人體實驗、動物實驗及虛擬實驗三位一體生理學(xué)實驗教學(xué)改革探討*

◆徐曉 呂心瑞

0 引言

醫(yī)學(xué)中關(guān)于疾病問題的理論研究是以人體生理學(xué)的基本理論為基礎(chǔ)的，因此，生理學(xué)是醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一門必修課。而生理學(xué)的理論知識多來自對實驗現(xiàn)象的觀察、分析和總結(jié)，這也決定了其是一門實驗性學(xué)科。人體及動物生理學(xué)實驗不僅要求學(xué)生理解基本的生理學(xué)理論知識，還要求其掌握規(guī)范的生理學(xué)操作技術(shù)，更重要的是要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會運(yùn)用已知的理論和技術(shù)去探索未知世界的方法[1]。傳統(tǒng)的生理學(xué)教學(xué)以課堂理論教學(xué)為主，實驗教學(xué)作為補(bǔ)充。但是隨著學(xué)科的發(fā)展，壓縮以知識探究為目的的理論教學(xué)，增加以能力建設(shè)為目標(biāo)的實驗教學(xué)，成為新時代生理學(xué)教學(xué)改革的方向。

生理學(xué)實驗根據(jù)實驗對象不同，可分為人體實驗和動物實驗兩種。目前，在大多數(shù)院校的生理學(xué)實驗教學(xué)中，由于動物實驗的干擾因素較少，可控性與可操作性較強(qiáng)，因此，動物實驗的比例遠(yuǎn)高于人體實驗，導(dǎo)致缺乏與臨床技能學(xué)習(xí)的銜接。人體實驗直接針對臨床人體生理實驗技能，探究人體機(jī)能變化的規(guī)律和機(jī)制。為了實現(xiàn)基礎(chǔ)教學(xué)與臨床思維的早期結(jié)合，構(gòu)建以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，人體生理學(xué)實驗越來越受到各醫(yī)學(xué)院校的重視，成為生理學(xué)實驗教學(xué)改革的方向之一[2]。但是人體實驗實施過程中受到倫理學(xué)的限制，須在保障人體健康無損的前提下才能進(jìn)行，所以目前很多高校在生理實驗教學(xué)中能用到的人體實驗非常有限。

虛擬實驗是近年來蓬勃發(fā)展的一項高新技術(shù)，它利用計算機(jī)系統(tǒng)生成類似真正現(xiàn)實感覺的三維空間，學(xué)生在該空間中可以感受到現(xiàn)實氛圍[3-4]。筆者嘗試?yán)锰摂M實驗系統(tǒng)模擬人體實驗，并在此基礎(chǔ)上將人體實驗和動物實驗做三位一體化整合。

1 傳統(tǒng)生理學(xué)實驗教學(xué)方法

傳統(tǒng)的生理學(xué)實驗教學(xué)一般沿用學(xué)生課前根據(jù)實驗指導(dǎo)進(jìn)行實驗的預(yù)習(xí)，上課時教師首先對本次實驗?zāi)康?、原理以及實驗步驟中的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行講解，然后學(xué)生進(jìn)行實驗操作完成實驗，課后學(xué)生完成實驗報告的模式[3-5]。因受限于高校的實驗器材、教師資源、課時等因素，學(xué)生無法進(jìn)行預(yù)實驗，教師無法做示教，而生理學(xué)實驗對學(xué)生的動手能力和團(tuán)隊協(xié)作要求較高。所以，在實驗的實際操作過程中，尤其是首次動物實驗，由于手術(shù)器械使用不熟練、小組成員分工不明確等因素，導(dǎo)致實驗時間大幅延長，甚至僅動物的捉拿與麻醉環(huán)節(jié)就要消耗學(xué)生的大部分時間。而且，多數(shù)生理學(xué)實驗需要保證實驗動物的基本生理活動，操作過程中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，都有可能導(dǎo)致動物死亡，將使整個實驗無法繼續(xù)進(jìn)行，必須重新開始。即使是同一個實驗，由于學(xué)生的預(yù)習(xí)完成度、理解能力或動手能力不同，也會造成不同組之間巨大的差異，甚至出現(xiàn)有的實驗組已順利完成所有實驗項目，而有的小組才剛剛麻醉結(jié)束，導(dǎo)致實驗無法在限定的課時內(nèi)完成，和學(xué)生后面的課程相沖突，不得不草草結(jié)束[6]。也存在少數(shù)學(xué)生因為主觀能動性不高或者害怕動物等原因而主動放棄參與實驗過程。

在人體機(jī)能實驗中，學(xué)生既是實驗者又是實驗對象，扮演雙重角色，有利于激發(fā)興趣、自我實現(xiàn)，易于自我驅(qū)動解決這種問題。但為數(shù)不多的人體實驗（如血型鑒定、心電監(jiān)護(hù)、動脈血壓的測量、心音聽診等）雖然與臨床緊密相關(guān)，但較基礎(chǔ)，并且沒有加入因素的變化，無法與理論課知識做辯證推理，導(dǎo)致學(xué)生僅僅完成實驗的操作和儀器設(shè)備的使用，缺乏對于理論知識的理解與鞏固。

由于師生配比的原因，教師難以監(jiān)控到每一個小組的全部實驗過程，對于學(xué)生在實驗過程中的有些不規(guī)范操作無法及時發(fā)現(xiàn)并糾正。目前，多數(shù)高校生理學(xué)實驗課考核的主要依據(jù)是實驗報告，但多數(shù)人體和動物實驗的結(jié)果可以根據(jù)理論知識進(jìn)行預(yù)測，甚至有的實驗組即使實驗失敗，學(xué)生也可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得實驗數(shù)據(jù)或者使用其他實驗組結(jié)果，并撰寫甚至是拷貝實驗報告，不深入探討、總結(jié)實驗失敗原因。同時，由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)、動物實驗資質(zhì)、實驗場地、實驗設(shè)備、教學(xué)時間等因素的限制，導(dǎo)致有些生理學(xué)中的經(jīng)典實驗無法實施，也無法保證所有學(xué)生每次實驗都有均等的操作機(jī)會。因此，不管是人體實驗還是動物實驗，傳統(tǒng)教學(xué)模式的最大問題是很多理論知識無法通過實驗驗證，學(xué)生在整個實驗過程中只能被動地接受教學(xué)安排，沒有獨(dú)立思考的機(jī)會，難以激發(fā)興趣，不利于提升分析問題和解決實際問題的能力，導(dǎo)致主觀能動性較差。

2 虛擬實驗教學(xué)方法

虛擬實驗采用計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)模擬出與真實實驗課程相似的實驗環(huán)境，然后學(xué)生通過計算機(jī)實現(xiàn)對實驗設(shè)備參數(shù)的測定和實驗操作的練習(xí)。近年來，該技術(shù)受到越來越多高校的重視[7-9]。

虛擬實驗通過視頻將實驗的過程完整清晰地展示給學(xué)生，并且可以分步反復(fù)觀看，能讓學(xué)生更為直觀地了解實驗中的每一個步驟。在每次實驗課之前，每一位學(xué)生都可以自主安排時間通過虛擬實驗平臺預(yù)習(xí)實驗，并模擬實際操作過程，了解操作中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，將自己實驗操作中的薄弱環(huán)節(jié)在虛擬平臺上反復(fù)演練。這種教學(xué)方式可以激發(fā)學(xué)生的參與性，大大提高現(xiàn)實操作的成功率。通過技術(shù)手段，任課教師在后臺可以觀看每一位學(xué)生在虛擬平臺的實驗操作過程，及時發(fā)現(xiàn)實驗過程中的不規(guī)范操作或者共性錯誤，在實驗課中給予提醒和指正。由于虛擬平臺中實驗結(jié)果都是可預(yù)測的、理想的，因此，當(dāng)實驗課上的結(jié)果與之有差異時，可以激發(fā)學(xué)生探究問題的動力。課后，虛擬實驗平臺不僅可用于復(fù)演實驗，也可納入實驗與理論結(jié)合的試題，進(jìn)行理論知識復(fù)習(xí)。

除此之外，虛擬實驗平臺還可以模擬人體實驗，并展示病理生理狀態(tài)的虛擬病人，作為對真實人體生理學(xué)實驗的有益補(bǔ)充。比如心音聽診實驗，在學(xué)生完成正常心音聽診后進(jìn)行虛擬實驗，模擬不同病理狀態(tài)下的異常心音，并將病理改變通過畫面同步展示，不僅可以提高學(xué)生對正常心音的認(rèn)識，還生動地與臨床進(jìn)行聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

雖然虛擬實驗不受實驗場地、動物和時間限制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗不可重復(fù)的不足[10]，但是在虛擬實驗過程中，學(xué)生并不是真正地參與到實驗中來，無法通過操作鍛煉動手能力與協(xié)作配合，容易造成眼高手低，甚至有的學(xué)生流于形式。因此，虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在生理學(xué)實驗教學(xué)中應(yīng)用仍然存在一定的局限性[11]。

3 人體實驗、動物實驗及虛擬實驗三位一體化

目前，多數(shù)院校在所開設(shè)的生理學(xué)實驗課程中常常把人體實驗和動物實驗分開進(jìn)行。這種設(shè)置造成學(xué)生在進(jìn)行每一個實驗時都會彼此孤立，缺乏聯(lián)系性。而有些實施的人體實驗和動物實驗同屬于一個系統(tǒng)，它們之間其實既有聯(lián)系，又有區(qū)別。

利用虛擬實驗平臺重新設(shè)計實驗課程，不但可以設(shè)計模擬更多的人體實驗，也可以將人體實驗和動物實驗有機(jī)地聯(lián)系在一起，比如動脈血壓的測量（人體實驗）與影響動脈血壓的神經(jīng)體液因素（動物實驗）可以相互結(jié)合進(jìn)行。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，動脈血壓的測量實驗中的重點(diǎn)是要求學(xué)生掌握血壓的測量方法與血壓計的使用，這是一個靜態(tài)的人體實驗。而血壓的影響因素則在動物實驗中進(jìn)行，傳統(tǒng)教學(xué)中由于學(xué)生首次涉及動脈插管，并要進(jìn)行三根神經(jīng)的分離，實驗中經(jīng)常出現(xiàn)動物大出血或者神經(jīng)分離中斷裂等問題導(dǎo)致實驗成功率較低。而現(xiàn)在通過人體、動物及虛擬實驗三位一體化，學(xué)生可以通過虛擬平臺預(yù)習(xí)實驗，在實際操作中降低失誤，提高實驗的成功率并壓縮實驗時間，進(jìn)而在有限的學(xué)時里可以將兩個相關(guān)實驗進(jìn)行結(jié)合。通過虛實聯(lián)動的人體運(yùn)動生理學(xué)實驗，學(xué)生可以先在跑步機(jī)上鍛煉，在系統(tǒng)中檢測實時動態(tài)心率、血壓、心電圖以及呼吸狀態(tài)；再在動物實驗中驗證刺激動物心交感神經(jīng)對心率和動脈血壓的影響，然后聯(lián)系到臨床，焦慮緊張會引起高血壓等。

還可以在虛擬平臺模擬一些無法開展的有損人體健康的人體實驗，以及模擬有些人體反射實驗中的神經(jīng)的傳導(dǎo)過程，這些均可以與現(xiàn)有的動物實驗相互結(jié)合。比如可以在虛擬平臺中模擬腱反射的神經(jīng)傳導(dǎo)過程，將其與神經(jīng)動作電位的傳導(dǎo)實驗相結(jié)合。待學(xué)生完成若干個章節(jié)的學(xué)習(xí)后，還可以通過虛擬平臺將不同系統(tǒng)的人體實驗和動物實驗加以整合。比如學(xué)生在虛擬系統(tǒng)里預(yù)演血糖升高后血液系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)以及內(nèi)分泌系統(tǒng)生理指標(biāo)的變化，在實驗課上學(xué)生飲用高濃度葡萄糖后檢測血糖濃度、血漿滲透壓以及尿量變化等（人體實驗），同時結(jié)合尿生成的影響因素實驗（動物實驗）。這種結(jié)合不僅可以幫助學(xué)生對各章節(jié)的內(nèi)容融會貫通，也緊密聯(lián)系臨床，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高其學(xué)習(xí)的積極性。

4 結(jié)束語

總之，通過將人體實驗、動物實驗及虛擬實驗三者有機(jī)地結(jié)合在一起，可以在目前情況下充分利用實驗學(xué)時，使學(xué)生將課堂上學(xué)習(xí)的理論知識及時有效地在人體和動物體內(nèi)得到實踐，一方面優(yōu)化教學(xué)資源配置，另一方面幫助學(xué)生將實驗技術(shù)和臨床聯(lián)系起來，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。