虚拟仿真实验教学在生理心理学中的探索与应用

徐爱萍,査盈盈,邵德翠,郑 超,黄宏平,张环环,秦 雯,汪萌芽

(皖南医学院人文与管理学院生理学与神经生物学教研室, 芜湖 241002; △通讯作者)

随着互联网时代高速网络和智能手机的普及,高校教学模式迎来了新的契机,基于“互联网+”的教育资源共享理念得到了较全面且深入的发展。快速发展的线上教学在一定程度上弥补了传统教学的缺失,但过快的发展也暴露了一些问题,如缺乏统一的网络授课平台,缺乏合理课程设计及有效教学监督和评价,师生互动性不足等[1]。而今,线上线下混合式教学模式取两者之长,虚实结合,教学效果突出,受到学生和教师的广泛认可[2],成为教育改革发展的重要趋势。

虚拟仿真实验教学基于计算机、多媒体、网络通信、人机交互等技术的发展而逐步形成,实现了现代信息技术与实验教学的深度融合,响应了教育部关于“大力推进高校数字校园建设,构建虚拟仿真实验平台,推动教学内容及教学方法改革,促进人才培养模式的创新”的号召[3]。一直以来,笔者所在的教学团队积极进行虚拟仿真实验教学平台的搭建与探索,结合所授课程的专业特点与教学要求,在生理心理学课程的实验教学中建立了离体交感神经节细胞内生物电记录虚拟仿真实验教学项目并应用于实验教学中,积累了一定的经验,在此进行分享,以期为今后虚拟仿真实验教学在其他课程中的发展提供一定的指导和帮助。

1 生理心理学课程虚拟仿真实验平台建设现状

生理心理学是一门建立在实验基础上的学科。皖南医学院生理心理学课程自2005年起开设,我校应用心理学本科生重要的专业基础课程之一,并于2017年获批立项安徽省精品开放课程。该课程自开设之初就设置了实验课程和理论教学结合进行。目前,生理心理学教学团队共有9名教师,其中高级职称5人,7人拥有博士研究生学历,5人具有海外访学经历。教学团队多名教师参编心理学相关教材,如生理心理学、神经心理学、认知心理学和情绪心理学等。因此,教学团队具备了扎实的学术理论基础、较强的学术影响力和丰富的教学科研经验,为实验教学工作和虚拟仿真实验平台建设打下了坚实的基础。

生理心理学课程虚拟仿真实验平台依托省级心理生理科学综合实验训练中心搭建,实验课平台包括Morris水迷宫、避暗箱、恐惧反射和事件相关电位(event-related potential,ERP)技术等行为检测设备以及脑片技术、碳纤维电极检测技术,是具有一定规模的生理心理教学实验室。目前教学团队针对生理心理学课程实验课内容,精心录制教学视频,并研发了包含多个交互操作的实验软件,结合已录制上线的生理心理学课堂教学视频及相关课件、习题,使学生能随时随地进行自主学习,以实现理论授课对实验教学的铺垫,实验教学对理论知识点的深化,线上教学对线下课堂教学的有益补充[4]。

2 混合式教学模式下离体交感神经节细胞内生物电记录虚拟仿真实验教学项目的探索

2.1 项目概览

心理活动是大脑的高级功能。神经系统结构和功能的基本单位是神经元,神经系统的功能活动表现为生物电的活动,神经元的功能以及相互间的联系(突触传递)是所有神经系统功能的基础。所以,生理心理学研究首先要了解神经元的基本电活动过程。蟾蜍椎旁神经节(PVG)属于交感神经节,处于相对游离状态,取出后置于生理溶液(任氏液,Ringer’s solution)中可以长时间存活,是进行单个神经元电活动研究的良好标本。通过细胞内记录,学生不仅可以观察特征性的动作电位活动,也可以观察静息电位、膜电阻等基本的电生理特性,若加以适当刺激还可以观察基本的突触电位等。

2.2 项目实施过程与核心要素的仿真

学生通过访问虚拟网络实验教学控制平台进行自主学习。对于实验的关键步骤,实验软件利用提问的方式启发学生思考,要求学生进行交互性操作(表1),并通过真实场景逼真模拟,增加学生对复杂实验的整体把握度及关键步骤的理解和记忆。

表1 学生交互性操作步骤说明

在学生掌握实验流程的基础上,教师引导学生提出贯穿理论课、实验课知识点的问题,作为实验项目的拓展部分。通过该实验的学习,学生掌握离体交感神经节的细胞内生物电记录技术,并应用该技术,尝试设计一个生理心理学研究的课题,并带着问题反复进行虚拟操作,主动寻找问题的答案,完成实验设计。

2.3 项目实施效果及特色

通过虚拟实验的模拟功能,学生养成自主探究的学习方式,培养独立操作的技能和发现问题的能力。相对于传统实验教学,虚拟仿真实验条件可控,实验参数可经学生自行输入,避免因操作不当引起的失误使实验无法进行下去,让学生可以在有限的时间内完成整个实验,提高效率[5,6]。

通过虚拟实验的调试功能,学生进行主动探索和思考问题,培养科学思维和创新能力。虚拟仿真实验的关键步骤可调节各种参数,基于问题的启发式学习让学生化被动为主动,进行探索式实验设计,充分调动学生的积极性,提高学生对实验课的学习兴趣,有效地增强学生的科研创新能力和实践能力[7]。

学生自主完成实验,教师借助平台互动功能进行线上指导,及时引导学生正确解决问题。必要时,虚拟仿真实验可以打破时空壁垒,保障了教学进度和教学质量,为实验课的学习提供了有效途径[8]。

虚拟仿真实验教学因其独特的便利性、仿真性、高效性,极大提高学生的学习积极性和学习效率,拓展了实验教学的广度和深度,培养了创新性思维[9]。教师在生理心理学课程中融入虚拟仿真实验教学,综合利用教学视频、交互操作软件等现代化的多媒体教学手段,促进学生对实验课内容的感性认识到理性认识的升华,通过参与实验的每一步唤起学生的学习动机,提高学习兴趣和实践能力,有助于教学质量的提升。但实验课不能一味虚拟化,需要与线下操作相结合,加强师生互动,在虚实结合的前提下推进虚拟仿真实验项目的建设才能实现良好的育人目的[10]。生理心理学课程虚拟仿真实验教学项目的建设和实践,为其他实验课程的虚拟仿真实验教学提供一定的经验和帮助。