閆承志 馬慧

摘 要：虛擬仿真教學(xué)是教育信息化與高校教學(xué)改革的趨勢，有助于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主判斷問題和分析問題的能力。為探討虛擬仿真技術(shù)在人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)中應(yīng)用效果，借助生命科學(xué)學(xué)院省級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，開展人體解剖生理學(xué)實驗教學(xué)，學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)、線上操作及考核模塊，完成實驗規(guī)定內(nèi)容。教學(xué)效果評價說明，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，采用虛擬仿真教學(xué)模式具有更好的成績區(qū)分度，其趣味性、可操作性及學(xué)習(xí)效果得到學(xué)生普遍認(rèn)可，教學(xué)滿意度較高，但課程內(nèi)容的豐富性及實驗時限仍有待改進。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；人體解剖生理學(xué)實驗；教育信息化；實驗教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-5072（2024）02-0218-06

人體解剖生理學(xué)是以人體各部分正常形態(tài)結(jié)構(gòu)和生命活動規(guī)律為研究對象的一門科學(xué)，教學(xué)內(nèi)容包括理論和實驗操作兩部分，涉及范圍廣、內(nèi)容抽象復(fù)雜，對知識的邏輯性和實踐性要求較高，其實驗操作以實際訓(xùn)練為主，通過動手操作將抽象難懂的理論知識形象化、具體化［1-2］。然而，在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，仍存在一些難題：人體標(biāo)本缺乏，由于經(jīng)費有限，標(biāo)本價格昂貴，導(dǎo)致多年來標(biāo)本庫沒有得到有效補充和更新，限制了授課內(nèi)容；學(xué)生的主動參與性較弱，學(xué)生只能隔著容器觀察，而不能動手操作，更不具備局部解剖的可操作性，導(dǎo)致對教學(xué)內(nèi)容的理解仍然比較模糊；某些實驗對學(xué)生具有一定的生理和心理負(fù)面影響，人體標(biāo)本通常保存在福爾馬林或苯酚溶液中，氣味刺鼻，具有一定的生理危害性，面對人體標(biāo)本時，學(xué)生心理往往比較抗拒［3-4］。此外，由于部分實驗課程對儀器設(shè)備、實驗動物、試劑的要求較高，導(dǎo)致實驗經(jīng)費投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，因此有些教學(xué)項目至今無法開展，無法滿足學(xué)生對課程知識的需求，教學(xué)方式亟需改進，而虛擬仿真技術(shù)以其獨特優(yōu)勢可以較好地解決傳統(tǒng)實驗課教學(xué)的局限性［5-6］。

虛擬仿真技術(shù)又稱VR技術(shù)，通過綜合計算機圖形渲染、傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機交互等，在虛擬環(huán)境中充分調(diào)動人的各種感覺器官，具有良好的多感知性、浸沒感、交互性，是高等教育信息化建設(shè)的重要技術(shù)手段［7］。墨西哥醫(yī)學(xué)中心和衛(wèi)生中心的Lopez等［8］在“human neuroanatomy”教學(xué)中，將學(xué)生分為虛擬仿真實驗組和傳統(tǒng)教學(xué)對照組，實驗結(jié)束后統(tǒng)一測試，結(jié)果顯示，采用虛擬仿真的學(xué)生更容易觀察到神經(jīng)組織的內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)，并能及時評價并得到反饋，因此平均成績也優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)對照組。在傳統(tǒng)教學(xué)中，老師講解后，學(xué)生需完成自主觀察和繪圖，由于課堂時間有限，離開課堂后，無法繼續(xù)觀察標(biāo)本。課堂教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)后，以圖片、動畫示教的形式將典型的器官、組織制作成數(shù)字切片，避免了顯微鏡使用不熟練造成的費時，而且擺脫了空間局限性，學(xué)生離開實驗室后，仍可以繼續(xù)線上學(xué)習(xí)［9］。在臨床微生物學(xué)檢驗技術(shù)等課程教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，組織學(xué)生進行抗酸染色涂片和閱片實際操作，并結(jié)合線下病例和圖片講解，不僅克服了疫情對教學(xué)的沖擊，而且促使教學(xué)資源豐富性和學(xué)生積極性得到了顯著提升［10］。借助學(xué)院省級生物學(xué)虛擬實驗教學(xué)平臺，在2018級生物科學(xué)專業(yè)開展了部分人體解剖生理學(xué)實驗，取得了較好的教學(xué)效果。虛擬仿真不僅可操作性強、安全高效，而且可以突破傳統(tǒng)試驗條件限制，不限重復(fù)操作次數(shù)。VR技術(shù)在增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，一方面可以克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的存在的難題，提高教學(xué)效率，另一方面可以節(jié)約經(jīng)費開支，減少實驗準(zhǔn)備的勞動量。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

選擇生命科學(xué)學(xué)院2018級生物科學(xué)專業(yè)2個班級共計72名同學(xué)參與虛擬仿真人體解剖實驗教學(xué)，效果評價對比2017級生物科學(xué)專業(yè)80位同學(xué)。

1.2 虛擬仿真實驗搭建

利用Unity3D、Visual Studio及Adobe Flash等工具，構(gòu)建人體虛擬仿真實驗系統(tǒng)，其主要功能架構(gòu)如圖1所示，包含解剖模塊、透視模塊、生理模塊、輔助模塊和考核模塊。解剖模塊強調(diào)鍛煉學(xué)生解剖操作的能力，無操作次數(shù)限制；透視模塊著重鍛煉學(xué)生的觀察能力，所有結(jié)構(gòu)均可360°旋轉(zhuǎn)；生理模塊是在結(jié)構(gòu)解剖的基礎(chǔ)上，便于學(xué)生更好地理解相應(yīng)生理過程；輔助模塊通過文字注釋、視頻講解及試題庫，幫助學(xué)生解答實驗操作中的疑問；考核模塊包含試題及實驗操作兩部分內(nèi)容，用于考查學(xué)生的理論知識掌握情況及動手操作能力。

搭建后的虛擬仿真實驗系統(tǒng)如圖2所示，相比于傳統(tǒng)標(biāo)本，實驗的安全性、重復(fù)性、可操作性及局解的空間限制得到顯著改善。虛擬仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)三維立體的系統(tǒng)解剖與局部解剖，圖像清晰，結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)，點擊對應(yīng)組織或器官，即可展現(xiàn)透視及注解功能。

1.3 教學(xué)實施

實驗課前一周，學(xué)生自主登陸虛擬仿真實驗教學(xué)平臺（http：//210.41.192.4/virexp/prepare_login），在選課表中選擇已發(fā)布的對應(yīng)實驗項目——運動系統(tǒng)的解剖，添加到個人實驗庫。同時根據(jù)實驗要求提前進行預(yù)習(xí)，包括實驗步驟、理論注釋及視頻講解等。實驗課教學(xué)中，教師負(fù)責(zé)重難點的講解、實驗任務(wù)的發(fā)布及課程時間的把控，并在學(xué)生的具體操作中提供答疑。

1.4 課程考核

實驗課結(jié)束后，學(xué)生需完成課程相關(guān)考核。考核內(nèi)容分為線下和線上兩部分：線下考核主要以傳統(tǒng)實驗報告為主，占最終成績比例50%；線上考核包含在線測試及虛擬實驗操作考核兩部分，在線測試占最終成績比例20%，虛擬實驗操作占最終成績比例30%。

1.5 效果評價

問卷調(diào)查：課程結(jié)束后，依據(jù)學(xué)生對虛擬仿真實驗平臺的認(rèn)可度和學(xué)習(xí)效果評價展開。面向2018級生物科學(xué)專業(yè)學(xué)生，采取匿名填寫方式，問卷發(fā)放72份，收回72份，調(diào)查問卷內(nèi)容主要包括趣味性、可操作性、內(nèi)容豐富性、實驗時限、學(xué)習(xí)效果及整體滿意度等方面，學(xué)生針對教學(xué)效果（如操作性、趣味性及實驗時限等）參與評價。評分采用五分制，其中：5分表示完全滿意，4分表示滿意，3分表示基本滿意，2分表示不滿意，1分表示完全不滿意。

2 結(jié) 果

2.1 考核成績

虛擬仿真實驗結(jié)束后，將成績進行統(tǒng)計。如表1所示，采取虛擬仿真實驗前，由于條件有限，2017級學(xué)生無法開展人體標(biāo)本解剖，因此實驗成績主要依靠實驗報告評定；相比于2017級學(xué)生，2018級學(xué)生的成績中除了包含傳統(tǒng)實驗報告外，添加了在線測試及虛擬實驗操作測試，考核內(nèi)容更全面，考核方法更客觀，區(qū)分度更強，有助于促進學(xué)生動手能力和自主學(xué)習(xí)意愿的提高。

2.2 教學(xué)效果分析

針對調(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計分析，如圖3所示，疫情大背景下，學(xué)生對于虛擬仿真線上教學(xué)模式比較認(rèn)可，學(xué)生整體滿意度較高，選擇完全滿意、滿意和基本滿意的占總體的94.4%（評分≥3）。這為復(fù)雜條件下開展遠(yuǎn)程實驗教學(xué)，提升教學(xué)質(zhì)量提供了一定的啟示和參考。

在滿意度的基礎(chǔ)上，針對教學(xué)的環(huán)節(jié)與學(xué)習(xí)效果進行分析（表2）。80.5%的同學(xué)非常滿意或滿意虛擬仿真實驗的趣味性（評分≥4），除了實驗內(nèi)容真實性之外，類似游戲的沉浸感與交互性的場景體驗也是學(xué)生感興趣的原因。高達(dá)95.8%的同學(xué)非常滿意或滿意虛擬仿真實驗較強的可操作性（評分≥4），相比于只能觀察無法解剖的人體標(biāo)本，虛擬解剖更加專注于局解，每位同學(xué)均可進行實驗操作，可以無限重復(fù)操作，針對局解的器官組織，可以結(jié)合備注加深理解。此外，相比于真實標(biāo)本，虛擬仿真系統(tǒng)安全無味，可減少同學(xué)的心理和生理壓力。18.1%的同學(xué)對虛擬實驗的內(nèi)容表示基本滿意、不滿意或完全不滿意（評分≤3），主要在于內(nèi)容豐富性仍有待擴展。學(xué)院目前已成功申報四川省虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，結(jié)合國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享服務(wù)平臺（http：//www.ilab-x.com/）內(nèi)容，將不同的系統(tǒng)解剖加以串聯(lián)，合并相應(yīng)的生理調(diào)節(jié)流程，提升后期實驗多樣性及豐富性，將是下一步的主要工作。高達(dá)55.6%的同學(xué)對實驗時限基本滿意、不滿意或完全不滿意（評分≤3），主要認(rèn)為實驗時限較短，學(xué)生課后可以繼續(xù)線上操作，但虛擬實驗課時仍有待延長，新版的教學(xué)大綱將予以改進。94.4%的同學(xué)非常滿意或滿意虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)效果（評分≥4），主動參與性更強，相較于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，學(xué)生由被動的知識接受者和觀察者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訁⑴c的操作者，無論動手能力還是知識理解力均有明顯提高。

3 討 論

隨著知識信息化與科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)無法適應(yīng)知識更新的速度［11-12］。在人體解剖生理學(xué)實驗中融入虛擬仿真技術(shù)，將其與傳統(tǒng)教學(xué)模式結(jié)合，既可以增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)習(xí)效率，又可以克服傳統(tǒng)教學(xué)中資源短缺等問題，在超額完成教學(xué)任務(wù)的同時，還節(jié)約了教學(xué)成本與教學(xué)時間［13］。虛擬仿真教學(xué)是教育信息化與高校教學(xué)改革的趨勢，有助于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主判斷問題和分析問題的能力。虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用雖然還不夠成熟，但應(yīng)用前景十分廣闊，國家也在大力資助國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺的建設(shè)［14］。通過針對2018級學(xué)生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用虛擬仿真實驗教學(xué)后，學(xué)生的整體滿意度較高，比較認(rèn)可VR技術(shù)趣味性及操作性等，同時考核成績的方式變得更多樣，區(qū)分度也更高。然而，整個教學(xué)過程仍有許多問題亟需解決。

首先，采用虛擬仿真系統(tǒng)開展實驗教學(xué)不代表拋棄傳統(tǒng)的教學(xué)模式。針對虛擬仿真實驗教學(xué)，教育部提出“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”［15-16］。作為教師，需要把握好二者的平衡，不應(yīng)非此即彼，盲目追逐教學(xué)新模式和新方法。線下實驗仍是實驗課教學(xué)的根基，在提高學(xué)生動手能力和思維能力方面擁有不可替代的作用；而虛擬仿真實驗平臺是線下實驗課程的有力補充，不能盲目放大虛擬仿真實驗平臺的功能。教師不能忽略實驗室中硬件設(shè)施的維護與完善，虛擬仿真實驗平臺上的知識最終仍然要應(yīng)用于真實的實驗操作中［17］。因此，在后期實驗安排中，將增添人體運動系統(tǒng)標(biāo)本觀察，通過骨骼、骨骼肌和關(guān)節(jié)標(biāo)本的觀察，結(jié)合虛擬仿真的解剖操作，真正做到虛實結(jié)合，互相補充，提高學(xué)生的知識理解能力和實驗操作能力。

其次，虛擬仿真技術(shù)的軟硬件系統(tǒng)仍亟需持續(xù)改進。虛擬仿真技術(shù)通過三維建模技術(shù)構(gòu)建與人體器官完全相同的虛擬影像，滿足多人同時觀察人體結(jié)構(gòu)的要求，將操作對象與理論知識有機結(jié)合，將抽象的重難點形象、具體化。但目前也存在一些問題，以我校生命科學(xué)學(xué)院為例，雖然已建立省級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，但與傳統(tǒng)實驗項目比較，目前開展的虛擬仿真實驗項目仍然較少，且具體到某一實驗內(nèi)容時，其豐富性也有待提升；此外，目前的操作仍以電腦操作為主，而非專業(yè)的VR頭盔與手柄操作，硬件仍需要持續(xù)升級；另外，針對授課老師的相關(guān)培訓(xùn)仍然不足，部分教師對虛擬仿真操作仍不熟練，定期的技能培訓(xùn)有助于滿足未來的教學(xué)需求。

最后，虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用時間較短，不論是技術(shù)還是人力資源方面都存在欠缺，想要獲得成熟的虛擬仿真應(yīng)用模式必然耗費大量人力、財力［18-19］。一方面，技術(shù)研發(fā)過程需要與專業(yè)的技術(shù)公司合作，硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)、實驗過程設(shè)計都需要投入大量經(jīng)費和精力；另一方面，平臺包含龐大的軟硬件設(shè)施，需要專業(yè)技術(shù)人員的定期維護，否則會因為儀器設(shè)備損壞等影響師生的學(xué)習(xí)效果。因此，需要聘請專業(yè)人員予以維護，這也給虛擬仿真技術(shù)平臺的實施帶來一定的困難，例如，在授課過程，可能存在因網(wǎng)絡(luò)帶寬、電力及軟件兼容等帶來的諸多問題，如何在有限的課堂時間解決存在的技術(shù)問題，仍需要技術(shù)公司的優(yōu)化。另外，教師也需要根據(jù)教學(xué)重點、難點和學(xué)生的實際情況設(shè)計實驗過程，并根據(jù)教學(xué)效果不斷修正、完善實驗內(nèi)容。這個過程需要教師和學(xué)生不斷實踐、反復(fù)練習(xí)才能達(dá)到最佳教學(xué)效果。

總之，虛擬仿真教學(xué)作為一種新教學(xué)模式，在人體解剖生理學(xué)中的應(yīng)用仍處于探索階段，教學(xué)環(huán)節(jié)中的許多內(nèi)容仍有待完善，應(yīng)用的過程中也還需要克服各種困難與挑戰(zhàn)，但虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)課程相結(jié)合是未來的發(fā)展趨勢，兩者的結(jié)合一定會為傳統(tǒng)課程的發(fā)展帶來新的機遇。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王巧真，王箐，劉煥彩，等.青年教師卓越教學(xué)能力的提升對留學(xué)生人體解剖與組織胚胎學(xué)教學(xué)的影響［J］.中國組織化學(xué)與細(xì)胞化學(xué)雜志，2019，28（1）：81-84.

［2］ 石特，譚興，王偉忠，等.基于VR技術(shù)開展《生理學(xué)》教學(xué)［J］.解放軍醫(yī)院管理雜志，2019，26（3）：270-272.

［3］ PHILLIPS K，LYNN V A，YENSER A，et al.Beyond the lab：virtual reality for undergraduate Anatomy and Physiology students ［J］.College & Research Libraries News，2021，82（4）：186.

［4］ 張亮，魏麗麗，羅淑，等.基于OBE理念的混合式教學(xué)在藥學(xué)專業(yè)“人體解剖生理學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2022，36（4）：497-502.

［5］ 賴芬菊，林玉香，劉好桔.VR技術(shù)在高校植物實驗中的應(yīng)用［J］.教育現(xiàn)代化，2020，7（36）：152-154.

［6］ 路宏朝，程佳，馬海東，等.后疫情時代“人體及動物生理學(xué)”教學(xué)體系創(chuàng)新與實踐［J］.生物工程學(xué)報，2022，38（8）：3090-3098.

［7］ FABRIS C P，RATHNER J A，F(xiàn)ONG A Y，et al.Virtual reality in higher education ［J］.International Journal of Innovation in Science and Mathematics Education，2019，27（8）：69-80.

［8］ LOPEZ M，ARRIAGA J G C，LVAREZ J P N，et al.Virtual reality vs traditional education：is there any advantage in human neuroanatomy teaching？ ［J］.Computers & Electrical Engineering，2021，93（3）：107282.

［9］ 程云，彭景賢，岳淑芬，等.基于虛擬仿真實驗平臺線上線下虛實結(jié)合在組織學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］.包頭醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2021，37（7）：114-117.

［10］黃曦悅，王婷婷，李冬冬，等.基于SPOC與虛擬仿真試驗混合式教學(xué)的探索與實踐：以“臨床微生物學(xué)檢驗技術(shù)”為例［J］.國際檢驗醫(yī)學(xué)雜志，2022，43（15）：1908-1911.

［11］ALFALAH S F，F(xiàn)ALAH J F，ALFALAH T，et al.A comparative study between a virtual reality heart anatomy system and traditional medical teaching modalities ［J］.Virtual Reality，2019，23（3）：229-234.

［12］邴杰，曾少舉，王友軍，等.高校生物學(xué)實驗教學(xué)的課程育人經(jīng)驗：以“人體解剖生理學(xué)實驗”為例［J］.高校生物學(xué)教學(xué)研究（電子版），2022，12（3）：42-46.

［13］沈陽，郝愛民，孫尚宇，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的場景應(yīng)用研究：基于79篇實驗研究論文的系統(tǒng)分析與元分析［J］.中國電化教育，2020 （8）：107-118.

［14］王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議［J］.實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

［15］李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平［J］.實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

［16］公衍玲，郭傳龍，金宏，等.過程導(dǎo)向探究式學(xué)習(xí)在人體解剖生理學(xué)教學(xué)中的運用［J］.藥學(xué)教育，2022，38（2）：45-48.

［17］劉奔，董雯，孫杰，等.虛擬仿真教學(xué)平臺在實踐教學(xué)中的應(yīng)用：以“臨床血液學(xué)檢驗技術(shù)”課程為例［J］.湖北理工學(xué)院學(xué)報，2022，38（3）：69-72.

［18］陸丹丹，孫艷君，黃華興，等.醫(yī)學(xué)教師應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)意愿的影響因素研究［J］.南京醫(yī)科大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2022，22（3）：311-316.

［19］張珂，王澤華.“互聯(lián)網(wǎng)+”與虛擬仿真融合式實踐教學(xué)模式的構(gòu)建探索 ［J］.管理工程師，2022，27（4）：54-60.

Exploration of Virtual Simulation Teaching Methodin Human Anatomy and Physiology Experiment：

A Case Study of China West Normal University

Abstract：As a trend of educational informationization and college teaching reform，virtual simulation teaching is helpful to improve students initiative in independent learning and develop students ability of judging and analyzing problems on their own.In order to explore the application effect of virtual simulation technology in the teaching of human anatomy and physiology experiment，several experimental teaching of human anatomy and physiology have been performed in the provincial teaching center of virtual simulation experiment at the College of Life Science.These students have completed the stipulated experimental content after previewing before class，doing online operation and finishing assessment module.The evaluation of teaching effect shows that compared with the traditional teaching model，virtual simulation teaching mode has better grade differentiation and its interestingness，operability and learning effect have received universal recognition of students.It has a high degree of satisfaction，but its richness and time limit still have room for improvement.

Keywords：virtual simulation technology；human anatomy and physiology experiment；educational informatization；experimental teaching；teaching reform