醫(yī)藥高等院校虛擬實驗開展分析

栗 源，可 燕，蔣嘉燁，高俊輝，林茂輝，張 政

（1.上海中醫(yī)藥大學a.教學實驗中心，b.科技實驗中心，上海 201203；2.上海夢之路數(shù)字科技有限公司，技術部，上海 201203）

0 引言

教育信息化已成為我國當前大學教育發(fā)展的主要趨勢，疫情期間，在教育部“停課不停學”倡導下，全國高校結合自身信息化建設基礎和線上資源，開展多種形式的線上教學，一方面加快推動信息化教學實踐，也從側面檢驗了高校信息化教學建設與應用的成果。自教育部出臺虛擬仿真實驗項目建設通知后［1］，經過多年開發(fā)，高校已形成一批基于虛擬仿真技術，具有創(chuàng)新型、實用性的虛擬實驗平臺及項目，拓展了教學的空間和形式。虛擬實驗不僅具有線上教學不受時間地點限制等優(yōu)點，而且補充了學生在課余時間開展模擬操練和強化復習所需資源，已成為信息化教學和“金課”建設的重要支持。文獻檢索信息化教學、虛擬實驗等關鍵詞發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真中心建設及開展內容居多，將已建設資源投入應用，乃至融合教學、虛實結合教學效果的評價報導較少?，F(xiàn)對夢之路醫(yī)學虛擬實驗MOOC 平臺統(tǒng)計疫情期間，我國264 所高校虛擬實驗的使用情況，分析各類高校虛擬實驗應用的組織教學、醫(yī)學專業(yè)學生在線學習習慣、各高校虛擬實驗的建設資源分配等問題。探索目前在線實驗教學平臺的應用狀態(tài)，總結現(xiàn)階段高校師生對在線學習的不同需求，探索不同學科和類型虛擬實驗是否有可量化的評價方法。為高校虛擬仿真實驗平臺開發(fā)創(chuàng)新、使用維護、反饋評價，及信息化教學深度融合線下教學實踐提供參考。

1 研究資料與方法

（1）選用平臺介紹。基于上海夢之路數(shù)字科技有限公司開發(fā)的魔課平臺開展研究，該平臺通過與上海交通大學醫(yī)學院、復旦大學上海醫(yī)學院、上海中醫(yī)藥大學等60 多所高校共同開展校校共享、校企共建模式，已建成涵蓋基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學、藥學等多學科交叉的開放性虛擬仿真平臺，支持教師指定模塊和學生自學模式，在線上醫(yī)學教育方面一直處于國內引領地位。疫情以來，響應教育部停課不停學號召，夢之路平臺作為唯一醫(yī)學實驗類平臺，入選教育部高等教育司發(fā)布的《第二批在新冠肺炎疫情防控期間支持高校在線教學的課程資源平臺和技術平臺名單》?；谠撈脚_的分析研究，能夠客觀反應虛擬實驗在全國高等院校醫(yī)藥專業(yè)學生中的使用情況。

（2）數(shù)據(jù)收集。數(shù)據(jù)來源于夢之路魔課云實驗平臺（Massive online experimental courses，MOEC），采集時間自2020-02-20～2020-07-12，覆蓋264 所高等院校的線上實驗學習數(shù)據(jù)。分別收集了各院校使用人數(shù)、使用時長、教師指定選課內容、熱門使用模塊等內容對其統(tǒng)計分析，以考察各院校對虛擬平臺的使用情況及信息化應用于教學的效果。

（3）統(tǒng)計分析。使用SPSS 22.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對于符合正態(tài)分布的指標以單因素方差分析和配對t檢驗觀察數(shù)據(jù)差異，不符合正態(tài)分布的指標以Mann-Whitney秩和檢驗觀察數(shù)據(jù)差異，以P＜0.05為具有統(tǒng)計學意義。

2 分析方法與結果

2.1 虛擬平臺整體使用情況分析

至7 月12 日該學期結束，共計264 所高校使用該平臺，在目前全國共計374 所開設醫(yī)藥相關專業(yè)的高等院校中，占比超70%，覆蓋廣泛，提示了全國各醫(yī)學院校對虛擬實驗應用于教學的普遍開展和重視；其中本科院校208 所，?？圃盒?6 所，使用學生總人數(shù)分別為241，847 人和22，308 人（見表1），累計總使用時長960，440 小時，總使用人數(shù)264，155 人。

表1 本?？圃盒Ｊ褂谜w情況統(tǒng)計

為觀察各院校虛擬實驗的教學組織情況，對平臺的使用模式進行了深入分析。平臺使用分為兩種模式：①為組織教學模式，即教師針對自身院校的教學內容指定虛擬實驗選課，組織學生跟隨教學完成相應模塊；②為給學生開通賬號后自主選擇任意模塊，自行安排學習。在本、專科院校統(tǒng)計中，教師組織教學分別占平臺總使用量的93.75%和87.50%，學生相應完成率分別為88.94%和71.43%；其他使用量來自學生自主學習。由此可見，目前平臺的主要應用仍集中發(fā)生在各院校組織教學，較好的組織是引導學習的保障，也反映出虛擬實驗應用在各個院校的實驗教學中已經如火如荼的開展，體現(xiàn)了國家發(fā)展信息化教學和申報虛擬仿真平臺建設的先導性。

對學生人均使用平臺時長統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，本科院校人均使用時長為3.51 h／人，?？圃盒?.20 h／人，相當于實際操作中的4～5 課時和2～3 課時。對使用平臺學生年級分布分析可知，低年級學生為使用平臺學習主力，學生伴隨年級增長，選擇使用平臺學習的人數(shù)呈遞減趨勢（見圖1），而本科和專科院校使用總人次分別為2 017.16 萬人次和463.44 萬人次，可見多數(shù)學生用戶嘗試了多個模塊的反復使用和反復學習，也體現(xiàn)出虛擬實驗使用的便利性符合當代學生碎片化學習的習慣。

圖1 使用總人次的年級分布

2.2 各院校使用人數(shù)與使用時長分析

基于學生的學習行為分析，每個實驗內容的使用時長通常能夠體現(xiàn)是否進行有效、深度的學習，因此我們對各類型院校的總使用時長和人均學習時長分別進行了統(tǒng)計和比較。985、211 工程院校和雙一流學科院校，在使用人數(shù)與時長上，均與其他院校具有很大差異（見表2），其使用總時長、使用總人數(shù)分別為2 780.34和3 015.38 h／校，及541.38 和654.88 人／校，均顯著低于其他院校；而人均學習時長分別為4.20 和4.60 h／人，均顯著高于其他院校。由此可見，985 及雙一流院校，雖然使用學生數(shù)少，但人均學習時長顯著較多，體現(xiàn)了在完成虛擬實驗操作時，對學習深度和完整性的注重，這與一直以來985 及雙一流院校在組織教學的示范性和先導性是相統(tǒng)一的，也體現(xiàn)出頂尖院校學生深入細節(jié)的良好學習習慣。

表2 985、211 院校，雙一流院校和其他本科院校使用人數(shù)、時長分析

在統(tǒng)計醫(yī)學?？圃盒Ｅc非醫(yī)學專科院校使用時長對比發(fā)現(xiàn)，醫(yī)學院校的總使用時長及人數(shù)均顯著高于非醫(yī)學院校，但人均使用時長2.71 h／人較低。因本平臺提供內容側重醫(yī)學專業(yè)，因此醫(yī)學院校的廣泛參與程度較高，但人均使用時長反映了醫(yī)學院校學生在虛擬實驗端的學習深入程度不及985 院校，其原因可能與學生是否更具有線上自主學習意愿有關。

2.3 各院校教學組織情況分析

本平臺共呈現(xiàn)了581 門實驗課內容，涉及9 個不同學科，30 個分類模塊。各院校指定的選課數(shù)，從1～581門不等，選課數(shù)統(tǒng)計不符合正態(tài)分布，因此統(tǒng)計選課數(shù)量的中位數(shù)。同時，為了觀測各院校的學生對組織教學內容的執(zhí)行情況，也統(tǒng)計了每門課程的平均在線時長，從而考察學生是否對組織教學課程有較好的完成率。按選課模塊總數(shù)從500～581 個、400～499個、300～399 個、200～299 個、100～199 個、1～99 個的分布排列（見圖2），綜合統(tǒng)計可見院校的選課數(shù)較多分布于100～199 個和1～99 個，985、211 院校和、雙一流院校和其他院校分布無顯著差異。相較于醫(yī)學專科院校，非醫(yī)學?？圃盒５倪x課數(shù)較多分布于1～99個課程的區(qū)間，普遍選課數(shù)較少，推測與各院校開設醫(yī)學類專業(yè)數(shù)有關。

圖2 各院校選課數(shù)分布

經分析可知，面對581 個實驗課內容，985、211 院校和雙一流院校相較于其他院校，選課門數(shù)的中位數(shù)分別為83.00 個和96.00 個（見表3），顯著低于其他院校的165.00 個；非醫(yī)學?？圃盒＿x課數(shù)的中位數(shù)為116.00 個，顯著低于醫(yī)學?？圃盒５?94.00 個。統(tǒng)計每課程平均在線時長發(fā)現(xiàn)，本科院校顯著高于?？圃盒?，醫(yī)學院校顯著高于非醫(yī)學院校，985 院校與其他院校無顯著差異?？梢娤鄬τ趯？圃盒?，本科院校雖然選課門數(shù)更多，但也保證了每門課程的學習時長相對更長，其參與組織教學的學生完成率普遍較高。醫(yī)學?？圃盒Ρ确轻t(yī)學院校也存在同樣規(guī)律，從選課模式與數(shù)量的角度反映了該平臺呈現(xiàn)的內容更符合醫(yī)學院校學生的預期，并且在該學期作為可以長期應用的學習工具被廣泛使用，在這一過程中，本科院校的組織教學情況優(yōu)于?？圃盒！?/p>

表3 各院校選課門數(shù)統(tǒng)計 個

2.4 各實驗模塊建設及使用情況分析

2.4.1 虛擬仿真平臺已建設內容分析

優(yōu)于該平臺各個模塊均為各院校通過校企合作方式，由各院校教師團隊主導開發(fā)后，在各院校內部使用，而該平臺作為對所有已開發(fā)醫(yī)學模塊的匯總平臺，對其現(xiàn)有運行內容的統(tǒng)計分析，可反應出各院校虛擬實驗中心的建設現(xiàn)狀。目前平臺開設的581 個實驗課程，按所服務的專業(yè)內容劃分，基本被包含在9 個不同的醫(yī)學類學科中。其中，基礎醫(yī)學類項目開設的模塊和實驗課程最多，共涉及12 個模塊，共計282 個虛擬實驗課程；而護理學、法醫(yī)學、口腔醫(yī)學等學科建設內容相對較少（見表4）。具體的實驗建設，根據(jù)其體現(xiàn)的不同內容，主要分為：視頻類、互動操作類、答題類、示教類等不同性質的內容。因此，各實驗模塊，在內容量和使用體驗上均存在較大差異，也導致了完整完成每個實驗課所需的時間存在較大差異。并且，某些側重綜合性思維訓練的院校還開設了綜合設計性虛擬實驗，在實驗課程內涉及到系統(tǒng)的科研思維訓練和多學科交叉融合學習。

表4 各學科分類已建設虛擬實驗模塊詳情

綜上所述，目前平臺構建的虛擬實驗內容，反映出了各醫(yī)學院校在虛擬平臺端各學科間建設投入的不平衡和內容的單一性：各模塊建成課程數(shù)量存在巨大差異，且普遍存在開設單一內容實驗現(xiàn)象，缺少多學科交叉的綜合性思維訓練實驗。

虛擬實驗模塊建設的質量直接影響著用戶體驗及對相應知識點的學習效率，現(xiàn)如今自媒體業(yè)務發(fā)展勢頭良好，很多利用碎片時間進行信息化傳播的軟件內容深受學生喜愛。因此，專業(yè)的虛擬實驗建設也應該兼顧當代學生的使用習慣，充分結合實驗的科學性內涵，將原本的實驗原理講解、細節(jié)視頻示范、規(guī)范化步驟操作、人性化考評體系，等多方便、多體系內容加以融會貫通的虛擬實驗內容設計，更符合學生需求，而學科交叉的綜合性虛擬實驗正是很好的體現(xiàn)形式。平臺上目前已建設的綜合性實驗主要為臨床綜合實驗設計和藥學綜合實驗設計，涉及到：中藥急性毒性試驗LD50 的測定、未知藥物A 最大耐受量虛擬仿真教學軟件、補肺益氣膠囊對慢性阻塞性肺疾病模型大鼠肺功能及血氣的影響、基于臨床案例的器官系統(tǒng)整合醫(yī)學虛擬仿真實驗-心血管系統(tǒng)等內容。學科綜合能力學習，非常有助于基礎理論的實際應用，無論從事臨床、科研、教學、管理工作，綜合能力都是不可或缺的能力，虛擬仿真實驗在今后的建設和對已有內容的優(yōu)化中，更應開發(fā)信息化教學本身具有的統(tǒng)籌和綜合多學科交叉優(yōu)點，進一步拓展和完善綜合性實驗設計項目。

2.4.2 各模塊使用熱度分析

虛擬實驗項目使用熱度分析可反應師生對哪些課程或內容具有實際的學習需求，一般使用熱門的模塊項目，多具有設計內容生動，選擇知識點合理，用戶體驗佳，具有良好互動性等優(yōu)點?？紤]到單純對點擊量的計量資料統(tǒng)計，并不足以判斷是否具體在某一實驗內容上產生了有效的學習過程。綜合各實驗內容設計內容，當某一實驗課產生連續(xù)在線1 h 及以上的學習時長時，可基本確保學生對實驗流程的完整體驗和有效的學習，因此同時統(tǒng)計了在同一實驗項目中人均學習超過1 h的實驗課程，與該實驗產生學習時長人數(shù)的百分比（見表5），以反映產生有效學習的各模塊的使用熱度。

表5 人均使用時長超過1 h的實驗課程在各實驗課中占比統(tǒng)計 %

經統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，基礎醫(yī)學的課程內容，在各年級中普遍具有較高的使用熱度，在各個模塊中，實驗室基本操作的使用熱度最高。從所有院校各年級使用總量分析，可見雖然法醫(yī)學、護理學、中醫(yī)學和中西醫(yī)結合學科的已建設內容顯著少于其他學科，但是在某些年級里具有較高的使用率。

基礎醫(yī)學內容的使用熱度與該學科虛擬實驗內容的構建相對系統(tǒng)和完整具有密切關系，回顧分析基礎醫(yī)學內容的選課量和點擊量也同樣較高于其他學科內容，再次說明了良好的資源提供和組織教學，是保障信息化教學質量的重要條件。在今后醫(yī)學類虛擬實驗內容開發(fā)和優(yōu)化中，更應注重各學科的系統(tǒng)性和對接信息化的適應性。為找到熱門模塊的共同點，并分析不同年級學生選擇實驗模塊的習慣，又對各模塊中使用量超過1 h的實驗課程排名做了整理（見表6）。

表6 各模塊中被使用排名前5 的實驗課程

綜合分析得知，2015 級各院校使用量最多的均為臨床醫(yī)學模塊的相關內容；2016 級使用熱門模塊集中于分子生物學和護理學；2017～2019 級的熱門模塊分布于：分子生物學、微生物學、實驗動物學、實驗室基本操作。其中，實驗室基本操作模塊中的“移液槍基本操作”實驗項目，是諸多高校使用量最高的實驗項目。在熱門模塊分子生物學中，使用較多的項目集中于“熒光定量PCR”和“Western Blot”；在微生物學模塊中，使用較多的項目集中于“普通光學顯微鏡使用”和“革蘭氏染色”；在實驗動物學模塊中，使用較多的項目集中于“家兔的手術操作”和“大鼠的手術操作”。由此可見，在2015 級和2016 級學生中，側重于選擇更與臨床和實操相關的實用性強的實驗項目；在2017-2019 級學生中，側重于選擇基礎研究相關內容，這符合各年級的培養(yǎng)計劃和學習習慣。值得關注的是，在中醫(yī)藥院校，有關中醫(yī)學、中藥學模塊使用頻次并并沒有顯著的傾向性，推測與目前中醫(yī)學相關內容的系統(tǒng)性建設較少有關，而在基礎醫(yī)學學科內容上，動物實驗操作、微生物實驗操作等模塊中，中醫(yī)藥院校的使用量和使用習慣與綜合院校相近，可見中醫(yī)藥院校也同樣在大力推進基礎醫(yī)學的操作學習和對科學研究的重視。

3 結論與討論

（1）信息化教學模式或成常態(tài)化。2020 年伊始，在開展疫情期間線上教學，虛擬仿真實驗平臺起到了不可或缺的重要作用，這也反映出國家在教育理念上的先導性，已經完成建設的虛擬平臺在疫情期間的應用起到了信息化教育中流砥柱作用。通過上述統(tǒng)計分析，在2020 年2～7 月這個特殊的學期中，使用醫(yī)學MOOC平臺的264 所院校普遍開展了有組織的信息化教學。985、211 院校在教學模式的開展處于領先地位，學生的學習能力更多樣化，在線學習方式傾向于點對點直接學習，選用內容精準，人均使用時長普遍較高于其他院校。中醫(yī)藥院校對比綜合性院校和醫(yī)學院校在選課內容、學習習慣分布上，無顯著差異，一般低年級學生集中選擇基礎醫(yī)學相關課程；高年級學生集中選擇臨床課程的學習規(guī)律?？梢娮越逃客七M虛擬仿真實驗建設以來，各院校對于信息化教學開展，均做出相應的努力，并且也在一定程度上形成了虛實結合的教學模式，但對于已建設內容的高效應用、優(yōu)化和后續(xù)評價，對于信息化教育的長期發(fā)展同樣至關重要。

虛擬仿真實驗是信息化技術對實驗實訓課程內容的融入，提升了實驗課學習的互動性，“虛實結合”的教學模式拓展了常規(guī)課堂學習內容的深度和廣度，將沉浸式學習時間從課堂延伸到線上，對于信息化教學中提升實驗教學質量和水平起到了至關重要的作用，并且虛擬仿真實驗課因其所具備的高階性、創(chuàng)新性和對綜合性能力訓練的挑戰(zhàn)性，使其具備“金課”建設的重要基礎。在線教育在疫情中擔當使命，成為綜合考慮可被優(yōu)選的主流方案，教育從業(yè)者在此洪流中迅速轉變了“直播教學”，“線上講課”的新教學模式。當下，信息化教學處于互聯(lián)網普及時代［2-3］，具有不受空間時間限制等優(yōu)點，但其是否實際有助于提高學習效率，或是否可以形成線下教學的深度延續(xù)一直在被反復探討中。疫情的發(fā)生使大學教學的空間受限，線上學習被迫成為主戰(zhàn)場，至新學期開課以來，是否在學生不大量聚集的前提下繼續(xù)開展線上教學也被多次討論［4-5］。而今，大學教育重歸線下，在今后的教學習慣上，線上教育都會保有其一定的地位，在時間和空間上繼續(xù)發(fā)揮其顯著優(yōu)勢。因此，也對高等教育從業(yè)者提出了更高的要求，須提供更高質量與時俱進的信息化教學內容［6］。

（2）目前的虛擬實驗項目建設內容存在不平衡。實驗教學不同于基礎理論教學，其本身具有科學性和延展性，且伴隨科技水平的不斷提高，從計算機使用習慣到實驗程序設計內容，科學實驗更應結合新興的技術形式，體現(xiàn)尖端科研理念，實驗內容的構建固然重要，但放眼目前的虛擬實驗市場，諸多線上產品以視頻內容作為學習主題，這一類虛擬實驗在使用時，缺乏互動性和生動性，用戶參與度低，因此視頻類虛擬實驗課程通常缺少有效的評價體系。而產生人機交互和計分點的操作類實驗課程，在信息化教學中更具有便利性與沉浸式體驗感，尤其是多學科融合的綜合實驗設計類課程［7-9］。

在本次分析中，通過匯總使用時長超過1 h 的模塊內容及使用量最高的實驗課程，雖然基礎醫(yī)學類實驗課程目前建設的數(shù)量和內容最多，但在建設中的模塊，如護理學、藥學等，也產生了較多的使用時長及使用率，體現(xiàn)了使用熱度，可見在線時長也應作為重要的權重內容參與實驗項目的評價。對于不同性質的課程，在今后虛擬實驗的建設中，除重視其內容的新穎性和科學性，也應添加對于點擊量、在線時長、選課內容、互動得分等多方面的全面統(tǒng)計［10-11］，以“金課”標準完善虛擬實驗建設。在后續(xù)的平臺建設中，還應注重提高平臺的使用效率與維護，尤其是綜合性實驗項目的建設。目前的虛擬實驗建設尚未完全滿足各學科各專業(yè)線上教學的需求，而內容的建設是影響教師選課安排及學生學習體驗和效果的關鍵因素，需要持之以恒的優(yōu)化內容、完善體系和反復在實踐中檢驗，結合各學科特點，考慮不同的難度梯度，加強用戶體驗［12-13］，尤其注重綜合性實驗設計的構建。

（3）信息化教學應注重教學管理及學習效果評價。在統(tǒng)計中，發(fā)現(xiàn)985、211 院校及雙一流院校，普遍選課數(shù)少，但人均使用時長顯著高于其他院校。中醫(yī)藥院校在使用虛擬平臺時，對于基礎醫(yī)學課程同樣重視，并且在實驗室操作、科研基本技能等內容的學習有和綜合性院校同等的學習熱度。各高校均存在低年級學生傾向于選擇基礎課程模塊學習，高年級學生傾向于選擇臨床和實踐性強的課程?？颇K學習，可見各院校、不同年級學生，對于信息化學已經建立了線下學習習慣的延續(xù)，但985 院校的組織教學管理較為突出，因此相應內容的虛擬實驗學習有較高的用戶熱度。

在以往的日常教學中，虛擬實驗往往作為學生日常某個課程中得分的小部分評價，并且目前建設的虛擬平臺，幾乎未設置反映用戶評價及對虛擬實驗整體的系統(tǒng)性評價。在今后信息化教學平臺的建設中，應考慮融合“使用率-在線時長-得分”三位一體的評價體系，用于其評價和優(yōu)化［14］。使用率體現(xiàn)了學科內容在課堂學習中最不能被滿足的部分，亦是學生最希望通過網絡學習呈現(xiàn)的內容；在線時長反應了學生學習態(tài)度和效果——一定時長的使用時間是保障沉浸式學習的前提；得分體現(xiàn)了對于實驗學習的掌握情況，且能反映出部分學習細節(jié)的差異［15］。

4 結語

在國家虛擬仿真實驗中心建設開展以來，有關線上學習，尤其是實驗學習的虛擬平臺也一直是高校開發(fā)的重點和熱點，信息化教學帶動虛擬實驗等新興教學手段發(fā)揮作用，以適合新時代下學生的學習行為，尤其在當下，疫情導致線上教學稱為常態(tài)化［16］。在特殊的疫情學期中，虛擬實驗體現(xiàn)出了其優(yōu)越的使用便利性，但在今后的發(fā)展中，還需要配合教學，不斷完善。同時，虛擬實驗的人機交互模式，弱化了課堂氣氛的人文互動感，而時代的發(fā)展越發(fā)使年青一代更注重發(fā)揚個性，長時間的純線上教學如何能彌補線下教師、同學的互動和關懷，在虛擬實驗的設計中穿插更多的人文元素，結合課程思政也是當下虛擬實驗發(fā)展需要注重的問題。讓實驗構建成為有溫度的實驗，讓學科建設成為有溫情的學科。在今后的虛擬平臺建設和維護工作中，將繼續(xù)推進虛擬平臺的使用情況與改進工作。