成洪聚,劉衛(wèi)東,侯騰飛

（菏澤醫(yī)學?？茖W校，山東菏澤 274030）

生理學虛擬實驗室的利弊

成洪聚,劉衛(wèi)東,侯騰飛

（菏澤醫(yī)學專科學校，山東菏澤 274030）

生理學；實驗教學；虛擬實驗室

生理學是一門實驗科學，實驗課不但可以幫助學生理解知識，還可以培養(yǎng)學生的動手能力、觀察能力、分析和解決問題的能力等。隨著多媒體技術、計算機網絡技術和虛擬現實技術的發(fā)展，美國William Wulf教授于1989年提出虛擬實驗室概念。我國也提出研究開發(fā)數字化實驗和虛擬實驗系統(tǒng)的規(guī)劃。虛擬實驗室是利用計算機仿真技術和網絡技術構建的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者在此仿真的環(huán)境中完成各種實驗項目，以代替或加強傳統(tǒng)的真實實驗。生理學虛擬實驗室是按照生理學的實驗教學要求，設置了各種生理學實驗項目。現在多所大學已經建立了自己的生理學虛擬實驗室［1］，我校也完成了此平臺的搭建。現就生理學虛擬實驗室的利弊分析如下。

1 生理學虛擬實驗室的構建

生理學虛擬實驗是根據全國醫(yī)學院校生理學教學大綱的要求，應用多媒體編程軟件編寫成的，具有仿真程度高、界面友好、交互能力強、專家系統(tǒng)完善、系統(tǒng)的可操作性強和版本易升級等特點。資料來源于實物實景拍攝，并融合音樂、動畫、聲效等，創(chuàng)作出了逼真的虛擬環(huán)境。生理學虛擬實驗主要由常規(guī)學生實驗及實驗設計兩大部分組成。常規(guī)實驗包括一些經典的生理學實驗，如“血壓調節(jié)”、“呼吸運動的調節(jié)”等，開始時為學生介紹實驗的目的和原理、動物、器械、試劑藥品等，實驗過程中有不斷的提示幫助。實驗設計是通過學生自行選擇實驗動物、器械和處理因素進行設計，并完成實驗。

2 生理學虛擬實驗室的優(yōu)點

2.1 逼真形象虛擬實驗充分利用多媒體技術，大量應用實驗照片、視頻、音頻素材并配合逼真的動畫，為學生構造了一個仿真的實驗環(huán)境，可達到清晰、美觀的視覺效果［2，3］。例如，家兔頸部剪毛被設計成動畫，然后利用錄像展示實驗的操作流程。所有實驗過程利用電腦操作完成，這對現代大學生來說不是件難事。類似游戲的過程吸引了學生的注意力，能激起學生的學習興趣，達到“學以致玩，玩以致學”的境界。

2.2 人機交互與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬實驗的模式是動態(tài)的、智能的、交互的。計算機能對實驗進展作出迅速反饋，顯示提示信息，包括遺漏的實驗步驟和注意事項。在呼吸運動調節(jié)實驗中，如果學生點擊按鈕選擇“增加氣道阻力”、“缺氧”、“增大無效腔”、“注射乳酸”等操作進行觀察，系統(tǒng)會立刻顯示呼吸曲線相應的變化。如果學生沒有頸部手術操作就直接觀察缺氧等因素對呼吸系統(tǒng)的影響，或沒氣管插管就直接分離迷走神經，計算機拒絕執(zhí)行命令，讓學生及時糾正，來規(guī)范學生的實驗操作步驟。

2.3 提高效率某些生理學實驗難度大，可能全班各實驗小組均以失敗而告終。例如家兔麻醉，有的耳緣靜脈穿刺多次不成功，有的麻醉藥過量致家兔死亡。輸尿管插管、動脈插管、蛙心插管等實驗操作不熟練，則根本插不進去或戳破，使實驗無法進行。這就要求學生在實驗之前對實驗有相當的了解，才能順利完成。通過反復模擬實驗，學生可以在實驗前初步了解實驗原理和實驗方法，熟悉實驗操作步驟及注意事項，提高了實驗成功率，同時也減輕了教師的工作量，減少了實驗耗材。

2.4 自行設計生理學實驗教學的目的是讓學生鞏固理論知識，學習操作技能，重點進行知識和技術的應用和創(chuàng)新。而傳統(tǒng)實驗教學往往是“老師套路式講授，學生機械式模仿”，無需主動思維和創(chuàng)新，只要按實驗要求和實驗步驟進行即可。虛擬實驗中的實驗設計部分讓學生充分發(fā)揮想象力，任意選擇實驗動物、試劑藥物以及器械，自行設計實驗方案，為學生提供了自由探索的空間，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新性思維。

2.5 開放共享生理學虛擬實驗室無時間限定，學生只要有臺電腦，能連接互聯網，就可以隨時隨地進入實驗室，拓寬了教學實驗的時空觀［4］。由于網絡資源具有共享性，因此在不同地域、不同終端上可以同時進行相同科目的虛擬實驗，多個實驗者可通過網絡進入同一個虛擬空間，對同一虛擬實驗進行觀察和操作，以達到協同工作的目的。

2.6 超越時空虛擬實驗能模擬宏觀或微觀領域中無法用常規(guī)實驗直接觀察的實驗，增加了學生的感性認識。例如，模擬激素與受體結合后細胞內一系列的信號傳遞過程。其次，它能模擬需長期觀察的慢性實驗，例如，腎上腺摘除動物的觀察。另外，它還能模擬一些對人體有損傷的危險性實驗和所需儀器非常昂貴的實驗。學生以自然的方式在虛擬實驗環(huán)境中完成不易觀察的、有危險的或費用高的實驗，擺脫了傳統(tǒng)實驗教學時空觀念的束縛。因此，它在實驗教學中起著獨特的作用。

2.7 應用多樣生理學虛擬實驗室可用于課堂教學。如果老師僅僅空泛的說講，學生缺乏形象感。示教時幾十個同學圍住一個老師，學生觀看不清，而且僅僅一遍就過，學生記不清復雜的實驗程序。老師講完后再問，真是“一問三不知”。在學生具體操作時老師還得每組重新示教講解。生理學虛擬實驗給學生一定的形象感，讓學生易于理解，可反復重演，提高了生理學實驗教學效果。對一些沒能開設的實驗項目也可通過虛擬實驗進行，使學生能夠全面深刻掌握課本的知識。生理學虛擬實驗室還可以用于學生預習、復習和自學。實驗預習非常必要，避免實驗的盲目性，但學生因為實驗的抽象性不愿意預習。學生實驗復習會遇到很多實驗相關問題，再去實驗室重復實驗是不可能的。這些均可以通過虛擬實驗來彌補。虛擬實驗中的提示與幫助系統(tǒng)便于學生自學。網上留言板為學生和老師提供了交流的機會。

2.8 節(jié)約成本由于各高校學生擴招、實驗經費緊張、實驗設備不足等原因，使實驗課時大為減少［5］，所以解決好資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾很關鍵。將虛擬實驗技術引入實驗教學，“以虛代實”，可以彌補不足，讓學生通過多媒體虛擬實驗的強大功能完成實驗來緩解矛盾。另外，學生在實驗之前大多沒有接觸過實驗設備，在實驗過程中設備損壞的現象時有發(fā)生。虛擬實驗只是電腦操作，不消耗器材。依靠網絡可以多人同時進入，反復實驗卻不增加實驗成本。

2.9 推動教改虛擬實驗用計算機軟件模擬實驗過程，無需象傳統(tǒng)實驗教學那樣準備實驗，不受動物和試劑的制約，而且克服了傳統(tǒng)教學模式的感性認識不足的缺點，為實驗教學的設計與實施提供了新的手段，推動了實驗教學觀念和教學模式的變革。學生無法到學校實驗室去做具體的實驗一直制約著遠程教育的發(fā)展。網上虛擬實驗室使遠程教學成為可能，為遠程教育實驗問題提供了重要條件和技術支持。

3 生理學虛擬實驗室的缺點

3.1 虛擬實驗只是依賴電腦操作，虛擬的實驗設備和手術器械無實物感，而且無法真正鍛煉基本操作技能。例如，手術器械的規(guī)范性使用，刀口的切開，靜脈穿刺，動脈插管，輸尿管插管等，如果不是親手操作，就無法找到那種感覺，所以虛擬實驗只能起到演示的作用，學生只有在現實中才能得到訓練。

3.2 真實實驗的過程可能會有很多干擾因素或者出現很多異?，F象和故障。比如，電生理實驗的干擾波，動物麻醉后的死亡，動脈血壓測量時插管漏氣，正確操作卻出現不良后果等，這些在虛擬實驗中不會出現。所以虛擬實驗無法全面反映真實實驗的復雜性，在培養(yǎng)學生分析解決實際問題的能力方面遠遠不足［6］。

3.3 虛擬實驗本身仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙。例如，虛擬實驗軟件設計本身還不夠完善；虛擬設備價格昂貴，普通輸入、輸出設備不易實現直接的力反饋；如何引導和解答虛擬實驗問題，對實驗過程和實驗結果建立實驗質量監(jiān)控體系，做出及時、客觀和公正的考核評價［3］。

3.4 真實實驗的過程通過一個小組成員的共同合作潛移默化地培養(yǎng)了學生的團隊精神，包括協作互助、溝通交流、相互鼓勵等，為臨床工作做好準備。而虛擬實驗是一人一機，無法培養(yǎng)團隊意識。

綜上所述，虛擬實驗模式和傳統(tǒng)實驗模式各有利弊，在實際應用中應該揚長避短，虛實互補。目前多數教師還缺乏應用虛擬實驗進行教學的意識，不能與軟件開發(fā)和應用專業(yè)人員相協調，無法發(fā)揮虛擬實驗的價值；學生有的忽視，有的過于沉迷，還缺乏對虛擬實驗的全面正確認識和評價。我們應該利用傳統(tǒng)模式鞏固驗證課堂的基礎理論知識，訓練基本技能，利用虛擬實驗的形象、生動、直觀、交互性以及在展現實驗現象時具有強大的表現力等來輔助教學。因此不要忽視真實實驗，同時充分開發(fā)虛擬實體移植帶來的免疫排斥反應。因此神經上皮干細胞作為組織工程的種子細胞具有明顯的優(yōu)越性。神經嵴干細胞具有多潛能性，可增殖并分化為不同類型的成熟組織和細胞。體內實驗證實，神經嵴干細胞的衍生物遍及了外、中、內三個胚層，包括周圍神經系統(tǒng)和腸神經系統(tǒng)的神經膠質、神經元、大部分的初級感覺神經元；內分泌細胞、心臟流出道和大血管的平滑肌細胞；皮膚和內臟器官的色素細胞，以及頭面部的骨、軟骨、結締組織等。神經嵴可分為兩部分：顱神經嵴和軀干神經嵴。顱神經嵴干細胞除參與形成頭頸部腹側皮膚的真皮、平滑肌及腺體中結締組織基質等軟組織外，尚可特征性分化為顱面部骨架硬組織。與顱神經嵴干細胞不同，軀干神經嵴干細胞主要分化為周圍神經系統(tǒng)的神經元和神經膠質，并參與背根神經節(jié)、交感神經節(jié)和脊索的形成，在周圍神經系統(tǒng)的發(fā)育過程中起主要的作用。

研究者們在周圍神經組織工程領域做了大量工作！但在臨床上長段周圍神經缺損的修復仍以自體神經移植為主，尋找豐富的種子細胞來源和經體外培養(yǎng)的種子細胞繁殖及擴增后易趨于老化的問題是目前研究需要克服的主要問題，神經干細胞的研究為組織工程化修復周圍神經損傷提供了新的希望。

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[3]Ju W，Yang Y，Tao Q，etal.Interleukin-18 gene transfer increase an titumor effects of suicide gene therapy through efficient induction of antitumor immunit［J］.yGene Thera，2000，7（19）：1672-1679.

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[5]盧靜，孫晉浩，張靜，等，軀干神經嵴干細胞體外分離培養(yǎng)及其增殖、分化的實驗研究［J］.山東大學學報（醫(yī)學版），2009，9（5）：112-115

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1008-4118（2011）02-0074-03

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10.3969/j.issn.1008-4118.2011.02.40