人体实验、动物实验及虚拟实验三位一体生理学实验教学改革探讨*

◆徐晓 吕心瑞

0 引言

医学中关于疾病问题的理论研究是以人体生理学的基本理论为基础的，因此，生理学是医学相关专业学生的一门必修课。而生理学的理论知识多来自对实验现象的观察、分析和总结，这也决定了其是一门实验性学科。人体及动物生理学实验不仅要求学生理解基本的生理学理论知识，还要求其掌握规范的生理学操作技术，更重要的是要引导学生学会运用已知的理论和技术去探索未知世界的方法[1]。传统的生理学教学以课堂理论教学为主，实验教学作为补充。但是随着学科的发展，压缩以知识探究为目的的理论教学，增加以能力建设为目标的实验教学，成为新时代生理学教学改革的方向。

生理学实验根据实验对象不同，可分为人体实验和动物实验两种。目前，在大多数院校的生理学实验教学中，由于动物实验的干扰因素较少，可控性与可操作性较强，因此，动物实验的比例远高于人体实验，导致缺乏与临床技能学习的衔接。人体实验直接针对临床人体生理实验技能，探究人体机能变化的规律和机制。为了实现基础教学与临床思维的早期结合，构建以学生为中心的教学方式，人体生理学实验越来越受到各医学院校的重视，成为生理学实验教学改革的方向之一[2]。但是人体实验实施过程中受到伦理学的限制，须在保障人体健康无损的前提下才能进行，所以目前很多高校在生理实验教学中能用到的人体实验非常有限。

虚拟实验是近年来蓬勃发展的一项高新技术，它利用计算机系统生成类似真正现实感觉的三维空间，学生在该空间中可以感受到现实氛围[3-4]。笔者尝试利用虚拟实验系统模拟人体实验，并在此基础上将人体实验和动物实验做三位一体化整合。

1 传统生理学实验教学方法

传统的生理学实验教学一般沿用学生课前根据实验指导进行实验的预习，上课时教师首先对本次实验目的、原理以及实验步骤中的重点和难点进行讲解，然后学生进行实验操作完成实验，课后学生完成实验报告的模式[3-5]。因受限于高校的实验器材、教师资源、课时等因素，学生无法进行预实验，教师无法做示教，而生理学实验对学生的动手能力和团队协作要求较高。所以，在实验的实际操作过程中，尤其是首次动物实验，由于手术器械使用不熟练、小组成员分工不明确等因素，导致实验时间大幅延长，甚至仅动物的捉拿与麻醉环节就要消耗学生的大部分时间。而且，多数生理学实验需要保证实验动物的基本生理活动，操作过程中任何一个环节出现失误，都有可能导致动物死亡，将使整个实验无法继续进行，必须重新开始。即使是同一个实验，由于学生的预习完成度、理解能力或动手能力不同，也会造成不同组之间巨大的差异，甚至出现有的实验组已顺利完成所有实验项目，而有的小组才刚刚麻醉结束，导致实验无法在限定的课时内完成，和学生后面的课程相冲突，不得不草草结束[6]。也存在少数学生因为主观能动性不高或者害怕动物等原因而主动放弃参与实验过程。

在人体机能实验中，学生既是实验者又是实验对象，扮演双重角色，有利于激发兴趣、自我实现，易于自我驱动解决这种问题。但为数不多的人体实验（如血型鉴定、心电监护、动脉血压的测量、心音听诊等）虽然与临床紧密相关，但较基础，并且没有加入因素的变化，无法与理论课知识做辩证推理，导致学生仅仅完成实验的操作和仪器设备的使用，缺乏对于理论知识的理解与巩固。

由于师生配比的原因，教师难以监控到每一个小组的全部实验过程，对于学生在实验过程中的有些不规范操作无法及时发现并纠正。目前，多数高校生理学实验课考核的主要依据是实验报告，但多数人体和动物实验的结果可以根据理论知识进行预测，甚至有的实验组即使实验失败，学生也可以通过网络获得实验数据或者使用其他实验组结果，并撰写甚至是拷贝实验报告，不深入探讨、总结实验失败原因。同时，由于教学经费、动物实验资质、实验场地、实验设备、教学时间等因素的限制，导致有些生理学中的经典实验无法实施，也无法保证所有学生每次实验都有均等的操作机会。因此，不管是人体实验还是动物实验，传统教学模式的最大问题是很多理论知识无法通过实验验证，学生在整个实验过程中只能被动地接受教学安排，没有独立思考的机会，难以激发兴趣，不利于提升分析问题和解决实际问题的能力，导致主观能动性较差。

2 虚拟实验教学方法

虚拟实验采用计算机虚拟仿真技术模拟出与真实实验课程相似的实验环境，然后学生通过计算机实现对实验设备参数的测定和实验操作的练习。近年来，该技术受到越来越多高校的重视[7-9]。

虚拟实验通过视频将实验的过程完整清晰地展示给学生，并且可以分步反复观看，能让学生更为直观地了解实验中的每一个步骤。在每次实验课之前，每一位学生都可以自主安排时间通过虚拟实验平台预习实验，并模拟实际操作过程，了解操作中的重点与难点，将自己实验操作中的薄弱环节在虚拟平台上反复演练。这种教学方式可以激发学生的参与性，大大提高现实操作的成功率。通过技术手段，任课教师在后台可以观看每一位学生在虚拟平台的实验操作过程，及时发现实验过程中的不规范操作或者共性错误，在实验课中给予提醒和指正。由于虚拟平台中实验结果都是可预测的、理想的，因此，当实验课上的结果与之有差异时，可以激发学生探究问题的动力。课后，虚拟实验平台不仅可用于复演实验，也可纳入实验与理论结合的试题，进行理论知识复习。

除此之外，虚拟实验平台还可以模拟人体实验，并展示病理生理状态的虚拟病人，作为对真实人体生理学实验的有益补充。比如心音听诊实验，在学生完成正常心音听诊后进行虚拟实验，模拟不同病理状态下的异常心音，并将病理改变通过画面同步展示，不仅可以提高学生对正常心音的认识，还生动地与临床进行联系，激发学生的学习兴趣。

虽然虚拟实验不受实验场地、动物和时间限制，弥补了传统实验不可重复的不足[10]，但是在虚拟实验过程中，学生并不是真正地参与到实验中来，无法通过操作锻炼动手能力与协作配合，容易造成眼高手低，甚至有的学生流于形式。因此，虚拟仿真实验教学系统在生理学实验教学中应用仍然存在一定的局限性[11]。

3 人体实验、动物实验及虚拟实验三位一体化

目前，多数院校在所开设的生理学实验课程中常常把人体实验和动物实验分开进行。这种设置造成学生在进行每一个实验时都会彼此孤立，缺乏联系性。而有些实施的人体实验和动物实验同属于一个系统，它们之间其实既有联系，又有区别。

利用虚拟实验平台重新设计实验课程，不但可以设计模拟更多的人体实验，也可以将人体实验和动物实验有机地联系在一起，比如动脉血压的测量（人体实验）与影响动脉血压的神经体液因素（动物实验）可以相互结合进行。在传统的教学中，动脉血压的测量实验中的重点是要求学生掌握血压的测量方法与血压计的使用，这是一个静态的人体实验。而血压的影响因素则在动物实验中进行，传统教学中由于学生首次涉及动脉插管，并要进行三根神经的分离，实验中经常出现动物大出血或者神经分离中断裂等问题导致实验成功率较低。而现在通过人体、动物及虚拟实验三位一体化，学生可以通过虚拟平台预习实验，在实际操作中降低失误，提高实验的成功率并压缩实验时间，进而在有限的学时里可以将两个相关实验进行结合。通过虚实联动的人体运动生理学实验，学生可以先在跑步机上锻炼，在系统中检测实时动态心率、血压、心电图以及呼吸状态；再在动物实验中验证刺激动物心交感神经对心率和动脉血压的影响，然后联系到临床，焦虑紧张会引起高血压等。

还可以在虚拟平台模拟一些无法开展的有损人体健康的人体实验，以及模拟有些人体反射实验中的神经的传导过程，这些均可以与现有的动物实验相互结合。比如可以在虚拟平台中模拟腱反射的神经传导过程，将其与神经动作电位的传导实验相结合。待学生完成若干个章节的学习后，还可以通过虚拟平台将不同系统的人体实验和动物实验加以整合。比如学生在虚拟系统里预演血糖升高后血液系统、泌尿系统以及内分泌系统生理指标的变化，在实验课上学生饮用高浓度葡萄糖后检测血糖浓度、血浆渗透压以及尿量变化等（人体实验），同时结合尿生成的影响因素实验（动物实验）。这种结合不仅可以帮助学生对各章节的内容融会贯通，也紧密联系临床，激发学生的兴趣，提高其学习的积极性。

4 结束语

总之，通过将人体实验、动物实验及虚拟实验三者有机地结合在一起，可以在目前情况下充分利用实验学时，使学生将课堂上学习的理论知识及时有效地在人体和动物体内得到实践，一方面优化教学资源配置，另一方面帮助学生将实验技术和临床联系起来，提高学习质量。