用

在动物生理学实验教学中运用虚拟仿真技术，将现实中难度大、有毒性和抽象实验利用虚拟技术系统实现简单、安全和具体地展示，与教师平铺直叙地讲解、学生机械式地重复实验步骤的教学方式相比，具有传统实验教学达不到的教学效果和意义[6]。

西北民族大学实验教学部的机能学虚拟仿真实验室由生物仿真数据库、局域网硬件平台以及虚拟实验环境界面几部分组成。在实验课开始前，学生能够在动物生理学实验室可以通过网络终端进入虚拟仿真系统，预习实验内容，观看实验操作视频。然后，使用动画模拟操作整个实验过程，自主选择需要的实验耗材及药品，模拟实验过程并记录实验结果。教师也可以为学生演示实验操作并评价学生的学习效果，以达到教学大纲规定的教学要求和培养目标。通过虚拟仿真实验系统，学生可以自主或在教师的指导下完成实验预习、模拟操作、预测实验结果等项目；不仅如此，随着移动终端功能的不断优化，虚拟仿真实验系统能够打破课堂界限，学生可以随时随地访问服务器，完成对实验的预习、模拟和复习。在考核方面，教师可以将笔试内容上传至服务器，进行实验网上考核以及网上阅卷；抽选模拟实验内容作为考核项目，考核学生的模拟操作能力。

动物生理学实验是学生对动物机体基本作用理论知识有了充分认识后在实践上的拓展。综合型、设计型实验往往是最能培养学生综合分析、实践创新以及操作能力的实验项目[7]。但是由于其耗时长、操作能力要求高等特点往往不易开展或实验成功率较低。因此，结合虚拟仿真实验系统，教师设计了多个综合型设计型实验，以培养学生的实验能力和科研素质。例如，综合型实验项目心血管活动的神经体液调节，实验开始前学生可通过服务器登陆虚拟仿真实验系统，通过动画演示观察心脏起搏点和收缩特性，掌握血压测定方法，加深对心血管活动的神经体液调节的理论知识的理解；然后观看实验操作视频，熟悉实验原理、方法以及实验步骤；最后利用模拟实验室，完成实验手术的操作模拟。利用该方法，不仅激发学生的学习兴趣，使学生充分理解实验目的和内容，将实验与理论知识相结合；更有利于提高学生实验的成功率，提高动物生理学实验课的效率，为今后学生独立开展科学研究打下基础。

3 结语

虚拟仿真实验教学模式实现了教学实践与信息技术的融合，已成为当今高等学校实验教学重要的教学工具之一。实践表明，虚拟仿真实验技术与动物生理学实验教学的结合，可以有效地提升学生的分析和实践能力，激发学生的学习兴趣，推动传统教学模式向信息化、智能化方向的变革。随着虚拟仿真技术的不断开发以及动物医学专业实验教学项目建设的不断深化和拓展，必将构建更多更优秀的虚拟仿真实验教学平台和实验项目，助力高水平动物医学专业人才培养体系建设，推动高等院校实验教学体系创新发展。