網(wǎng)絡(luò)背景下病原生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法初探

李嘉，張東圓，陳志成

（河北醫(yī)科大學(xué)臨床學(xué)院，河北石家莊 050031）

虛擬實(shí)驗(yàn)是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬環(huán)境及操作的現(xiàn)代科技。早在1989年，由美國(guó)的威廉教授首先提出了“虛擬實(shí)驗(yàn)室”的概念。隨后，眾多國(guó)外大學(xué)通過(guò)不斷的研究，開(kāi)發(fā)了形式各異的虛擬實(shí)驗(yàn)室。國(guó)內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)起步要晚一些，但發(fā)展較快。隨著計(jì)算機(jī)在我國(guó)的逐步普及，第二軍醫(yī)大學(xué)生理學(xué)教研室自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，對(duì)生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了初步探索，成功的模擬了“蛙心灌流”“哺乳動(dòng)物血壓調(diào)節(jié)”以及“動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制和記錄方法”等實(shí)驗(yàn)。后來(lái)他們?cè)谠械奶摂M實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級(jí)，建成了早期的機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室。大量的教學(xué)研究證明，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有實(shí)驗(yàn)成本低、實(shí)驗(yàn)效率高、實(shí)驗(yàn)效果好等諸多優(yōu)勢(shì)[1]。同時(shí)，隨著近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)的普及，大量的教學(xué)視頻等內(nèi)容被放置在網(wǎng)絡(luò)上，學(xué)生可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，不受時(shí)間和地區(qū)的限制，做到隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供了有利的自學(xué)條件。由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于醫(yī)學(xué)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了很好的輔助作用，是未來(lái)醫(yī)學(xué)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的新方向。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式下病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的病原生物學(xué)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，首先由教師介紹實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)步驟，并對(duì)操作技術(shù)進(jìn)行集中示教，而后學(xué)生按照既定實(shí)驗(yàn)步驟，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、試劑、標(biāo)本進(jìn)行操作，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后書(shū)寫(xiě)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。傳統(tǒng)教學(xué)模式對(duì)于學(xué)生操作及觀察能力的培養(yǎng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而上述單一的授課模式卻易受到現(xiàn)實(shí)條件的制約[2]，主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題。

1.1 某些病原生物致病性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，許多實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展

病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象多是與人體致病有關(guān)的病原生物，普遍具有不同程度的致病性，如腸道致病菌中既有致病性較弱的大腸桿菌，也有致病性較強(qiáng)的傷寒沙門(mén)菌。如在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中加入致病性強(qiáng)的病原生物，一旦學(xué)生操作不慎或失誤均會(huì)對(duì)學(xué)生的健康造成威脅，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室感染，存在一定的生物安全隱患[3]。因此，很多病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)都被改為示教課程，由教師進(jìn)行操作講解，學(xué)生沒(méi)有實(shí)際操作的機(jī)會(huì)。此外，病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的大部分實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，課堂時(shí)間有限，難以完成，因此也限制了實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，不利于學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)整理流程的掌握。

1.2 校園實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)和資源緊張

操作致病性強(qiáng)的病原生物對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備需求種類(lèi)多、精細(xì)度高，同時(shí)對(duì)安全防護(hù)要求的等級(jí)也較高，學(xué)生實(shí)驗(yàn)涉及操作的人數(shù)眾多，需要大量的資金投入，購(gòu)買(mǎi)建設(shè)多個(gè)高水平的實(shí)驗(yàn)室，多數(shù)高校很難滿(mǎn)足。同時(shí)，近些年由于高等教育招生規(guī)模的擴(kuò)大，再加上課時(shí)數(shù)的逐年減少，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)和資源緊張，因此課堂實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的多是一部分有代表性、易操作、經(jīng)濟(jì)、常用的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，對(duì)于那些需要昂貴儀器、比較耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)大都只做課堂示教，學(xué)生缺乏鍛煉機(jī)會(huì)，這些都不利于學(xué)生動(dòng)手能力的提高及對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)——病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路

傳統(tǒng)病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的上述問(wèn)題已經(jīng)無(wú)法簡(jiǎn)單地從改變教學(xué)方法、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容等方法解決，必須引入新鮮力量，虛擬實(shí)驗(yàn)尤其是網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)則很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.1 增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)安全性，拓寬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)與其他專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課相比，存在諸多危險(xiǎn)因素[4]，例如：實(shí)驗(yàn)時(shí)不慎被病原生物感染，高壓蒸汽滅菌操作不當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)等。此外，部分實(shí)驗(yàn)標(biāo)本對(duì)安全防護(hù)要求也極高，例如：霍亂弧菌培養(yǎng)觀察、寄生蟲(chóng)蟲(chóng)卵檢測(cè)這些對(duì)生物安全實(shí)驗(yàn)室防護(hù)等級(jí)要求高的實(shí)驗(yàn)，在一般的本科教學(xué)中，無(wú)法開(kāi)展。而學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行這些病原生物的實(shí)驗(yàn)操作，則完全不必?fù)?dān)心上述問(wèn)題，同時(shí)又能將實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與理論學(xué)習(xí)相呼應(yīng)，增加了病原生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，拓寬學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作。

2.2 強(qiáng)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本技能，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，排除不穩(wěn)定因素，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果

病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)程序比較復(fù)雜，操作過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不易觀察。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以幫助學(xué)生提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)的熟悉程度，排除試劑、設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，縮短標(biāo)本培養(yǎng)時(shí)間，有助于保證實(shí)驗(yàn)的完整性，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和掌握。

2.3 降低實(shí)驗(yàn)成本，緩解學(xué)校經(jīng)費(fèi)壓力

由于病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的特殊性，決定了開(kāi)設(shè)該專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程需要準(zhǔn)備高級(jí)精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和防護(hù)高等級(jí)較高的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。這需要大量的資金支持。虛擬實(shí)驗(yàn)則解決了病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)耗材、儀器、場(chǎng)所的限制，可在一定程度上了緩解學(xué)校經(jīng)費(fèi)緊張的狀況。

2.4 激發(fā)學(xué)生求知欲，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，做到真正意義上的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放

虛擬實(shí)驗(yàn)室可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供全天候的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可自擬、自選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并自行組織實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生從灌輸式被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變到主動(dòng)積極靈活學(xué)習(xí)。從而開(kāi)闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的參與熱情，有利于激發(fā)學(xué)生的求知欲，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性及創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

3 病原生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體實(shí)施方法——以臨床學(xué)院為例

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

虛擬實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。但是如何讓虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合，而不是簡(jiǎn)單的重復(fù)，我們并沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)[5]。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)不具有實(shí)物感，即使再逼真也無(wú)法取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)操作技能的鍛煉，因此學(xué)生的實(shí)際操作技能的培養(yǎng)還需依靠傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。綜上所述，在充分的研討過(guò)后，我們將該次課題研究的設(shè)計(jì)思路如下[6]:首先，明確各學(xué)生實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的，其中實(shí)驗(yàn)原理的理解、實(shí)驗(yàn)技術(shù)整體路線的掌握則主要在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于教學(xué)目的中的技能目標(biāo)由傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)。先虛后實(shí)，虛實(shí)結(jié)合，讓學(xué)生先在上課前通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)終端例如筆記本電腦、手機(jī)等，運(yùn)行多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，通過(guò)交互操作以及觀看試教，初步認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的操作步驟的基礎(chǔ)操作技術(shù)；然后通過(guò)真實(shí)環(huán)境的實(shí)踐教學(xué)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技術(shù)的培養(yǎng)和訓(xùn)練。課后，學(xué)生還可以再次通過(guò)多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)習(xí)，查漏補(bǔ)缺，起到了了良好的鞏固作用。從而，將虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合在一起。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)的建設(shè)及具體實(shí)施方法

在具體實(shí)施過(guò)程中，首先我們利用具有一定圖片互動(dòng)功能的Microsoft PowerPoint 軟件作為開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)出一套集交互性、形象性、趣味性于一體，又不失科學(xué)性的病原生物學(xué)多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，并將其上傳至數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)。在校學(xué)生可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)登錄該學(xué)習(xí)平臺(tái)，利用該資源，進(jìn)行課前的預(yù)習(xí)，也可用于學(xué)生課后復(fù)習(xí)鞏固[7]。例如：微生物實(shí)驗(yàn)中高壓蒸汽滅菌操作，是微生物學(xué)中最基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)操作，但因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件和時(shí)間限制，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都是由教師在課前代為完成，學(xué)生無(wú)法親自操作，也無(wú)法觀摩學(xué)習(xí)。而在增加了虛擬實(shí)驗(yàn)后，我們可以通過(guò)課前預(yù)習(xí)，模擬進(jìn)行相關(guān)操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體流程有一個(gè)完整的印象，同時(shí)了解各種培養(yǎng)器皿和培養(yǎng)基如何通過(guò)高壓蒸汽鍋進(jìn)行高溫蒸汽滅菌操作，從而更好地理解和掌握細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備過(guò)程。隨后，在實(shí)際課堂教學(xué)過(guò)程中，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生練習(xí)不同細(xì)菌的各種接種方法的操作技能，最后再通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)細(xì)菌進(jìn)入培養(yǎng)箱后的培養(yǎng)條件和結(jié)果觀察進(jìn)行補(bǔ)充學(xué)習(xí)。這樣有助于幫助學(xué)生整體把握實(shí)驗(yàn)流程，幫助學(xué)生形成完整的實(shí)驗(yàn)思維。

3.3 教學(xué)效果及分析

我們以臨床學(xué)院2017 級(jí)臨床專(zhuān)業(yè)醫(yī)學(xué)微生物學(xué)課程來(lái)進(jìn)行該次教改實(shí)驗(yàn)研究的嘗試[8]。從該專(zhuān)業(yè)教學(xué)大班中，隨機(jī)挑選了兩個(gè)小班，分別標(biāo)為A、B 班。這兩個(gè)小班理論課、實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)均由同一名代課教師完成。其中A 班（40 人）為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)組，B 班（37人）為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)照組。要求A 班學(xué)生每次上實(shí)驗(yàn)課前，利用課余時(shí)間提前登錄虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，并于課后再次利用系統(tǒng)內(nèi)針對(duì)該次實(shí)驗(yàn)課程的復(fù)習(xí)題進(jìn)行復(fù)習(xí)。經(jīng)過(guò)一學(xué)期的完整教學(xué)，對(duì)兩個(gè)班的期末綜合考試成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析（其中實(shí)驗(yàn)課考核成績(jī)占總成績(jī)的30%，筆試考核成績(jī)占總成績(jī)的70%）。A 組的最高成績(jī)?yōu)?8 分，最低成績(jī)?yōu)?2 分，平均成績(jī)74.08 分；B 組的最高成績(jī)?yōu)?9 分，最低成績(jī)?yōu)?2 分，平均成績(jī)68.35 分。將上述學(xué)生的成績(jī)導(dǎo)入SPSS Statistics Version 21 統(tǒng)計(jì)軟件系統(tǒng)，利用軟件進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果現(xiàn)實(shí)兩組學(xué)生的考試成績(jī)P＜0.05,兩組分析結(jié)果有差異。這說(shuō)明利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)輔助，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)有明顯的提升，也證明了學(xué)生知識(shí)的掌握更加系統(tǒng)、牢固，學(xué)習(xí)效果更佳。

4 結(jié)語(yǔ)

以上是我們?cè)诓≡飳W(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的一次教學(xué)改革嘗試，除了上述考試成績(jī)統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果分析外，我們還針對(duì)本次授課的感受，進(jìn)行了學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果顯示71.32%的學(xué)生認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)起到了很好的輔助作用，提升了學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，再次證明了該次教學(xué)改革的實(shí)踐取得了較好的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的融合，兩者的作用都得到了最大程度的發(fā)揮。既可以幫助學(xué)生更好地掌握抽象的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)技術(shù)，又可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)課堂理論授課時(shí)間，增加學(xué)生在課堂中操作技能的練習(xí)機(jī)會(huì)，有效地提升了學(xué)生的操作技能。另外，多媒體教學(xué)課件的交互性讓學(xué)生感覺(jué)充滿(mǎn)了新鮮感，更好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)課件的進(jìn)一步完善，虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)配比的不斷調(diào)整，相信新型教學(xué)模式在提升教學(xué)效果上能夠顯現(xiàn)出更強(qiáng)大的優(yōu)越性。