郭東光，陳明艷，孫國(guó)鵬，岳 鋒，朱艷平，張艷芳

新鄉(xiāng)學(xué)院生物工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000

虛擬仿真技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)模擬的技術(shù)，該技術(shù)通過構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、模擬實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，為學(xué)生提供一種更加安全、自主、個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果。然而，傳統(tǒng)的生理學(xué)教學(xué)模式以理論知識(shí)講解為主，開展實(shí)驗(yàn)操作和探究學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)較少，甚至有些實(shí)驗(yàn)難以在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室開展，學(xué)生難以真正理解并掌握生理學(xué)的知識(shí)和技能，也難以充分培養(yǎng)自身實(shí)驗(yàn)操作和解決問題的能力。此外，傳統(tǒng)的生理學(xué)教學(xué)模式還存在實(shí)驗(yàn)條件受限、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，進(jìn)一步限制了學(xué)生對(duì)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和探究[1]。

1 動(dòng)物生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及動(dòng)物的取材、飼養(yǎng)、操作等多個(gè)環(huán)節(jié)，存在著實(shí)驗(yàn)成本高、實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大、操作難度大等問題。而采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)可以有效地彌補(bǔ)這些不足，該技術(shù)主要具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

1.1 凝練和總結(jié)知識(shí)點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以將動(dòng)物生理學(xué)中復(fù)雜的生理現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)操作等通過計(jì)算機(jī)圖像和聲音等形式直觀地呈現(xiàn)出來，使學(xué)生更加深入地理解和掌握其中的知識(shí)點(diǎn)。例如，在呼吸系統(tǒng)的教學(xué)中，教師可以設(shè)置多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，包括肺活量測(cè)定、呼吸頻率測(cè)定、肺功能測(cè)定等，通過實(shí)際操作與仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，讓學(xué)生更好地理解呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。

1.2 方便實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作

以心電圖（ECG）實(shí)驗(yàn)為例，傳統(tǒng)的ECG 實(shí)驗(yàn)需要用到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（如小鼠、大鼠或兔子等），通過實(shí)驗(yàn)操作記錄動(dòng)物的心電圖，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)過程中動(dòng)物可能會(huì)發(fā)生受傷或者死亡，實(shí)驗(yàn)操作容易受到環(huán)境和人為因素的干擾等。相比之下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供更加靈活、可控的教學(xué)場(chǎng)景，教師可以自由設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如心率、心臟疾病模型等，模擬不同的實(shí)驗(yàn)條件；學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄心電圖數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和解讀[2]。

1.3 模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以在不同的虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為學(xué)生提供視覺、聽覺和觸覺等多種感官體驗(yàn)，讓學(xué)生身臨其境，從而更好地理解實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以胃液分泌實(shí)驗(yàn)為例，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程需要用到胃管等器材對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（如大鼠）進(jìn)行胃液分泌實(shí)驗(yàn)，過程繁瑣、操作復(fù)雜，且需要耗費(fèi)大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。而通過進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中模擬胃液分泌實(shí)驗(yàn)，不僅可以避免實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用，而且可以模擬不同的實(shí)驗(yàn)條件，如不同藥物的作用、不同的飲食環(huán)境等，讓學(xué)生更好地理解和掌握胃液分泌的原理及機(jī)制。

1.4 提高實(shí)驗(yàn)安全性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提高動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全性，降低實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程需要用到化學(xué)試劑、手術(shù)器械等器材，但這些器材的使用可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員造成傷害。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則可以在不使用這些器材的前提下完成實(shí)驗(yàn)操作，避免實(shí)驗(yàn)人員受到傷害。例如，在研究心臟的生理功能和病理機(jī)制時(shí)，需要使用電極對(duì)心臟進(jìn)行電生理記錄和刺激，這項(xiàng)操作可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員造成傷害。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以通過模擬心臟的電生理活動(dòng)，讓學(xué)生了解心臟的生理功能和病理機(jī)制，同時(shí)避免實(shí)驗(yàn)人員受到傷害[3]。

1.5 增加實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性

讓學(xué)生可以反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和分析。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程往往會(huì)受到許多因素的影響，如實(shí)驗(yàn)人員的能力和經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)器材的品質(zhì)等，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性較差。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以減少這些因素的干擾，保證實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性。例如，在研究呼吸系統(tǒng)的生理功能和病理機(jī)制時(shí)，需要開展呼吸功能測(cè)試。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程中，呼吸功能測(cè)試需要用到呼吸機(jī)、氣體分析儀等器材，而這些器材的狀態(tài)可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性較差。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以在模擬實(shí)驗(yàn)中減少這些因素的影響和干擾，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性[4]。

2 動(dòng)物生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用及其重要性

2.1 提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力

一項(xiàng)針對(duì)大學(xué)生生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的研究表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠有效提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和熟練度，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)思維能力。在這項(xiàng)研究中，研究者采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)來輔助大學(xué)生的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)果表明，在使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)之后，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和熟練度有了明顯的提高，同時(shí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)思維能力也得到了一定程度的加強(qiáng)。另一項(xiàng)研究比較了虛擬和實(shí)體實(shí)驗(yàn)室在提高本科生對(duì)人類生理學(xué)理解方面的有效性，發(fā)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室組在理解生理學(xué)概念并將其應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)情境的表現(xiàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)室組一樣好[5]。

2.2 增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)研究思維能力

生理學(xué)領(lǐng)域的一些研究表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用可以更好地幫助學(xué)生理解和掌握科學(xué)研究的基本原理，并培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思維能力。例如，在神經(jīng)生理學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)可以模擬神經(jīng)元的活動(dòng)過程，學(xué)生可以通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)神經(jīng)元的活動(dòng)過程開展模擬實(shí)驗(yàn)，觀察神經(jīng)元活動(dòng)的變化規(guī)律，并進(jìn)一步思考神經(jīng)元活動(dòng)對(duì)于生物體的生理功能和行為的影響，從而深化對(duì)神經(jīng)生理學(xué)的理解和對(duì)神經(jīng)生物學(xué)研究的認(rèn)識(shí)。

另外一項(xiàng)研究探討了如何通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思維能力和實(shí)驗(yàn)技能。在該研究中，學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析，然后通過論文撰寫和演示的方式將其研究成果展示出來。結(jié)果表明，使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)可以顯著提高學(xué)生的科學(xué)研究思維能力和實(shí)驗(yàn)技能，并促進(jìn)學(xué)生對(duì)生物技術(shù)領(lǐng)域的深入探索和理解[6]。

2.3 提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析能力

虛擬仿真技術(shù)可以模擬不同實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并能將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以圖形或表格的形式呈現(xiàn)出來，促使學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的含義和分析方法。例如，在心血管生理學(xué)的教學(xué)中，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以獲得大量的心電圖數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于研究心臟的電生理特性及不同疾病狀態(tài)下心電圖的變化。學(xué)生可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和掌握心電圖信號(hào)的處理及分析方法，如濾波、放大、時(shí)間和頻率分析等。同時(shí)，他們還可以使用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)心電圖數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，例如心率、QRS 波寬度、ST 段變化等指標(biāo)的計(jì)算和比較。

3 動(dòng)物生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的局限性和未來發(fā)展方向

3.1 動(dòng)物生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的局限性

首先，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)無法完全模擬出真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的復(fù)雜情況。例如，在研究神經(jīng)系統(tǒng)的生理功能和病理機(jī)制時(shí)，真實(shí)實(shí)驗(yàn)需要考慮神經(jīng)元之間的復(fù)雜相互作用、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞等復(fù)雜過程，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可能無法完全模擬這些過程。其次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可能無法完全代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作體驗(yàn)[7]。雖然規(guī)避了不利因素，但容易導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際中缺少應(yīng)對(duì)困難的經(jīng)驗(yàn)。另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可能無法解決某些特殊情況下的實(shí)驗(yàn)問題。例如，在研究腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移機(jī)制時(shí)，真實(shí)實(shí)驗(yàn)需要考慮腫瘤細(xì)胞與周圍組織的相互作用和局部免疫反應(yīng)等問題，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)無法完全模擬這些情況。因此，在運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估和選擇，盡可能克服其局限性，并在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

3.2 動(dòng)物生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的未來發(fā)展方向

隨著虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，動(dòng)物生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的未來發(fā)展方向?qū)⒏訌V闊。首先，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法將會(huì)不斷更新和完善，以提高虛擬實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。其次，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將會(huì)向多方面發(fā)展，包括多樣化的實(shí)驗(yàn)樣本和場(chǎng)景、更加精細(xì)化的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析、更加便捷的數(shù)據(jù)共享和交流等。最后，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將會(huì)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，形成完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，為學(xué)生提供更加全面和深入的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)。

4 結(jié)論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法之一，具有諸多優(yōu)點(diǎn)和重要應(yīng)用價(jià)值。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)踐能力和操作能力，拓展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也存在著一些局限性，需要不斷完善和更新。因此，建議在生物技術(shù)專業(yè)課程中增加動(dòng)物生理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，將其作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的理解和記憶，進(jìn)而提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐能力。