虛擬仿真系統(tǒng)在高職藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用*

李子玄 江增宏 陳天宇 盧佳佳

合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)院,安徽省巢湖市 238000

目前,我國(guó)教育信息化不斷深入,醫(yī)學(xué)虛擬仿真技術(shù)也取得了較大進(jìn)步,在新一輪職教改革的浪潮中,虛擬仿真教學(xué)嶄露頭角,并逐漸成為重要的引領(lǐng)技術(shù)之一。國(guó)外高校如麻省理工學(xué)院、英國(guó)開(kāi)放大學(xué)等憑借信息技術(shù)的快速發(fā)展,紛紛建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),不斷探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、模式、手段的變革[1]。國(guó)內(nèi)高校借助虛擬仿真技術(shù),也在進(jìn)行全方位、多層次的教學(xué)革新。

高職醫(yī)學(xué)院校中藥理學(xué)是一門重要的橋梁學(xué)科,它連接著基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué),同時(shí)藥理學(xué)也具有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)屬性,實(shí)驗(yàn)教學(xué)在醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中占有重要地位,但部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生開(kāi)展,在一定程度上影響了創(chuàng)新型、應(yīng)用型醫(yī)療人才的培養(yǎng)。為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平,突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端,藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)迫切需要改革創(chuàng)新。隨著醫(yī)學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)可以探索開(kāi)展虛擬仿真教學(xué),創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[2-3]。

1 傳統(tǒng)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)窘境

1.1 難以觀測(cè)到微觀層面 藥理學(xué)屬于生命科學(xué),藥理學(xué)中大多數(shù)藥物要進(jìn)入機(jī)體內(nèi)并與相應(yīng)受體結(jié)合,發(fā)揮調(diào)控能力,但這些藥物調(diào)控過(guò)程普遍是在細(xì)胞分子水平上完成的,傳統(tǒng)的宏觀實(shí)驗(yàn)無(wú)法觀察到受體接受藥物調(diào)控的微觀過(guò)程,學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)感到很抽象,難以理解,因此限制了實(shí)驗(yàn)效果和教學(xué)質(zhì)量。

1.2 不符合“3R原則”傳統(tǒng)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)存在大量的重復(fù)教學(xué),醫(yī)學(xué)院校中絕大部分專業(yè)都開(kāi)設(shè)了藥理學(xué)課程,因此每年傳統(tǒng)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)都要用到大量實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,動(dòng)物的價(jià)格較高,學(xué)校實(shí)驗(yàn)支出資金緊張。如牛蛙、小白鼠、家兔等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物不僅價(jià)格昂貴,而且從實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理保護(hù)角度而言,僅僅出于教學(xué)目的而大量殘殺動(dòng)物,不符合“3R原則”[Reduction(減少)、Replacement(替代)和Refinement(改進(jìn))][4]。

1.3 實(shí)驗(yàn)藥品問(wèn)題 傳統(tǒng)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)用的麻醉類和精神類藥物屬于管制藥品,一方面購(gòu)買不方便,有諸多限制;另一方面在實(shí)驗(yàn)室保管上也存在安全風(fēng)險(xiǎn)。在家兔麻醉過(guò)程中,使用的20%烏拉坦溶液可通過(guò)呼吸道進(jìn)入體內(nèi),該藥物是可疑的人類致癌物,健康危害為藍(lán)色等級(jí)。

1.4 部分實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn) 在傳統(tǒng)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)中,有些實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度太長(zhǎng),有些實(shí)驗(yàn)存在一定危險(xiǎn)性,還有一些實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求苛刻,導(dǎo)致實(shí)際教學(xué)中難以開(kāi)展。因此,針對(duì)以上傳統(tǒng)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的種種困難,創(chuàng)新教學(xué)方式勢(shì)在必行,借助現(xiàn)代虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù),開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種積極探索。

2 藥理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用方法 研究對(duì)象：選擇我校高職三年制2020級(jí)康復(fù)專業(yè)3、4、5、6班共計(jì)146名學(xué)生,高職一年級(jí)第二學(xué)期。在第一學(xué)期學(xué)習(xí)過(guò)《生理學(xué)》和《人體形態(tài)學(xué)》等基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課程,有一定的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)。教材選用王開(kāi)貞、李衛(wèi)平編著的《藥理學(xué)》(人民衛(wèi)生出版社,2020年10月第8版)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)：我校與成都某公司共同建設(shè)的VMC-100醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)內(nèi)容主要為機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué),包含生理學(xué)和藥理學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),可以通過(guò)電腦和手機(jī)端口訪問(wèn),既方便線下統(tǒng)一考核,又方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊中包含實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)器械的介紹,學(xué)生可以詳細(xì)了解實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)。教學(xué)模塊核心是模擬實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程,學(xué)生通過(guò)一步一步的操作流程虛擬還原傳統(tǒng)的操作步驟,此外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獨(dú)有的實(shí)驗(yàn)波形模擬和標(biāo)記對(duì)比等功能可以將抽象內(nèi)容圖形化、圖表化。目前我校開(kāi)展的藥理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要為綜合性實(shí)驗(yàn),如強(qiáng)心苷對(duì)離體蛙心的影響、尼可剎米對(duì)家兔呼吸運(yùn)動(dòng)的影響、藥物對(duì)家兔動(dòng)脈血壓的影響、影響尿生成的因素及利尿藥物等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、藥品及器械、實(shí)驗(yàn)方法與步驟為中心進(jìn)行展開(kāi),并且包含實(shí)驗(yàn)觀察、注意事項(xiàng)和思考題三個(gè)方面進(jìn)行啟發(fā)教學(xué)。此外還包含機(jī)能實(shí)驗(yàn)考試功能,加入了11個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)的考試評(píng)分系統(tǒng),學(xué)生可以進(jìn)行模擬步驟的考試測(cè)驗(yàn),教師可以通過(guò)平臺(tái)了解學(xué)生的掌握情況。

教學(xué)過(guò)程：首先由教師講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)對(duì)象,再結(jié)合系統(tǒng)中預(yù)先準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)視頻講解實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng),然后學(xué)生利用手機(jī)通道登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心,依次學(xué)習(xí)簡(jiǎn)介、原理、視頻,再進(jìn)行虛擬仿真操作,最后完成考試。以藥物對(duì)家兔血壓的影響實(shí)驗(yàn)為例,先通過(guò)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介了解心血管活動(dòng)的藥物對(duì)血壓的作用知識(shí)后,再進(jìn)入到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模擬操作中,通過(guò)步驟引導(dǎo)式的訓(xùn)練方法,在工具選擇和知識(shí)點(diǎn)考核環(huán)節(jié)中,充分發(fā)揮學(xué)生自主思考和探索能力,完成實(shí)驗(yàn)操作后,在波形演示中自由選擇藥物或干擾處理,觀察生物機(jī)能的波形變化,掌握藥物的藥理作用。最后在實(shí)驗(yàn)成績(jī)報(bào)告中回顧課程內(nèi)容,提交成績(jī)后由平臺(tái)統(tǒng)一管理。

2.2 效果評(píng)價(jià) 對(duì)藥理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的評(píng)價(jià)主要通過(guò)學(xué)生座談和問(wèn)卷調(diào)查的形式進(jìn)行。召集實(shí)驗(yàn)班級(jí)的146名同學(xué)進(jìn)行座談,了解學(xué)生們對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的感受,并且通過(guò)問(wèn)卷星軟件進(jìn)行問(wèn)卷設(shè)計(jì)和發(fā)放,最終發(fā)放146份問(wèn)卷,回收146份,回收率100%,其中146份有效,0份無(wú)效。

2.3 結(jié)果 問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)問(wèn)卷調(diào)查(n=146)

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和展望

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì) 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣,其天然具備新技術(shù)、新模式的屬性,對(duì)于高職學(xué)生來(lái)說(shuō)具有獨(dú)特的吸引力,其中的人機(jī)交互、場(chǎng)景還原和動(dòng)畫(huà)演示,讓學(xué)生更愿意去了解和學(xué)習(xí),從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上幫助學(xué)生在腦中更容易構(gòu)筑形象的知識(shí)內(nèi)容。系統(tǒng)中包含的考核模塊,可以自動(dòng)完成對(duì)學(xué)生的操作打分,實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)層層遞進(jìn),類似于一個(gè)個(gè)關(guān)卡,學(xué)生通過(guò)不斷闖關(guān)獲得獎(jiǎng)勵(lì),從而達(dá)到最終目標(biāo),充分培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維[5]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎眠B接教師的理論講解和學(xué)生的實(shí)際操作。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)反復(fù)練習(xí),加強(qiáng)細(xì)節(jié)操作,能有效提高學(xué)生的成功率和自信心[6]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中教師往往難以解決圍觀式教學(xué)難題,應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)每個(gè)同學(xué)都可以在系統(tǒng)中全面對(duì)實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)進(jìn)行反復(fù)觀察,并且教師也可以通過(guò)系統(tǒng)中設(shè)置的考核,了解學(xué)生們的薄弱點(diǎn),進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法匹敵的優(yōu)勢(shì),學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)跨越時(shí)間和空間的限制隨時(shí)完成課前預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的任務(wù),為信息化教學(xué)提供多樣化的選擇[7]。

3.2 展望 在本次研究中,可以看到雖然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有很大優(yōu)勢(shì),但是目前依舊無(wú)法完全替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),通過(guò)與學(xué)生們的座談,筆者認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在如下幾點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)：第一,提高仿真程度。我校與軟件公司合作建設(shè)的VMC-100醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)目前資源量較少,虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)也比較簡(jiǎn)陋,主要還是以動(dòng)畫(huà)的形式呈現(xiàn),仿真程度比較低,學(xué)生缺乏實(shí)操的真實(shí)感。因此,可以開(kāi)發(fā)更高清的實(shí)錄視頻,給出更多的實(shí)驗(yàn)分支結(jié)局,增加實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的隨機(jī)性反應(yīng),補(bǔ)充微觀變化的動(dòng)畫(huà)演示,從而提高軟件仿真程度。第二,增加更多交互方式。目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的交互方式比較簡(jiǎn)單,主要以圖片選擇題形式出現(xiàn),部分學(xué)生只是通過(guò)不斷嘗試,排除錯(cuò)誤選項(xiàng)。因此,有必要增加更多的交互方式,例如引入VR、AR等技術(shù),利用三維的模擬技術(shù),增加一些力反饋技術(shù),全面提高學(xué)生的實(shí)操水平,鍛煉學(xué)生的操作手法。同時(shí)也要增加更多的實(shí)驗(yàn)分支操作過(guò)程和結(jié)果,學(xué)生可以在錯(cuò)誤分支中總結(jié)經(jīng)驗(yàn),調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)興趣和積極性,提高實(shí)驗(yàn)成功率。第三,加強(qiáng)系統(tǒng)共同開(kāi)發(fā)。虛擬仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要軟件公司和一線教師共同合作,割裂、閉環(huán)的系統(tǒng)生態(tài)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)今的教學(xué)要求。目前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)仍舊存在教學(xué)需求和系統(tǒng)內(nèi)容支持不匹配,例如一線教師需要的評(píng)價(jià)體系未能健全,更無(wú)法為學(xué)生提供個(gè)性化的培養(yǎng),以及醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生需要鍛煉的操作能力,其中的關(guān)鍵應(yīng)該是能力反饋技術(shù)也非常缺乏。因此由一線教師反饋實(shí)際教學(xué)中的意見(jiàn),再由軟件公司進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化,才能不斷加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)用性[8]。

綜合以上情況來(lái)看,虛擬仿真系統(tǒng)在高職院校藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著廣闊的應(yīng)用前景,更多的教師應(yīng)該積極嘗試新技術(shù),改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式,并且進(jìn)一步深度地應(yīng)用和探索,為學(xué)生提供更加多元化的學(xué)習(xí)方式,更加豐富的教學(xué)內(nèi)容,提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,逐步完善藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,完成職業(yè)教育改革賦予的使命。但是,我們也要了解虛擬仿真系統(tǒng)目前存在的問(wèn)題,明白“仿真”并不等于“真實(shí)”,不能用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。因此,需要進(jìn)一步探究“虛實(shí)”結(jié)合的新模式,增加一部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展,卻又非常重要的內(nèi)容,減少一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)浪費(fèi)嚴(yán)重、危險(xiǎn)性大的內(nèi)容?！耙詫?shí)為主、以虛為輔,實(shí)虛結(jié)合”,不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?不斷完善評(píng)價(jià)體系,推進(jìn)高職藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新發(fā)展,不斷提高教學(xué)質(zhì)量,為社會(huì)提供更優(yōu)秀的醫(yī)學(xué)人才。