虛擬仿真輔助教學(xué)模式應(yīng)用于醫(yī)藥專業(yè)技能型人才培養(yǎng)中的實證研究
——以生物化學(xué)實驗教學(xué)為例

李 斌 桂 雄 甘建華

（廣西科技大學(xué)醫(yī)學(xué)部生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室,廣西 柳州 545006）

隨著新技術(shù)、新方法在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用，培養(yǎng)高水平技能型人才對教學(xué)、科研及臨床檢驗工作越來越重要。生物化學(xué)是醫(yī)藥、生命科學(xué)等相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課，在醫(yī)藥類技能型人才的培養(yǎng)中具有重要作用，其主要研究生命系統(tǒng)的物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律，以及這些規(guī)律在有機(jī)體中的應(yīng)用[1]。生物化學(xué)實驗課程是通過層析、比色、電泳等基礎(chǔ)實驗技術(shù)，研究蛋白質(zhì)、酶、糖、脂、核酸等物質(zhì)及代謝過程，從而驗證生物化學(xué)的基本理論知識，同時培養(yǎng)學(xué)生初步的實驗操作能力與科研習(xí)慣[2]。但是生物化學(xué)理論知識相對抽象，實驗操作步驟煩瑣且技術(shù)要求高，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生在實驗過程中往往會遇到一些問題，導(dǎo)致實驗失敗，而且學(xué)生一般沒有足夠的時間重復(fù)實驗過程，從而不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果[3-6]。學(xué)生如何提高實驗操作技能，提升實驗成功率，并深刻掌握理論知識，是目前生物化學(xué)實驗教學(xué)中亟待解決的問題[7]。

基于上述原因，在以課件和示教操作為主要教學(xué)手段的常規(guī)實驗教學(xué)模式下，本研究實施了將虛擬仿真實驗技術(shù)引入生物化學(xué)實驗課程教學(xué)，并通過調(diào)研問卷及考試成績等方式來測評教學(xué)效果，同時利用專業(yè)心理學(xué)量表評估虛擬仿真實驗技術(shù)的應(yīng)用對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的影響[8-11]。一方面，從理論上分析虛擬仿真實驗技術(shù)在生物化學(xué)實驗課程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及可行性；另一方面，從實踐中探討虛擬仿真實驗技術(shù)在生物化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用效果及評價方法。本研究通過對生物化學(xué)實驗課中運用虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的混合教學(xué)法的分析，探討“虛擬+現(xiàn)實”方法在生物化學(xué)實驗教學(xué)中應(yīng)用的可行性，旨在為醫(yī)學(xué)院校培養(yǎng)高水平醫(yī)藥類技能型人才提供不同的策略。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象及分組

隨機(jī)選取廣西科技大學(xué)醫(yī)學(xué)部2021級藥學(xué)專業(yè)83名本科生（具有相同專業(yè)背景、相同學(xué)情），并隨機(jī)分為兩組：進(jìn)行傳統(tǒng)常規(guī)授課的常規(guī)實驗教學(xué)組（共42人，分成7隊）和采用“虛擬+現(xiàn)實”模式教學(xué)的虛擬仿真實驗教學(xué)組（共41人，分成7隊）。虛擬仿真實驗教學(xué)組以“實驗空間——國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺”作為虛擬仿真練習(xí)平臺。全部實驗教學(xué)過程中除虛擬仿真實驗教學(xué)組采用虛擬仿真練習(xí)平臺外，兩組采用統(tǒng)一的教學(xué)大綱、教材、PPT等實驗教學(xué)資料；選用相同環(huán)境實驗室、實驗項目、實驗器械與試劑耗材等實驗教學(xué)硬件；授課教師相同并且授課過程中保持教學(xué)與情感能力一致；全部實驗教學(xué)過程中學(xué)生對教學(xué)研究均知情。據(jù)此，保證本次實驗教學(xué)模式改革探索具有科學(xué)意義。

1.2 教學(xué)模式設(shè)置

根據(jù)生物化學(xué)課程教學(xué)大綱，生物化學(xué)實驗課主要包括血清蛋白測定及電泳、堿性磷酸酶Km值測定、胰島素及腎上腺素對血糖濃度的影響、DNA提取及分子克隆等實驗項目。本文僅以分子克隆的實驗章節(jié)為例，闡述虛擬仿真對現(xiàn)實教學(xué)的影響。

常規(guī)的實驗課堂教學(xué)模式是課堂上進(jìn)行PPT講解（或課前觀看實驗操作視頻），然后通過教師示范，再由學(xué)生自己獨立操作實驗。而虛擬仿真輔助現(xiàn)實的教學(xué)模式是讓學(xué)生實驗前在虛擬仿真練習(xí)平臺模擬實驗操作，隨后再對學(xué)生進(jìn)行常規(guī)實驗課堂教學(xué)，實驗課后，學(xué)生可繼續(xù)利用虛擬仿真練習(xí)平臺練習(xí)實驗操作，并對實驗過程、結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)。

1.2.1 常規(guī)實驗教學(xué)組教學(xué)模式

常規(guī)實驗教學(xué)組學(xué)生在開課前按要求進(jìn)行1個學(xué)時的視頻觀摩及理論預(yù)習(xí)。正式實驗開始時，由教師在課堂上講解實驗原理、實驗?zāi)康募皩嶒灧椒ㄅc步驟等，實驗主要涉及PCR產(chǎn)物的酶切與連接、質(zhì)粒轉(zhuǎn)化及藍(lán)白斑篩選等。教學(xué)過程中，對于特定酶等試劑，教師均會強(qiáng)調(diào)用途與劑量，并且通過課堂提問的方式增強(qiáng)學(xué)生的記憶。對于實驗步驟中的重點、難點、細(xì)節(jié)及注意事項，均做出標(biāo)記。講解結(jié)束后，學(xué)生開展實驗，實驗全程教師均進(jìn)行答疑并糾正學(xué)生的不當(dāng)操作。實驗結(jié)束后學(xué)生須完成實驗報告，將實驗結(jié)果與分析呈現(xiàn)在實驗報告里。

1.2.2 虛擬仿真實驗教學(xué)組教學(xué)模式

相比常規(guī)實驗教學(xué)組，虛擬仿真實驗教學(xué)組的學(xué)生除了常規(guī)實驗教學(xué)外，還需提前在線上進(jìn)行1個學(xué)時的虛擬仿真實驗操作練習(xí)，在虛擬仿真操作過程中，每個學(xué)生至少重復(fù)5次～6次虛擬實驗。學(xué)生通過虛擬仿真練習(xí)，對實驗原理、實驗步驟甚至試劑的作用進(jìn)行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，熟悉實驗中的注意事項及實驗細(xì)節(jié)；同時，實驗難點內(nèi)容均出現(xiàn)在模擬的實驗環(huán)節(jié)中，并以提問的方式促進(jìn)學(xué)生掌握細(xì)節(jié)。除此之外，虛擬仿真實驗教學(xué)組與常規(guī)實驗教學(xué)組教學(xué)模式保持一致（見圖1）。

圖1 生物化學(xué)實驗課虛擬仿真實驗教學(xué)組與常規(guī)實驗教學(xué)組的教學(xué)模式對比

1.3 教學(xué)效果評估

1.3.1 實驗操作規(guī)范率及實驗成功率對比分析

本次分子克隆實驗的大致步驟如下：質(zhì)粒構(gòu)建，酶切及連接酶連接，純化質(zhì)粒，將質(zhì)粒導(dǎo)入感受態(tài)大腸桿菌中，再將收集的工程菌涂布于加有抗生素與IPTG的平皿，隨后常規(guī)培養(yǎng)12 h～16 h，即可觀察藍(lán)白斑菌落。

在該分子克隆實驗中，將以下操作作為實驗操作規(guī)范率評估標(biāo)準(zhǔn)：（1）移液器加取微量溶液時，是否懸空或者加在管壁；（2）Trans 5α感受態(tài)細(xì)胞與酶連接體系的熱激時間是否顯著不足或超過90 s；（3）涂布平皿是否規(guī)范；（4）無菌操作是否規(guī)范。并對兩組學(xué)生實驗操作規(guī)范率進(jìn)行對比分析。

對于實驗教學(xué)而言，學(xué)生實驗的成功率是評估教學(xué)效果的最直接指標(biāo)。本實驗項目中，出現(xiàn)的白色菌落代表轉(zhuǎn)染的菌落，藍(lán)色菌落代表沒轉(zhuǎn)染的菌落。平皿中出現(xiàn)藍(lán)白斑，即表示實驗成功。因此，每組的成功率=每組出現(xiàn)藍(lán)白斑的平皿數(shù)/每組總平皿數(shù)。最后，對兩組學(xué)生實驗成功率進(jìn)行對比分析。

1.3.2 實驗理論測試成績與實驗報告成績對比分析

依據(jù)教學(xué)大綱要求，對學(xué)生的實驗報告進(jìn)行打分，同時進(jìn)行實驗理論相關(guān)習(xí)題測試。針對實驗報告，主要評估實驗報告中的結(jié)果分析及對重難點的掌握情況。實驗理論習(xí)題測試內(nèi)容主要包括本實驗理論知識、實驗試劑用途、實驗儀器使用等，評估學(xué)生對實驗理論知識的掌握情況。實驗報告與實驗理論測試打分均采用百分制，并對兩組學(xué)生成績進(jìn)行對比分析。

1.3.3 問卷調(diào)查及學(xué)習(xí)主動性評估

實驗教學(xué)結(jié)束后，以問卷調(diào)查等方式，評估學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握程度，并讓學(xué)生對實驗課程難易程度進(jìn)行評分。同時通過專業(yè)的心理學(xué)量表評估學(xué)生對課程的興趣度。所有的評估均采用無記名問卷形式開展，并對兩組學(xué)生的調(diào)查問卷與心理學(xué)量表進(jìn)行對比分析。

1.4 統(tǒng)計方法

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)資料分析，實驗計量數(shù)據(jù)以（x±s）表示。采用t檢驗，以P＜0.05作為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 實驗教學(xué)對比分析結(jié)果

2.1 實驗操作規(guī)范率及實驗成功率的結(jié)果比較

實驗操作規(guī)范率及實驗成功率結(jié)果如表1所示。虛擬仿真實驗教學(xué)組的實驗成功率高達(dá)95.12%，而常規(guī)實驗教學(xué)組只有80.95%，兩者差異明顯。虛擬仿真實驗教學(xué)組實驗操作規(guī)范率也明顯高于常規(guī)實驗教學(xué)組，例如，常規(guī)實驗教學(xué)組規(guī)范熱激時長比率只有42.86%，而虛擬仿真實驗教學(xué)組高達(dá)100.00%，說明虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用有助于學(xué)生強(qiáng)化實驗技能。

表1 實驗操作規(guī)范率及實驗成功率的比較

2.2 實驗理論測試成績與實驗報告成績的結(jié)果比較

兩組學(xué)生實驗理論測試成績與實驗報告成績的結(jié)果如表2所示。虛擬仿真實驗教學(xué)組學(xué)生實驗理論測試成績?yōu)椋?1.2±5.8）分，高于常規(guī)實驗教學(xué)組學(xué)生的（88.3±6.7）分。虛擬仿真實驗教學(xué)組學(xué)生實驗報告成績?yōu)椋?2.6±3.2）分，高于常規(guī)實驗教學(xué)組學(xué)生的（82.7±5.2）分，二者差異顯著具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。因此，引入虛擬仿真技術(shù)，將虛擬實驗室作為開放實驗平臺，不僅能增強(qiáng)學(xué)生對實驗的理解，還能促進(jìn)學(xué)生對實驗理論知識的掌握。

表2 兩組學(xué)生實驗課程成績對比（平均值±誤差，分）

2.3 問卷調(diào)查及學(xué)習(xí)主動性評估的比較

分別從學(xué)生的課前學(xué)習(xí)情況、實驗過程中操作情況及實驗結(jié)束后對實驗的反思方面對問卷進(jìn)行設(shè)計。在實驗教學(xué)結(jié)束后，采用無記名投票的方式，讓學(xué)生對該實驗課程教學(xué)情況進(jìn)行反饋，共發(fā)放問卷83份，回收83份，并對學(xué)生的反饋情況進(jìn)行了統(tǒng)計，反饋結(jié)果如表3所示。其中，虛擬仿真實驗教學(xué)組學(xué)生參與虛擬仿真進(jìn)行開放實驗訓(xùn)練，有多人在課前參與訓(xùn)練。對“課前查閱相關(guān)問題”和“課前有實驗疑惑的人”的調(diào)查顯示，在常規(guī)實驗教學(xué)組中，有5人存在疑惑，但只存在2個問題，而在虛擬仿真實驗教學(xué)組中有高達(dá)15個問題，共18人提出了關(guān)于實驗細(xì)節(jié)的問題，而通過在課堂內(nèi)的講解，這些問題均得到有效解決。這說明進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練，可以讓學(xué)生真實感受實驗的進(jìn)展，在仿真實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題。在實驗過程中存在疑惑的人數(shù)，常規(guī)實驗教學(xué)組（27人）明顯高于虛擬仿真實驗教學(xué)組（11人），這表明通過虛擬仿真訓(xùn)練能提高學(xué)生解決實驗困惑與問題的能力。這也使得在“教師觀察時感覺緊張的人數(shù)”一項中，虛擬仿真實驗教學(xué)組僅有26人感受到緊張，明顯低于常規(guī)實驗教學(xué)組的35人。實驗結(jié)束后，在常規(guī)實驗教學(xué)組中，希望重復(fù)該實驗的人數(shù)高達(dá)30人。經(jīng)了解發(fā)現(xiàn)，這些學(xué)生認(rèn)為實驗失敗的主要原因是操作問題，希望通過再次實驗來解決這些問題。課后查閱相關(guān)實驗資料的人數(shù)，虛擬仿真實驗教學(xué)組也高于常規(guī)實驗教學(xué)組，說明虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。另外，實驗完成后，常規(guī)實驗教學(xué)組的部分學(xué)生對實驗細(xì)節(jié)記憶不深刻，甚至已經(jīng)忘記實驗細(xì)節(jié)，而虛擬仿真實驗教學(xué)組學(xué)生通過虛擬仿真訓(xùn)練，對實驗的記憶較深刻，所以就有更強(qiáng)烈的查閱相關(guān)實驗資料的訴求。對于實驗過程，學(xué)生整體上比較滿意，但是虛擬仿真實驗教學(xué)組學(xué)生的滿意率達(dá)到97.56%，明顯高于常規(guī)實驗教學(xué)組的78.57%，且虛擬仿真實驗教學(xué)組中超過60%的學(xué)生再次上線進(jìn)行實驗操作，這說明針對虛擬仿真實驗教學(xué)組的實驗授課效果更好，而且該組學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力有明顯提升。

表3 兩組學(xué)生對實驗參與感受的反饋調(diào)查問卷結(jié)果

3 結(jié)論與討論

在傳統(tǒng)的生物化學(xué)常規(guī)實驗教學(xué)中，學(xué)生常因?qū)嶒灢僮鳠┈嵖菰铩嶒灱夹g(shù)難度較高以及缺乏足夠多的實驗訓(xùn)練機(jī)會，導(dǎo)致實驗教學(xué)效果不佳。本研究結(jié)果顯示，相比常規(guī)實驗教學(xué)模式，基于虛擬仿真技術(shù)的開放實驗室與線下教學(xué)結(jié)合模式具有以下幾方面優(yōu)勢。

（1）有利于實驗室開放。本科生的生物化學(xué)實驗教學(xué)，常受到實驗場地、實驗器械與試劑以及實驗時間的限制，實驗無法隨時開展或者重復(fù)開展。而基于虛擬仿真技術(shù)的實驗，能夠有效解決以上問題，給學(xué)生提供足夠多的實驗室開放時間與機(jī)會。

（2）有利于提高實驗教學(xué)的趣味性及學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。生物化學(xué)實驗是一門相對抽象且枯燥的課程，其實驗過程較長、實驗步驟煩瑣。虛擬仿真實驗技術(shù)將實驗過程游戲化，增強(qiáng)了實驗操作的體驗感，可使學(xué)生從中獲得更多的實驗樂趣，增強(qiáng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意愿從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，如虛擬仿真實驗教學(xué)組中有多人在課前參與訓(xùn)練2次以上且實驗結(jié)束后超過60%的學(xué)生再次上線進(jìn)行實驗操作。

（3）有利于提升實驗課教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真實驗技術(shù)將實驗課程的課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)習(xí)可視化，將抽象的實驗方法具體化，減少了線下實驗過程中的細(xì)節(jié)問題，提高了學(xué)生實驗成功率、實驗理論掌握程度，以及實驗課程教學(xué)質(zhì)量，如虛擬仿真實驗教學(xué)組學(xué)生實驗理論測試成績與實驗報告成績均顯著高于常規(guī)實驗教學(xué)組（P＜0.05），并且虛擬仿真實驗教學(xué)組學(xué)生的實驗操作規(guī)范率及實驗成功率均高于常規(guī)實驗教學(xué)組。

綜上，基于虛擬仿真技術(shù)的開放實驗室具有開放性、趣味性等特點，通過虛擬仿真實驗輔助現(xiàn)實教學(xué)模式，可以提高學(xué)生生物化學(xué)實驗相關(guān)操作能力、提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力以及提高生物化學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量[12-15]，這種教學(xué)模式在實際教學(xué)中具備較強(qiáng)的可行性。更重要的是，該研究為利用虛擬仿真技術(shù)提高醫(yī)藥類技能型人才的操作水平，促進(jìn)技能型人才的培養(yǎng)，提供了一定的理論支持。