人体解剖生理学实验中虚拟仿真教学方法的探讨

闫承志 马慧

摘 要：虚拟仿真教学是教育信息化与高校教学改革的趋势，有助于提高学生自主学习积极性，培养学生自主判断问题和分析问题的能力。为探讨虚拟仿真技术在人体解剖生理学实验教学中应用效果，借助生命科学学院省级虚拟仿真实验教学中心，开展人体解剖生理学实验教学，学生通过课前预习、线上操作及考核模块，完成实验规定内容。教学效果评价说明，与传统教学模式相比，采用虚拟仿真教学模式具有更好的成绩区分度，其趣味性、可操作性及学习效果得到学生普遍认可，教学满意度较高，但课程内容的丰富性及实验时限仍有待改进。

关键词：虚拟仿真技术；人体解剖生理学实验；教育信息化；实验教学；教学改革

中图分类号：G420 文献标志码：A文章编号：1673-5072（2024）02-0218-06

人体解剖生理学是以人体各部分正常形态结构和生命活动规律为研究对象的一门科学，教学内容包括理论和实验操作两部分，涉及范围广、内容抽象复杂，对知识的逻辑性和实践性要求较高，其实验操作以实际训练为主，通过动手操作将抽象难懂的理论知识形象化、具体化［1-2］。然而，在传统的实验教学中，仍存在一些难题：人体标本缺乏，由于经费有限，标本价格昂贵，导致多年来标本库没有得到有效补充和更新，限制了授课内容；学生的主动参与性较弱，学生只能隔着容器观察，而不能动手操作，更不具备局部解剖的可操作性，导致对教学内容的理解仍然比较模糊；某些实验对学生具有一定的生理和心理负面影响，人体标本通常保存在福尔马林或苯酚溶液中，气味刺鼻，具有一定的生理危害性，面对人体标本时，学生心理往往比较抗拒［3-4］。此外，由于部分实验课程对仪器设备、实验动物、试剂的要求较高，导致实验经费投入远远超出预期，因此有些教学项目至今无法开展，无法满足学生对课程知识的需求，教学方式亟需改进，而虚拟仿真技术以其独特优势可以较好地解决传统实验课教学的局限性［5-6］。

虚拟仿真技术又称VR技术，通过综合计算机图形渲染、传感器技术、仿真技术、多媒体技术、人机交互等，在虚拟环境中充分调动人的各种感觉器官，具有良好的多感知性、浸没感、交互性，是高等教育信息化建设的重要技术手段［7］。墨西哥医学中心和卫生中心的Lopez等［8］在“human neuroanatomy”教学中，将学生分为虚拟仿真实验组和传统教学对照组，实验结束后统一测试，结果显示，采用虚拟仿真的学生更容易观察到神经组织的内部立体结构，并能及时评价并得到反馈，因此平均成绩也优于传统教学对照组。在传统教学中，老师讲解后，学生需完成自主观察和绘图，由于课堂时间有限，离开课堂后，无法继续观察标本。课堂教学中引入虚拟仿真技术后，以图片、动画示教的形式将典型的器官、组织制作成数字切片，避免了显微镜使用不熟练造成的费时，而且摆脱了空间局限性，学生离开实验室后，仍可以继续线上学习［9］。在临床微生物学检验技术等课程教学中引入虚拟仿真技术，组织学生进行抗酸染色涂片和阅片实际操作，并结合线下病例和图片讲解，不仅克服了疫情对教学的冲击，而且促使教学资源丰富性和学生积极性得到了显著提升［10］。借助学院省级生物学虚拟实验教学平台，在2018级生物科学专业开展了部分人体解剖生理学实验，取得了较好的教学效果。虚拟仿真不仅可操作性强、安全高效，而且可以突破传统试验条件限制，不限重复操作次数。VR技术在增加学生学习兴趣的同时，一方面可以克服传统实验教学中的存在的难题，提高教学效率，另一方面可以节约经费开支，减少实验准备的劳动量。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

选择生命科学学院2018级生物科学专业2个班级共计72名同学参与虚拟仿真人体解剖实验教学，效果评价对比2017级生物科学专业80位同学。

1.2 虚拟仿真实验搭建

利用Unity3D、Visual Studio及Adobe Flash等工具，构建人体虚拟仿真实验系统，其主要功能架构如图1所示，包含解剖模块、透视模块、生理模块、辅助模块和考核模块。解剖模块强调锻炼学生解剖操作的能力，无操作次数限制；透视模块着重锻炼学生的观察能力，所有结构均可360°旋转；生理模块是在结构解剖的基础上，便于学生更好地理解相应生理过程；辅助模块通过文字注释、视频讲解及试题库，帮助学生解答实验操作中的疑问；考核模块包含试题及实验操作两部分内容，用于考查學生的理论知识掌握情况及动手操作能力。

搭建后的虚拟仿真实验系统如图2所示，相比于传统标本，实验的安全性、重复性、可操作性及局解的空间限制得到显著改善。虚拟仿真系统可以实现三维立体的系统解剖与局部解剖，图像清晰，结构精准，点击对应组织或器官，即可展现透视及注解功能。

1.3 教学实施

实验课前一周，学生自主登陆虚拟仿真实验教学平台（http：//210.41.192.4/virexp/prepare_login），在选课表中选择已发布的对应实验项目——运动系统的解剖，添加到个人实验库。同时根据实验要求提前进行预习，包括实验步骤、理论注释及视频讲解等。实验课教学中，教师负责重难点的讲解、实验任务的发布及课程时间的把控，并在学生的具体操作中提供答疑。

1.4 课程考核

实验课结束后，学生需完成课程相关考核。考核内容分为线下和线上两部分：线下考核主要以传统实验报告为主，占最终成绩比例50%；线上考核包含在线测试及虚拟实验操作考核两部分，在线测试占最终成绩比例20%，虚拟实验操作占最终成绩比例30%。

1.5 效果评价

问卷调查：课程结束后，依据学生对虚拟仿真实验平台的认可度和学习效果评价展开。面向2018级生物科学专业学生，采取匿名填写方式，问卷发放72份，收回72份，调查问卷内容主要包括趣味性、可操作性、内容丰富性、实验时限、学习效果及整体满意度等方面，学生针对教学效果（如操作性、趣味性及实验时限等）参与评价。评分采用五分制，其中：5分表示完全满意，4分表示满意，3分表示基本满意，2分表示不满意，1分表示完全不满意。

2 结 果

2.1 考核成绩

虚拟仿真实验结束后，将成绩进行统计。如表1所示，采取虚拟仿真实验前，由于条件有限，2017级学生无法开展人体标本解剖，因此实验成绩主要依靠实验报告评定；相比于2017级学生，2018级学生的成绩中除了包含传统实验报告外，添加了在线测试及虚拟实验操作测试，考核内容更全面，考核方法更客观，区分度更强，有助于促进学生動手能力和自主学习意愿的提高。

2.2 教学效果分析

针对调查结果进行统计分析，如图3所示，疫情大背景下，学生对于虚拟仿真线上教学模式比较认可，学生整体满意度较高，选择完全满意、满意和基本满意的占总体的94.4%（评分≥3）。这为复杂条件下开展远程实验教学，提升教学质量提供了一定的启示和参考。

在满意度的基础上，针对教学的环节与学习效果进行分析（表2）。80.5%的同学非常满意或满意虚拟仿真实验的趣味性（评分≥4），除了实验内容真实性之外，类似游戏的沉浸感与交互性的场景体验也是学生感兴趣的原因。高达95.8%的同学非常满意或满意虚拟仿真实验较强的可操作性（评分≥4），相比于只能观察无法解剖的人体标本，虚拟解剖更加专注于局解，每位同学均可进行实验操作，可以无限重复操作，针对局解的器官组织，可以结合备注加深理解。此外，相比于真实标本，虚拟仿真系统安全无味，可减少同学的心理和生理压力。18.1%的同学对虚拟实验的内容表示基本满意、不满意或完全不满意（评分≤3），主要在于内容丰富性仍有待扩展。学院目前已成功申报四川省虚拟仿真实验教学平台，结合国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台（http：//www.ilab-x.com/）内容，将不同的系统解剖加以串联，合并相应的生理调节流程，提升后期实验多样性及丰富性，将是下一步的主要工作。高达55.6%的同学对实验时限基本满意、不满意或完全不满意（评分≤3），主要认为实验时限较短，学生课后可以继续线上操作，但虚拟实验课时仍有待延长，新版的教学大纲将予以改进。94.4%的同学非常满意或满意虚拟仿真实验的学习效果（评分≥4），主动参与性更强，相较于传统的实验教学模式，学生由被动的知识接受者和观察者转变为主动参与的操作者，无论动手能力还是知识理解力均有明显提高。

3 讨 论

随着知识信息化与科学技术快速发展，传统教学模式已经无法适应知识更新的速度［11-12］。在人体解剖生理学实验中融入虚拟仿真技术，将其与传统教学模式结合，既可以增强学生学习的主动性，提高学习效率，又可以克服传统教学中资源短缺等问题，在超额完成教学任务的同时，还节约了教学成本与教学时间［13］。虚拟仿真教学是教育信息化与高校教学改革的趋势，有助于提高学生自主学习积极性，培养学生自主判断问题和分析问题的能力。虚拟仿真技术在教育领域的应用虽然还不够成熟，但应用前景十分广阔，国家也在大力资助国家虚拟仿真实验教学项目共享平台的建设［14］。通过针对2018级学生的调查发现，采用虚拟仿真实验教学后，学生的整体满意度较高，比较认可VR技术趣味性及操作性等，同时考核成绩的方式变得更多样，区分度也更高。然而，整个教学过程仍有许多问题亟需解决。

首先，采用虚拟仿真系统开展实验教学不代表抛弃传统的教学模式。针对虚拟仿真实验教学，教育部提出“虚实结合、相互补充、能实不虚”［15-16］。作为教师，需要把握好二者的平衡，不应非此即彼，盲目追逐教学新模式和新方法。线下实验仍是实验课教学的根基，在提高学生动手能力和思维能力方面拥有不可替代的作用；而虚拟仿真实验平台是线下实验课程的有力补充，不能盲目放大虚拟仿真实验平台的功能。教师不能忽略实验室中硬件设施的维护与完善，虚拟仿真实验平台上的知识最终仍然要应用于真实的实验操作中［17］。因此，在后期实验安排中，将增添人体运动系统标本观察，通过骨骼、骨骼肌和关节标本的观察，结合虚拟仿真的解剖操作，真正做到虚实结合，互相补充，提高学生的知识理解能力和实验操作能力。

其次，虚拟仿真技术的软硬件系统仍亟需持续改进。虚拟仿真技术通过三维建模技术构建与人体器官完全相同的虚拟影像，满足多人同时观察人体结构的要求，将操作对象与理论知识有机结合，将抽象的重难点形象、具体化。但目前也存在一些问题，以我校生命科学学院为例，虽然已建立省级虚拟仿真实验教学中心，但与传统实验项目比较，目前开展的虚拟仿真实验项目仍然较少，且具体到某一实验内容时，其丰富性也有待提升；此外，目前的操作仍以电脑操作为主，而非专业的VR头盔与手柄操作，硬件仍需要持续升级；另外，针对授课老师的相关培训仍然不足，部分教师对虚拟仿真操作仍不熟练，定期的技能培训有助于满足未来的教学需求。

最后，虚拟仿真技术在教育领域的应用时间较短，不论是技术还是人力资源方面都存在欠缺，想要获得成熟的虚拟仿真应用模式必然耗费大量人力、财力［18-19］。一方面，技术研发过程需要与专业的技术公司合作，硬件设备、软件系统、实验过程设计都需要投入大量经费和精力；另一方面，平台包含庞大的软硬件设施，需要专业技术人员的定期维护，否则会因为仪器设备损坏等影响师生的学习效果。因此，需要聘请专业人员予以维护，这也给虚拟仿真技术平台的实施带来一定的困难，例如，在授课过程，可能存在因网络带宽、电力及软件兼容等带来的诸多问题，如何在有限的课堂时间解决存在的技术问题，仍需要技术公司的优化。另外，教师也需要根据教学重点、难点和学生的实际情况设计实验过程，并根据教学效果不断修正、完善实验内容。这个过程需要教师和学生不断实践、反复练习才能达到最佳教学效果。

总之，虚拟仿真教学作为一种新教学模式，在人体解剖生理学中的应用仍处于探索阶段，教学环节中的许多内容仍有待完善，应用的过程中也还需要克服各种困难与挑战，但虚拟仿真技术与传统教学课程相结合是未来的发展趋势，两者的结合一定会为传统课程的发展带来新的机遇。

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Exploration of Virtual Simulation Teaching Methodin Human Anatomy and Physiology Experiment：

A Case Study of China West Normal University

Abstract：As a trend of educational informationization and college teaching reform，virtual simulation teaching is helpful to improve students initiative in independent learning and develop students ability of judging and analyzing problems on their own.In order to explore the application effect of virtual simulation technology in the teaching of human anatomy and physiology experiment，several experimental teaching of human anatomy and physiology have been performed in the provincial teaching center of virtual simulation experiment at the College of Life Science.These students have completed the stipulated experimental content after previewing before class，doing online operation and finishing assessment module.The evaluation of teaching effect shows that compared with the traditional teaching model，virtual simulation teaching mode has better grade differentiation and its interestingness，operability and learning effect have received universal recognition of students.It has a high degree of satisfaction，but its richness and time limit still have room for improvement.

Keywords：virtual simulation technology；human anatomy and physiology experiment；educational informatization；experimental teaching；teaching reform