虚拟仿真系统在高职药理学实验中的应用*

李子玄 江增宏 陈天宇 卢佳佳

合肥职业技术学院医学院,安徽省巢湖市 238000

目前,我国教育信息化不断深入,医学虚拟仿真技术也取得了较大进步,在新一轮职教改革的浪潮中,虚拟仿真教学崭露头角,并逐渐成为重要的引领技术之一。国外高校如麻省理工学院、英国开放大学等凭借信息技术的快速发展,纷纷建立虚拟仿真实验平台,不断探索实验教学理念、模式、手段的变革[1]。国内高校借助虚拟仿真技术,也在进行全方位、多层次的教学革新。

高职医学院校中药理学是一门重要的桥梁学科,它连接着基础医学和临床医学,同时药理学也具有很强的实验属性,实验教学在医学专业学生的培养中占有重要地位,但部分实验教学难以在传统的实验室为学生开展,在一定程度上影响了创新型、应用型医疗人才的培养。为了提高实验教学的质量和水平,突破传统实验教学的弊端,药理学实验教学迫切需要改革创新。随着医学虚拟仿真系统的开发,药理学实验可以探索开展虚拟仿真教学,创新实验教学模式[2-3]。

1 传统药理学实验窘境

1.1 难以观测到微观层面 药理学属于生命科学,药理学中大多数药物要进入机体内并与相应受体结合,发挥调控能力,但这些药物调控过程普遍是在细胞分子水平上完成的,传统的宏观实验无法观察到受体接受药物调控的微观过程,学生学习起来感到很抽象,难以理解,因此限制了实验效果和教学质量。

1.2 不符合“3R原则”传统药理学实验存在大量的重复教学,医学院校中绝大部分专业都开设了药理学课程,因此每年传统药理学实验都要用到大量实验动物,动物的价格较高,学校实验支出资金紧张。如牛蛙、小白鼠、家兔等实验动物不仅价格昂贵,而且从实验动物伦理保护角度而言,仅仅出于教学目的而大量残杀动物,不符合“3R原则”[Reduction(减少)、Replacement(替代)和Refinement(改进)][4]。

1.3 实验药品问题 传统药理学实验用的麻醉类和精神类药物属于管制药品,一方面购买不方便,有诸多限制;另一方面在实验室保管上也存在安全风险。在家兔麻醉过程中,使用的20%乌拉坦溶液可通过呼吸道进入体内,该药物是可疑的人类致癌物,健康危害为蓝色等级。

1.4 部分实验难以实现 在传统药理学实验中,有些实验时间跨度太长,有些实验存在一定危险性,还有一些实验对于实验环境要求苛刻,导致实际教学中难以开展。因此,针对以上传统药理学实验教学的种种困难,创新教学方式势在必行,借助现代虚拟仿真实验技术,开展虚拟仿真实验教学是一种积极探索。

2 药理学虚拟仿真实验的应用

2.1 应用方法 研究对象：选择我校高职三年制2020级康复专业3、4、5、6班共计146名学生,高职一年级第二学期。在第一学期学习过《生理学》和《人体形态学》等基础医学课程,有一定的医学基础。教材选用王开贞、李卫平编著的《药理学》(人民卫生出版社,2020年10月第8版)。虚拟仿真实验教学平台：我校与成都某公司共同建设的VMC-100医学虚拟仿真实验教学平台。该平台内容主要为机能实验教学,包含生理学和药理学的基础实验,可以通过电脑和手机端口访问,既方便线下统一考核,又方便学生自主学习。实验教学模块中包含实验原理、实验动物、实验设备和实验器械的介绍,学生可以详细了解实验的理论知识。教学模块核心是模拟实验操作的过程,学生通过一步一步的操作流程虚拟还原传统的操作步骤,此外虚拟仿真实验系统独有的实验波形模拟和标记对比等功能可以将抽象内容图形化、图表化。目前我校开展的药理学虚拟仿真实验项目主要为综合性实验,如强心苷对离体蛙心的影响、尼可刹米对家兔呼吸运动的影响、药物对家兔动脉血压的影响、影响尿生成的因素及利尿药物等。实验教学中围绕实验目的、实验原理、实验对象、药品及器械、实验方法与步骤为中心进行展开,并且包含实验观察、注意事项和思考题三个方面进行启发教学。此外还包含机能实验考试功能,加入了11个模拟实验的考试评分系统,学生可以进行模拟步骤的考试测验,教师可以通过平台了解学生的掌握情况。

教学过程：首先由教师讲解实验目的、实验材料、实验原理和实验对象,再结合系统中预先准备的实验视频讲解实验步骤和注意事项,然后学生利用手机通道登录虚拟仿真实验中心,依次学习简介、原理、视频,再进行虚拟仿真操作,最后完成考试。以药物对家兔血压的影响实验为例,先通过实验简介了解心血管活动的药物对血压的作用知识后,再进入到虚拟仿真实验的模拟操作中,通过步骤引导式的训练方法,在工具选择和知识点考核环节中,充分发挥学生自主思考和探索能力,完成实验操作后,在波形演示中自由选择药物或干扰处理,观察生物机能的波形变化,掌握药物的药理作用。最后在实验成绩报告中回顾课程内容,提交成绩后由平台统一管理。

2.2 效果评价 对药理学虚拟仿真实验教学应用的评价主要通过学生座谈和问卷调查的形式进行。召集实验班级的146名同学进行座谈,了解学生们对于虚拟仿真实验的感受,并且通过问卷星软件进行问卷设计和发放,最终发放146份问卷,回收146份,回收率100%,其中146份有效,0份无效。

2.3 结果 问卷调查结果见表1。

表1 虚拟仿真实验问卷调查(n=146)

3 虚拟仿真实验教学的优势和展望

3.1 虚拟仿真实验教学的优势 虚拟仿真实验激发了学生们的学习兴趣,其天然具备新技术、新模式的属性,对于高职学生来说具有独特的吸引力,其中的人机交互、场景还原和动画演示,让学生更愿意去了解和学习,从视觉和听觉上帮助学生在脑中更容易构筑形象的知识内容。系统中包含的考核模块,可以自动完成对学生的操作打分,实验环节层层递进,类似于一个个关卡,学生通过不断闯关获得奖励,从而达到最终目标,充分培养了学生的创新思维[5]。

虚拟仿真实验能很好连接教师的理论讲解和学生的实际操作。通过虚拟仿真实验反复练习,加强细节操作,能有效提高学生的成功率和自信心[6]。传统实验中教师往往难以解决围观式教学难题,应用虚拟仿真系统每个同学都可以在系统中全面对实验的细节进行反复观察,并且教师也可以通过系统中设置的考核,了解学生们的薄弱点,进行针对性加强。虚拟仿真实验教学拥有传统实验教学无法匹敌的优势,学生可以通过手机跨越时间和空间的限制随时完成课前预习、课中学习和课后复习的任务,为信息化教学提供多样化的选择[7]。

3.2 展望 在本次研究中,可以看到虽然虚拟仿真实验有很大优势,但是目前依旧无法完全替代传统的实验教学,通过与学生们的座谈,笔者认为虚拟仿真实验应该在如下几点进行加强：第一,提高仿真程度。我校与软件公司合作建设的VMC-100医学虚拟仿真实验教学平台目前资源量较少,虚拟仿真的实验也比较简陋,主要还是以动画的形式呈现,仿真程度比较低,学生缺乏实操的真实感。因此,可以开发更高清的实录视频,给出更多的实验分支结局,增加实验动物的随机性反应,补充微观变化的动画演示,从而提高软件仿真程度。第二,增加更多交互方式。目前虚拟仿真实验中的交互方式比较简单,主要以图片选择题形式出现,部分学生只是通过不断尝试,排除错误选项。因此,有必要增加更多的交互方式,例如引入VR、AR等技术,利用三维的模拟技术,增加一些力反馈技术,全面提高学生的实操水平,锻炼学生的操作手法。同时也要增加更多的实验分支操作过程和结果,学生可以在错误分支中总结经验,调动学习兴趣和积极性,提高实验成功率。第三,加强系统共同开发。虚拟仿真系统的开发需要软件公司和一线教师共同合作,割裂、闭环的系统生态无法适应当今的教学要求。目前的虚拟仿真实验仍旧存在教学需求和系统内容支持不匹配,例如一线教师需要的评价体系未能健全,更无法为学生提供个性化的培养,以及医学实验中学生需要锻炼的操作能力,其中的关键应该是能力反馈技术也非常缺乏。因此由一线教师反馈实际教学中的意见,再由软件公司进行针对性的优化,才能不断加强虚拟仿真实验系统的实用性[8]。

综合以上情况来看,虚拟仿真系统在高职院校药理学实验中有着广阔的应用前景,更多的教师应该积极尝试新技术,改变传统的教学方式,并且进一步深度地应用和探索,为学生提供更加多元化的学习方式,更加丰富的教学内容,提高学生学习积极性,培养学生的创新思维,逐步完善药理学实验教学新模式,完成职业教育改革赋予的使命。但是,我们也要了解虚拟仿真系统目前存在的问题,明白“仿真”并不等于“真实”,不能用虚拟仿真实验完全替代传统实验。因此,需要进一步探究“虚实”结合的新模式,增加一部分传统实验无法开展,却又非常重要的内容,减少一些传统实验浪费严重、危险性大的内容。“以实为主、以虚为辅,实虚结合”,不断优化实验模式,不断完善评价体系,推进高职药理学实验创新发展,不断提高教学质量,为社会提供更优秀的医学人才。