王晋 高丽

摘 要： 虚拟仿真实验在机能学实验教学以计算机操作和网络技术相结合的一种实验教学，有利于学生更系统，更形象的学习，培养学生的想象力，并全面提高教学实验水平。

关键词：虚拟仿真实验 机能学实验 实验教学

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）07-0240-02

机能学实验是通过复制人类某些疾病的动物模型，以生物正常的生理机能和疾病的发生发展机制以及药物的作用规律为研究内容，将生理学、病理生理学和药理学的实验内容进行优化、整合并重组后形成的一门全新的实验性学科[1]。我校机能学实验室组建于2006年，通过近十年的实践教学经验，不断的更新教学内容、改革教学方法，其构建了由验证性、综合性和设计性三个层次构成的实验教学体系，并形成具有自已教学的特色和模式。然而，随着计算机和网络技术的飞速发展，教育也在发生着深刻的变化[2]。传统的机能学实验教学由于受到多种因素的制约，如：师资力量、实验场地及仪器设备等，已经无法满足实验教学的需要，而虚拟仿真实验技术的发展则成为解决上述问题的新的契机，构建虚拟仿真实验室是机能学实验教学的迫切需要。

一、机能学实验面临的问题

一直以来，机能学实验的教学都是在实验室中完成的，包括实验的准备（实验动物、器械仪器、药品试剂等）、手术操作过程以及观察项目的实施等，在实验项目的开展中其面临的问题也日益突出。

1.实验成本高、损耗大

机能学实验过程中所用的实验动物（蟾蜍、大鼠、家兔等）数目庞大，某些实验设备造价昂贵（如微循环观察中的图像分析系统），实验器械仪器种类繁多，且易损坏（如手术器械、换能器、神经屏蔽盒、心电导线等），造成了机能学实验的高成本、大耗损。

2.手术复杂，成功率低

机能学实验中的实验项目均为活体动物实验，手术过程复杂且操作难度大，如动物的麻醉、家兔动脉插管、静脉插管、失血性休克中失血量的控制、高钾血症中K+量的控制等。学生在实验过程中大多是第一次接触某些实验技术，操作的不规范或失误往往会造成实验的失败。

3.实验项目有限、学生动手机会少

由于场地、设施、学时、师资等因素的，某些实验项目无法开展，如需要配套显微镜的休克实验中血管的微循环现象，需要使用有毒物质的缺氧实验等。实验项目通常是分组进行，有限的动物、有限的场地、有限的时间无法满足每位学生都能够动手操作，造成某些学生无法完全参与到实验中。

二、虚拟仿真实验在机能学实验教学中的优势

面对以上的问题，我校组建了机能学虚拟仿真实验室开展虚拟仿真实验。虚拟仿真实验是根据实验教学的基本要求，在计算机系统中通过采用虚拟仿真技术模拟真实实验的环境，以人机互动的方式，使学生像在真实实验环境中一样通过运用各种虚拟器械设备对实验对象进行虚拟操作，从而完成各项预定的实验项目。虚拟仿真实验的实验内容不受场地、对象及药品试剂的制约。随着虚拟实验的开展，其在机能学实验教学中的优势也得到深刻体会。

1.可以减少实验经费

虚拟实验中，所有的仪器设备、实验动物、药品试剂、手术器械等可以自动复原、无限使用，不仅节约了实验动物，降低耗材以及大型仪器的费用，也减少了建设实验室的成本经费。

2.具有优良的可替代性和丰富的实验项目

对于某些在现实实验教学中无法开展的高耗能、高成本、高危的实验项目，如需要使用有毒气体的缺氧实验，学生可以通过虚拟实验进行，无需考虑安全性、成本高低、实验对象等。虚拟实验中有上百个实验项目，学生都可以通过观看视频，动手参与，反复练习，还可以根据教学进度结合自身的实际情况，自主选择实验内容，极大程度地丰富了实验项目，不仅能够加深学生对知识的理解巩固、同时还大大拓宽学生的知识面。

3.能够增加学生的实验机会

虚拟实验一人一机单独开展，可以反复进行、反复修改，增加学生的实验机会，保证实验方法的掌握。此外，学生可以在覆盖区域内的任意一台计算机终端访问该系统，随时预习和复习实验项目，足不出户便可以进行各种实验，彻底打破了机能学实验时间和空间的限制。学生可以主控实验学习的主动权，发挥自己的主观能动性，使自己处于实验教学的主导地位。

4.具有趣味性

虚拟实验中运用大量的三维立体图片、动画及视频音频素材，学生可以根据自己的兴趣设计实验，任意选择实验动物、药品器械。动态的、非固定的实验模式不仅具有趣味性，激发学生的实验兴趣，同时也培养了学生动手、动脑能力和创新性思维能力。

三、虚拟仿真实验在机能学实验教学中的局限性

尽管虚拟实验具有上述诸多优势，可以解决学生增多与实验经费、设备、场地短缺的矛盾，而且虚拟实验的形象、直观、生动、交互性，及其在展现实验现象时的强大表现力都是真实实验无法比拟的，但是虚拟实验也有其局限性，无法完全替代真实实验。

第一， 机能学实验是一门实践性很强的学科， 培养的是学生的基本理论、基本知识、基本技能的掌握。而虚拟实验只是模拟了真实场景，在培养学生掌握实验技术和动手能力方面比较薄弱。

第二， 机能学实验注重学生分析解决问题能力的培养。真实实验中会出现多种异常现象或故障，学生需要探索问题的所在。排除故障，解决实验中的各种问题以保证实验的顺利进行。而虚拟实验中不会出现上述情况。

第三， 传统的机能学实验教学中，教师的示教是重要环节，直观，真实，深刻，讲解全面，而在虚拟实验中，即使是模拟真实场景，但其仍旧与真实场景处在巨大差异，无法做到身临其境。

第四， 机能学实验注重学生团队协作能力的培养，为以后的临床工作奠定基础。真实实验的过程也是小组成员协同合作、默契配合、相互帮助、相互欣赏的过程，而虚拟实验的一人一机模式无法达到此种效果。

四、虚拟实验与真实实验相辅相成

虚拟仿真实验技术正处于初步发展阶段，在仿真性、立体性、交互性等方面仍有很长的路要走。在机能学实验教学中，应注重虚拟仿真实验与动手操作的真实实验的结合，优劣互补，提高实验的成功率和学生的学习兴趣，提高教学质量，从而更好地服务于培养高质量、高素质的医学人才的目标。

综上所述，根据机能学实验教学的特点，我们将虚拟仿真实验系统与学生动手操作的真实实验相结合，做到了与虚实结合，提高了学生的对实验课学习的兴趣和实验的成功率。就目前来讲，将虚拟仿真实验系统与网络技术相结合，更加进一步地拓宽了虚拟实验平台的适用范围，不仅为实验教学和实验课考试，而且也为师生互动提供了更加便利的条件，在当今有效的教学资源和教师资源，虚拟仿真实验极大地提高教学质量，更好地服务于学生，把培养高质量医学人才作为目标[3]。

参考文献

[1]陈麟东.浅析医学机能虚拟实验中仿真技术和网络技术的应用[J].计算机光盘软件与应用，2013，8：84-85.

[2]陈长秀.基于 matlab 的曲柄滑块机构设计与运动分析[J].轻工科技， 2012（1） ： 29.

[3]吴青凤，江帆，龙云.机构创新设计实验的研究[J].实验技术与管理， 2013，30（9）：170-172.