药理学虚拟仿真实验在信息化实验室开放下的教学应用研究*

陈靖 许斌 王卉 李京

1 辽宁中医药大学教学实验中心 沈阳 110847 2 辽宁中医药大学中西医结合学院 沈阳 110847 3 辽宁省中医药科学院 沈阳 110847

0 引言

虚拟仿真实验是指在计算机上借助算法、虚拟仿真现实等技术，创建相对独立的多媒体教学的数字化交互的软硬件操作环境，能够再现传统实验的场景，部分甚至完全模拟实验操作辅助，让实验操作者可以像在真实环境中一样完成各种实验项目[1]，这可以弥补传统实验教学中的一些不足，例如由于实验本身的局限性而无法进行的实验。复杂而危险的实验和抽象的实验过程，借助这种高度虚拟现实的仿真实验教学环境，学习者可以身临其境感受实验操作的全过程，从而最大限度地提高学生对实验课程的兴趣，有助于培养学生的创新性思维和动手能力。同时，实验可以随时随地进行，无设备损耗，与实验室零距离接触。长期以来，机能实验室药理学实验的教学一直在线下进行，包括实验准备、实验动物、仪器仪表、药物试剂等，以及手术程序和观察项目的实施，但它在实验项目开发中面临的问题也日益突出。因此，笔者所在教学团队尝试在药理学实验中进行虚拟仿真实验，以减少线下实验的一些缺点。通过线上与线下相结合的方式和开放实验室，可以增加学生学习的课时数，提高药理学实验的教学效果和质量。

1 线下药理学实验的弊端

1.1 线下实验成本高、损耗比较大

机能药理学实验过程中涉及的实验动物，如蟾蜍、小鼠、家兔等往往需要预约，尤其是在发生新冠疫情期间，动物实验更容易受到影响，加上某些实验设备造价昂贵，如医学图像分析系统，千分之一天平、生物信号一体机等，并且某些实验器械仪器搭配的耗材易损坏，如手术器械、张力压力换能器、麦氏浴槽、双联球等，造成了机能药理学实验的高成本、大耗损。

1.2 实验过程复杂，手法操作不当导致成功率低

机能药理学实验中的实验项目均为活体动物实验或者是离体实验，手术过程复杂且操作难度大，如离体组织的剥离、动物麻醉、血管插管、药物配比量的控制、精密天平或其他高精密仪器的操作控制等。学生在实验过程中大多是新手，第一次接触药理实验，没有实验技术操作经验，往往会因为操作的不规范、手法不熟练导致实验的失败甚至实验仪器的损坏。

1.3 实验课程时间有限、学生实际锻炼机会少

由于场地、设施、课时和教师等因素，一些实验项目无法开展。例如，一些复杂性综合性实验，需要多种设备联合应用，而且需要学生提前设计，学生没有课前对实验仪器的认识，很难有对实验过程和目的的深刻体会，并且多数实验通常是分组进行的。有限的动物、有限的场地和有限的时间无法满足每个学生动手操作的要求，导致一些学生无法充分参与实验。

2 虚拟仿真实验的必要性和优势

为推动一流专业建设，实现高等教育的内涵式发展，2019年起教育部先后出台了《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》，明确提出了要发展线上线下混合、虚拟仿真的“金课”，积极发展“互联网+教育”、探索智能教育新形态[2]。经过几年的发展，虚拟仿真实验作为一种新的教学手段和方法,已被开始应用于高等医学院校的实验课程教学中。然而虚拟仿真实验目前只是在课堂教学中使用较多，并且课程实验数量非常稀少，学生缺少反复练习的机会以及对其他综合性实验练习的机会。

虚拟仿真的实验内容不受场地、对象以及药品试剂的制约，随着虚拟实验的开展，其在机能药理学实验教学中的优势也能得到显著体现。1）降低实验费用，在虚拟实验中，所有仪器设备、实验动物、药物试剂、手术器械等都可以自动回收并无限次使用，不仅节省了实验动物，降低了耗材和大型仪器的成本，还降低了实验室的建设成本。2）具有良好的替代性和丰富的实验项目，对于一些在实际实验教学中无法进行的高能耗、高成本、高风险的实验项目（如体外组织实验），学生可以在不考虑技能水平、成本、实验对象等的情况下进行虚拟实验。虚拟实验中有许多实验项目，操作者在看完教学视频后，即可动手操作，并随时可以保存复习，也可以根据实验结合自身的实际情况调整教学速度，实验内容的自主选择大大丰富了实验项目，不仅可以加深学生对知识的理解和巩固，还可以大大拓宽学生的知识面。3）它可以增加学生的实验机会。虚拟实验可以由一个人和一台机器独立进行。它们可以反复重复和修改，以增加学生的实验机会，确保学生掌握实验方法；此外，平台支持单机版和网络版，支持多终端操作（手机、iPad、电脑端、一体机等），让学生可以随时随地学习，不受限制。4）在有趣的虚拟实验中，大量的三维图片、动画、视频和其他材料被用来更生动地展示实验。网络的吸引力往往比枯燥的理论知识更受学生欢迎，这激发了学生对实验的兴趣，也培养了学生的实践能力、运用大脑的能力和创新思维的能力。

3 实验室开放的必要性和优势

3.1 实验室开放的必要性

随着高校招生规模的扩大，在校生人数的增加，而学校配套的实验室数量、生师比、实验设备却难以在短时间内实现匹配，这就出现线下实验课进行时，只有极少数学生在实际操作，大部分学生处于观望状态，他们很少有机会亲自操作，久而久之也习以为常，这很难达到实验教学的目的，严重影响了实验教学的质量。开放式实验教学可以满足学生在实验课前后预习和复习的需要，通过实地导学、实物操作，可以加深他们感性认识，提高理解力和实践能力，调动学生主动参与实验教学乃至实验设计的积极性，培养学生的创新能力。实验室的开放还可以促进教学方法的改革，结合多种教学手段和吸纳教师科研课题参与，充实实验室开放的项目种类及水平，为学生进行课程知识和科研前沿探索搭建平台，对于提升整体教学质量十分有必要。

3.2 实验室开放的优势

开放实验室打破传统实验室封闭独立的单元分离状态，充分利用各自的设备和技术优势实现资源共享，向实验者提供便利开放的实验室资源。通过开放实验室，现有资源可以被充分调用，为实验操作者创造方便可靠、自由度高的实验环境，为学生提供更多的动手锻炼机会，不仅使学生能够充分理解实验原理的理论知识，还能快速掌握实验技能和方法。通过开放实验室，学生可以在较短时间全面熟悉各种仪器设备，了解掌握其工作原理、操作流程，掌握各种实验手段，提高创新性思维和实验操作设计的主动性和创造性，进一步提升综合分析和解决问题的能力，充分挖掘潜力，培养科学素养。

实验室开放是高等学校开展实践教学创新,加强实践性教学环节,增强学生的创新能力和实践动手的重要途径，可以为学生提供更多实验实践的机会，通过实验操作激活学生思维，提升学生创新实践能力。在互联网+时代，信息化的实验室开放管理模式和方法将更有助于提高实验室的创新的能力[3]，提高实验室开放管理的效率，为培养学生巩固新知、创新思维有重要意义。因此“以学生为中心”理念为主，培养学生自主学习能力，利用药理学虚拟仿真实验教学资源平台（含综合性实验和教学资源库）和信息化实验室开放管理平台系统，将能实现学生系统快速掌握多个药理学实验课程要点，逐渐形成进一步开展综合性设计性实验的能力，从而提高药理学课程的学习效率和质量。

4 药理学虚拟仿真实验与实验室开放结合

4.1 建立药理学虚拟仿真实验资源库

虚拟仿真实验教学平台的建设需要建立广泛的学科素材库，通过校企合作，笔者所在教学团队和重庆、四川、安徽等多家机能仪器设备厂家和软件开发商建立良好合作关系，不仅独立开发药理学虚拟仿真实验项目，还利用机能集成化信号采集与处理系统（一体机）配置的机能学仿真实验教学系统作为机能学虚拟仿真实验教学平台的重要组成部分,其中药理学虚拟仿真实验素材库已经初具规模,拥有“药物对神经兴奋性的影响”“药物对家兔动脉血压的作用”“乙酰胆碱对家兔动脉血压的作用”等20 个虚拟仿真实验项目，还包括3D虚拟实验室和实验室仪器设备介绍、实验动物操作、实验数据、数据统计、实验报告及样例、相关学习资源及课件、实验自测多选题等诸多素材。

4.2 搭建信息化实验室开放管理模式

顺应互联网教学的趋势，创立具有辽宁中医药大学自主产权的信息化实验室开放管理平台系统，基于html 网页框架结构，前后端语言程序实现信息化实验室开放管理平台系统开发，实现在线预约、审批模块，实验室设备二维码管理模块、学生开放实验前自主测试学习模块等[4],见图1。

图1 信息化实验室开放管理流程

信息化实验室开放管理可以锻炼学生自主学习能动性，进入实验室前先线上预约，预约成功后，在进入实验室之前，必须先完成安全测试学习（视频和学习资料），学习测试成功后方可进入，避免学生对实验室安全知识和设备操作不了解，做到提前学习，主动学习。对实验室设备信息事先采集入库，采用二维码方式，扫描即可显示相关信息和操作教程，提高实验室开放管理的可操作性和便捷性。

4.3 开展线上与线下实验室开放结合的虚拟仿真实验训练模式

在搭建信息化实验开放和建立药理学虚拟仿真实验平台之后，我们拟开始从两者结合应用的角度出发，加大虚拟仿真实验在教学中的应用频次和场景应用。

首先，在平时教学过程中，虚拟仿真实验在线下教学中所占比例较小，往往都是在课堂教学中穿插进行，不能充分有效地满足学生的操作需求。其次即便是在疫情防控期间，学校全部采用线上授课，但实验操作依然有时间限制，并且仅仅限于上课的科目，仿真实验的数量十分受限。因此，开展线上与线下实验室开放结合的虚拟仿真实验训练模式将十分有必要，可以充分将线下教学和线上操作紧密结合，将学生的兴趣和业余时间充分利用起来。

一方面，药理学虚拟仿真实验教学资源平台可以搭建在机能实验室的一体机上，通过架设无线局域网，实现数据互通，学生可以通过实验室开放，利用课余时间，随时预习和复习实验课程，并结合上课的内容反复操练，不懂的地方可以在线咨询实验室老师。借助信息化实验室，实现管理员审批、实验室设备二维码管理、学生与指导教师或实验室管理员实时交互的功能。

同时，教研室在实施药理学实验的具体教学活动中，可以通过腾讯会议或者超星学习平台结合线上虚拟仿真平台方式开展药理学实验教学，将教学过程分解为三部分：第一通过腾讯会议或者超星学习平台采用PPT/白板教学讲解实验目的、原理、实验流程；第二通过药理学虚拟仿真平台，通过共享屏幕给学生演示实验操作；第三通过共享屏幕，让部分同学在虚拟仿真平台独立完成实验操作，教师点评，学生互动提问题，同时对知识点进行总结。课后，学生通过账号可以继续登录线上药理学虚拟仿真平台，反复练习，并可以自学其他实验。

因此，借助前期开发的信息化实验室开放系统，“以学生为中心”理念为主，培养学生自主学习能力，实现学生自主预约实验室，在利用前期开发的药理学虚拟仿真实验教学资源平台基础上，进一步完善补充教学资源库，开展信息化实验室开放下的药理学虚拟仿真实验课程的自主学习，有助于倡导学生自主、合作、探究式学习以及师生间互动研讨式教学[5]，不仅让学生更好地理解课本知识，还能加强预习和复习的效果，可以促进实验教学与理论学习。实现学生系统快速掌握多个药理学实验课程要点，有进一步开展综合性设计性实验的能力，从而提高药理学课程的学习效率和质量。

实验室是高校人才培养的重要支撑，是学科发展、科研成果产出的重要前提。当线下常规实验课程已经不能满足学生对实验创新和创造的需要，这种通过虚拟仿真实验结合实验室的开放方式有利于发展创新和探索性实验，培养创新创业人才。

线上与线下结合必将是未来发展的趋势，因此，高校应积极推进虚拟仿真实验结合实验室开放进程，并将实验室开放程度纳入学校整个教育教学的总体评价之中。

开放实验室可以为每个学生独立完成实验提供保障，满足课程学习和个人发展的需要。其开放式管理模式可以满足多种实验教学模式，如综合性设计性教学实验、学生兴趣小组专题训练、大创研究练习等，虚拟仿真实验结合开放实验室有利于整合优化配置各类相关的教育教学资源，在共享的基础上促进学生创新能力的提高，从而为提高教育教学质量提供坚实保障。