虚拟仿真技术对生理教学的影响

张艺佳

（毕节医学高等专科学校，贵州 毕节 551700）

一、背景

教育部于2013 年启动国家级虚拟仿真教学中心建设，并于2014 年与2015 年分别立项通过200 个国家级虚拟仿真实验教学中心建设。自2017 年开始，教育部计划建设1000 个国家级虚拟仿真实验教学项目。在该政策的引导下各大高校纷纷开展了虚拟仿真实验教学技术的建设。2017年教育部认定了105个虚拟仿真实验教学项目（立项数超过原计划5%），2018 年教育部认定了296 个虚拟仿真实验教学项目（立项数超过原计划18.4%）[1]。

二、虚拟仿真技术及其意义

（一）虚拟仿真技术

虚拟仿真（Virtual Reality，VR）技术是近年来发展的可以创建和体验虚拟世界计算机仿真技术，是多媒体技术的中级应用形式，也是计算机软硬件技术、传感技术、机器人技术、人工智能及行为心理学等科学领域飞速发展的结晶。利用计算机系统生成一种虚拟场景，是一种多元信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，提供使用者关于视觉、听觉及触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般的、及时的、没有限制的观察三度空间内的事物，拥有沉浸性、交互性以及构想性等多种特点。可带来高度沉浸、可交互的虚拟世界[2]。教育信息化逐渐成为当今教学改革的主流，虚拟仿真实验技术以计算机软件和硬件技术为基础，构造出一个云平台虚拟现实世界，学生可以足不出户与教师线上线下交互沟通，构建高度的仿真实验环境。尤其是在突发的新冠疫情影响下，传统的实验教学模式面临前所未有的巨大考验，许多需要学生亲自动手的实验课程面临停开的难关，在新兴技术发展的现代，传统的实验教学迫切需要转型，在这个难关口虚拟仿真实验教学项目的建设显得尤为重要。所幸自从教育部制定国家级虚拟仿真实验教学中心部署以来，各大高校纷纷开展了关于虚拟仿真实验技术的建设，并在不同的专业领域取得了良好的教学成果。

（二）虚拟仿真技术对于生理学的意义

基于生理学而言，它是一门实践与真理交互的学科，重点在实践，用实践来证明和阐述所学的理论知识，学生的实验过程与理论知识休戚相关。如，在理论中讲授降压反射，但学生理解起来比较困难，用在实践上，将哺乳动物的一侧颈总动脉夹闭10s 后血压升高，这个实验就很好的说明并证实了降压反射的原理，理论结合了实际。并且在实验过程中还能做到培养学生的创新意识、创新精神和创新能力。生理实验多以动物为主，在开课过程中有时会出现较血腥的场景，可能会引起不适的生理和机理反应；并且还需要学生具有较高的规范操作来保证学生的实验安全，而且实验所需要的动物也需要较高的资金支撑，因此在基础设施有限的情况下又要平衡每一位学生的实验时间和用物，为适应教育发展，在生理学教学领域开展了虚拟仪器构建新型生理虚实结合的教学模式，提高学习效率[3]。在传统教学模式的教学下，老师教授的理论知识学生并不真正能与实验结合起来，由于实验设施有限不能保证每个学生在每一次理论知识的学习之后就能够立刻进行实验，时间过长轮到学生进行实验操作的时候已经与理论知识脱节，只是木讷地跟着操作步骤照葫芦画瓢，没有办法培养学生的创新精神和创新能力。如果能完成实验和理论教学的无缝衔接，就可以很大程度上增加学生的学习兴趣，增强学生对知识的求知欲，不会有学了没法做，做了接不上的烦恼，大大提高了学生的学习主动性以及动手能力，能在动手操作的过程中进行自我反思，巩固知识。

针对这种教学模式，有实验随机选取56 名同学参与，随机平分成两组，一组为实施正常实验教学，另一组为实验组在正常实验课程基础上参与虚拟实验课程，对比两组学生综合学习能力，平均成绩以及学生满意度，通过对学生的考核，参与虚拟实验组的同学平均能力及满意度高于无参与虚拟实验组，且差异较明显，对比具有统计学意义(P<0.05)。可见，将虚拟实验应用于生理学实验教学中，不仅节约实验室资源成本，更有效提高学生综合学习能力，提高学生对课程兴趣以及对教学任务的满意程度，这种教学模式对提升生理教学效果的确发挥较好作用。

（三）虚拟仿真技术对于医学方面的意义

基于医学专业而言，虚拟实验教学过程包含丰富的信息与蕴意，涉及人文素养等方面单纯靠理论教学无法达到的教学目的，而虚拟实验教学在教授学生理论知识和能力培养方面，更注重强调学生的职业素养，通过反馈人物现象建立良好的思维习惯。不仅在生理教学上可以应用虚拟仿真技术，在临床专业课教学过程中或学生临床实习也可以使用虚拟仿真，学生可以身临其境于构建的虚拟病房、手术室、虚拟病人、实验室、药房等地，参与疾病诊断、外科手术、病患护理、药房配药等，不但使学生带来全新的感受促进学生学习兴趣的产生，还能提高学生的操作可行性。而且由于新冠疫情突发，各大教学医院不一定能满足医学生进行临床见习的需求，而且在教学医院不一定每一拨见习生都可以看到该课程的相应疾病病人，还要进行每星期的轮转学习，待到轮转学习之后，知识也衔接不上了。显然，我们需要开设实验仿真教学，创建这样的一个云平台，让所有学生都有实验可做的需求越来越迫切。让学生在实验的过程中真正的掌握知识内容，在学识扎实的基础上才能努力做到医学教育所传承的慎独精神。再者而言，医学专业的实验操作，许多需要严格的无菌意识，学生不一定都能时刻谨记这一原则，而给自己带来不必要的安全危害。比如在进行细菌培养的实验中意外造成自身感染，在使用酒精灯的时候造成自身烫伤等，教师在进行实验教学的时候也会考虑到种种可能发生的意外，但是又不能时刻监督每一个学生，在进行实验时的菌株便是非致病菌株或弱致病菌株，这在很大程度上降低了学生对实验安全意识防范。

在该专业领域有问卷证明超过60%的学生肯定了传统实验教学方法原理清晰、方法经典、操作简便和应用范围明确的优点；超过50%的学生认为传统实验教学方法存在偏重单一模块、缺乏系统性训练，缺乏反复练习机会，显微镜观察结果难以共享和一次示范难以掌握规范动作要领等缺点。分别有78.48%、72.15%、72.15%和65.82%的学生希望当前已开展的病原微生物实验室生物安全、PCR 法检测细菌耐药基因、病毒分离培养与检测、沙门菌的分离与鉴定等加入虚拟仿真教学；分别有82.28%、82.28%、74.68%、72.15%和70.89%的学生希望增设全自动细菌鉴定及药敏分析系统、全血DNA 的提取、实时荧光定量PCR、细菌特殊结构染色和细胞培养综合实验等新技术的虚拟仿真教学[7]。

三、虚拟仿真技术的优缺点

（一）虚拟仿真技术的优点

虚拟教学能够实现虚拟仿真和实际操作的优势互补，在培养学生动手能力的同时，更好地培养学生自主学习能力和创新精神，达到实验教学资源的优化及教学质量的提高。虚拟不仅能应用在生理学教学中，同时还可以应用在不同的学科中，如临床实践教学，护理实践教学和学生的实习指导。不但巩固了学生对知识点的理解，而且还提高了学生操作的能力，了解操作步骤。其次，在一定程度上节约了实验成本，可以弥补真实动物实验中的技术缺陷，在实体实验前使学生在虚拟系统上不断练习操作，从而在实体实验过程中可以避免因为操作失误而带来的动物实验成本问题。第三，在保护动物方面也得到了有效提高，减少了因实际操作对动物的伤害，保护了动物福利，也培养了学生爱护小动物的意识，从而提高医学生关爱病患的意识，思想和素质上得到了有效的提高。

（二）虚拟仿真技术的缺点

虚拟仿真教学也存在一定的不足，如后期维护费用较高，不能很好地识别学生在真实交往中所表现出来的个性差异，不能更好地体现教师在与学生真实的教学交往中所具有的教学机制和所具有的人格魅力等。虚拟系统前期投入使用，时间长了就要不断更新与维护，购买系统新型虚拟软件，维护费用较高。每个同学的学习风格、思维方式有显著的差别，比如有的是沉思型，有的是冲动型；有的偏于集中思维，有长于发散思维；有的长于逻辑推理，有的侧重直觉想象。而这些差异是网络教学无暇顾及也无能为力的，它唯一能区分学生之间差别的就是系统分配给他的ID 号，在一定程度上会影响因材施教。在现实教学过程（区别于虚拟教学），教师带着自己的全部身心和人生经验进入教室，他的心理状态直接影响他对学生的态度、处理问题的方式、宽容度、耐心、机智、以及满足与否等情感体验。整个教与学的过程被看成是生成的，而不是预设的。教师的面部表情、体态语言、褒扬鼓励之词都会在不经意之间改变学习者的学习态度，从而使一节课收到意想不到的效果，而虚拟仿真教学较为缺乏。

四、结语

虚拟仿真实验教学有利于促进学生理论知识的掌握及应用，有利于提高学生对教学的满意程度，有利于推动信息化教学的发展和资源建设，学生在虚拟场景中进行实践既可以达到教学的目的又可以进行资源共享还能提高学生的学习兴趣，激发学生的潜能，增强学生的学习积极性和主动性，而兴趣在学生学习动机中占主要地位。在教育学中学生的内部学习动机的产生和存在是推动和激发学生的学习行为最重要的部分。学生会主动的利用这一虚拟平台，便可以更加详细的进行实验，夯实基础从而促进学生对理论知识的掌握及应用。

随着信息时代逐步更新，教学模式也不断地发生一系列的变化，虚拟仿真实验技术的应用对于许多需要实验的专业而言，提供了模拟真实的场景，应用的计算机软硬件技术、传感技术、机器人技术、人工智能及行为心理学等科学，比传统实验方式更加方便全面，能让学生同时在线进行实验，该项技术在投入试验之后也取得了良好的反馈，毫无疑问该项技术对于教学模式的发展是有积极意义的，希望能在教学中得以广泛的应用。