摘 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校課程教育的重要組成部分。近年來隨著虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也在探索和發(fā)展中，已成為高校實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的重要組成部分，也是未來高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展的必然趨勢。目前傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一定局限性，已不能完全滿足高校課程教育的需求，因此在新醫(yī)科背景下的醫(yī)學(xué)教學(xué)改革也在不斷推進(jìn)和探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)等新的教學(xué)模式。本研究以腦片膜片鉗技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)闡述了安徽醫(yī)科大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心膜片鉗技術(shù)的建設(shè)和運(yùn)行情況，旨在為相關(guān)專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒，同時(shí)為培養(yǎng)新時(shí)代醫(yī)科人才打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新醫(yī)科建設(shè)；虛擬仿真；膜片鉗技術(shù)

中圖分類號：G643.2" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號：1673-260X（2025）02-0097-04

近年來國家頒布了一系列指導(dǎo)性文件，并提出了新醫(yī)科的概念，提出“以新醫(yī)科統(tǒng)領(lǐng)醫(yī)學(xué)教育創(chuàng)新”為發(fā)展基本原則之一[1]。在國家關(guān)于高等教育和學(xué)科建設(shè)的宏觀規(guī)劃中，實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神兩大要素已成為新時(shí)代高等教育人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容[2]。2018年《教育部 國家衛(wèi)生健康委員會(huì) 國家中醫(yī)藥管理局關(guān)于加強(qiáng)醫(yī)教協(xié)同實(shí)施卓越醫(yī)生教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》中指出，將建設(shè)400個(gè)國家醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[3，4]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高等教育體系中的重要一環(huán)，對于培養(yǎng)學(xué)生的科研邏輯、創(chuàng)新思維及實(shí)際操作能力等綜合素養(yǎng)起著關(guān)鍵作用，是高校人才培養(yǎng)必不可少的部分。近年來，高校大學(xué)生招生數(shù)逐年攀升，高校教學(xué)規(guī)模也隨之逐年增長，但高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)相對滯后，學(xué)生數(shù)量快速增長和高校教學(xué)實(shí)施建設(shè)滯后的矛盾日益凸顯，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨著嚴(yán)重的教學(xué)壓力。由此可見，新醫(yī)科背景下的醫(yī)學(xué)教學(xué)迫在眉睫，培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的人才對高等醫(yī)學(xué)教育事業(yè)的改革極其重要，虛擬仿真技術(shù)作為新興技術(shù)對培養(yǎng)人才也發(fā)揮著重要作用。

虛擬仿真技術(shù)（Virtual Simulation Technology）也被稱為“靈境技術(shù)”，是一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建出3D立體圖像的技術(shù)，能在虛擬環(huán)境中感受視覺、聽覺和觸覺上的體驗(yàn)。虛擬仿真包括兩種類型：一種是虛擬現(xiàn)實(shí)，另一種是仿真。虛擬現(xiàn)實(shí)依賴于計(jì)算機(jī)科技和人機(jī)互動(dòng)技術(shù)，而仿真則通過建立模型來模仿實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程，以此達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)[5，6]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬出逼真的實(shí)驗(yàn)室場景，并對其內(nèi)的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行控制，進(jìn)而執(zhí)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作[7]。當(dāng)前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為高等教育信息化進(jìn)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵舉措，同時(shí)也是推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新與變革的重要方向[8]。通過線上模擬實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)方法可以在虛構(gòu)的環(huán)境中展示實(shí)際的試驗(yàn)成果，讓學(xué)生可以根據(jù)這個(gè)環(huán)境來實(shí)時(shí)執(zhí)行他們的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，并將他們獲得的結(jié)果提交上去，這使得學(xué)生們對實(shí)驗(yàn)教育更加積極主動(dòng)，提高了他們的實(shí)驗(yàn)熱情和創(chuàng)新思考的能力，同時(shí)也提升了他們在實(shí)驗(yàn)方面的表現(xiàn)，從而顯著地優(yōu)化了高等院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[9]。

筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊(duì)利用學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)資源，積極進(jìn)行虛擬仿真技術(shù)在膜片鉗實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的搭建與探索，結(jié)合所授課程的專業(yè)特點(diǎn)與教學(xué)要求，在“離子通道與疾病”該門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中建立了膜片鉗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，本研究旨在分享階段性研究成果，以期為今后虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在膜片鉗實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步發(fā)展提供一定的指導(dǎo)和幫助。

1 膜片鉗技術(shù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

1976年，德國科學(xué)家Neher和Sakmann研發(fā)了膜片鉗技術(shù)，這在單個(gè)細(xì)胞層面上對可興奮細(xì)胞放電行為及其離子通道機(jī)制的研究是一大突破，為洞察神經(jīng)系統(tǒng)的電生理活動(dòng)開辟了微觀視角，為深入探索大腦系統(tǒng)的電力運(yùn)作開啟了全新的視角[10]。如今該技術(shù)廣泛應(yīng)用于神經(jīng)（腦）科學(xué)、心血管科學(xué)、藥理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、病理生理學(xué)、中醫(yī)藥學(xué)、植物細(xì)胞生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理等多學(xué)科領(lǐng)域，是基礎(chǔ)學(xué)科在細(xì)胞、離子通道功能研究中不可替代的技術(shù)手段[11，12]。它能夠通過監(jiān)測離子通道的電流變化，精確揭示細(xì)胞膜上單個(gè)甚至多個(gè)離子通道的分子動(dòng)態(tài)，因此被視為離子通道研究的核心技術(shù)，被稱為離子通道研究的“金標(biāo)準(zhǔn)”。掌握膜片鉗技術(shù)對研究離子通道與疾病聯(lián)系以及發(fā)表高水平SCI論文至關(guān)重要。

膜片鉗技術(shù)是神經(jīng)生物學(xué)、生理學(xué)專業(yè)研究生開展離子通道方面課題必須掌握的一門實(shí)驗(yàn)技術(shù)。由于膜片鉗系統(tǒng)造價(jià)昂貴，因此在高校的實(shí)驗(yàn)課中多以觀摩為主，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)很難讓全部學(xué)生參與膜片鉗實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生所獲甚少。安徽醫(yī)科大學(xué)“離子通道與疾病”課程是專門針對研究生開設(shè)的專業(yè)選修課，目前是在建的省級精品課程，膜片鉗技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)是該門課程的核心章節(jié)。因此，為解決現(xiàn)有的問題，讓更多的學(xué)生能在有限的時(shí)間內(nèi)掌握膜片鉗實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)步驟、流程和關(guān)鍵點(diǎn)，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，優(yōu)化大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，我們需要探索一種更合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

2 應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

基于相似原理，信息科技與系統(tǒng)科學(xué)等多領(lǐng)域的知識(shí)體系，一種名為虛擬仿真的新穎教學(xué)工具應(yīng)運(yùn)而生，它能打破傳統(tǒng)的教室空間界限，使學(xué)生能隨時(shí)獲取學(xué)習(xí)資料，從而提升他們的學(xué)習(xí)體驗(yàn)并提供更優(yōu)越的學(xué)習(xí)環(huán)境，這種技術(shù)的應(yīng)用在實(shí)際教學(xué)中展現(xiàn)出顯著的效果[13，14]。通過利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建虛擬試驗(yàn)場景和實(shí)體模型，結(jié)合電腦控制下的虛擬實(shí)驗(yàn)界面，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)過程的模仿，其特性包括真實(shí)性、互動(dòng)性和安全性等。無需物理實(shí)體的實(shí)驗(yàn)器具和實(shí)驗(yàn)耗材，也不受實(shí)驗(yàn)場所的影響，這項(xiàng)技術(shù)讓那些無法達(dá)成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)得以實(shí)施，同時(shí)也回應(yīng)了教育部提出的“積極推廣高等院校數(shù)字化校園建設(shè)，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，推動(dòng)課程內(nèi)容的更新和教法改進(jìn)，進(jìn)而引領(lǐng)人才培育模式的革新”的要求[15，16]。在國內(nèi)政策和各級政府的支持下，許多中央直屬大學(xué)和地區(qū)所屬高校都已開始籌建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

與傳統(tǒng)的教育方法相比，虛擬模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)更具安全性，其高效性和可重復(fù)性的特點(diǎn)也更為顯著。因此，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將有效結(jié)合“虛擬仿真+真實(shí)實(shí)驗(yàn)”的授課方式和“線上+線下”混合式教學(xué)模式[17]。線上線下混合式教學(xué)模式取兩者之長，虛實(shí)結(jié)合，教學(xué)效果突出，受到學(xué)生和教師的廣泛認(rèn)可[18]。

3 開展膜片鉗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效

結(jié)合安徽醫(yī)科大學(xué)已有虛擬仿真平臺(tái)資源搭建的膜片鉗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，讓全部學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)都能了解實(shí)驗(yàn)具體步驟，掌握實(shí)驗(yàn)的程序、環(huán)節(jié)和要點(diǎn)，確保了該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前瞻性和可操作性。膜片鉗虛擬仿真平臺(tái)融合虛擬與真實(shí)實(shí)驗(yàn)，形成全面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。學(xué)生在平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)，既理解知識(shí)又體驗(yàn)真實(shí)應(yīng)用，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力，提升效率。建設(shè)膜片鉗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源也將是安徽醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)事業(yè)發(fā)展歷史上一次嶄新的突破。

膜片鉗虛擬仿真中心依托科研團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢，結(jié)合專業(yè)特色與最新研究成果，融合學(xué)校定位和人才培養(yǎng)特色，將虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，將成熟的科研技術(shù)引入研究生教學(xué)與實(shí)訓(xùn)中，可以滿足安徽醫(yī)科大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)、生理學(xué)、藥理學(xué)、藥學(xué)、病理生理學(xué)等專業(yè)研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的外延和內(nèi)涵，也拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間、延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間。虛實(shí)融合構(gòu)建全面實(shí)驗(yàn)環(huán)境，豐富了教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)熱情，提升了教學(xué)效果[19，20]。

3.1 虛擬仿真在膜片鉗實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

筆者已經(jīng)在安徽醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建立了“腦片膜片鉗記錄小鼠海馬神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢惶摂M仿真實(shí)驗(yàn)”平臺(tái)，并成功上線。

3.1.1 研究對象

選取基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院2023級藥理學(xué)和藥學(xué)2個(gè)專業(yè)共計(jì)50名同學(xué)參與膜片鉗技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)搭建

通過使用Unity3D、Visual Studio和Adobe Flash等工具，我們成功地搭建了膜片鉗技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸怼⒛てQ實(shí)驗(yàn)儀器介紹、膜片鉗實(shí)驗(yàn)基本操作和神經(jīng)動(dòng)作電位及興奮性檢測與分析四個(gè)模塊。實(shí)驗(yàn)?zāi)康哪K主要介紹實(shí)驗(yàn)基本原理，儀器介紹模塊主要介紹膜片鉗實(shí)驗(yàn)中需要使用到的主要實(shí)驗(yàn)儀器，讓學(xué)生提前進(jìn)行了解。通過對膜片鉗實(shí)驗(yàn)的基本步驟、神經(jīng)動(dòng)作電位的測量及其興奮性評估的深入學(xué)習(xí)，我們旨在提升學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室技能。在這個(gè)過程中沒有設(shè)定任何操作數(shù)量上的限定，同時(shí)也提供了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作影片展示和解釋，以輔助他們更直觀地理解實(shí)驗(yàn)的具體過程，并解決他們在實(shí)際操作中遇到的問題。此外，我們還運(yùn)用測試題來檢查他們的理論知識(shí)和實(shí)踐操作掌握情況。該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)室具有更高的靈活度和可靠性，并且不受環(huán)境的約束。通過使用虛擬仿真平臺(tái)，所有學(xué)員都可以同步參與實(shí)踐活動(dòng)，并獲得詳細(xì)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

3.1.3 教學(xué)實(shí)施

在線下實(shí)驗(yàn)課的前一周，學(xué)生通過訪問安徽醫(yī)科大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在線選擇課表中已發(fā)布的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——腦片膜片鉗記錄小鼠海馬神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢惶摂M仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、儀器、步驟。課上，教師講解要點(diǎn)難點(diǎn)，并在學(xué)生操作時(shí)提供指導(dǎo)。

3.1.4 課程考核

實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，學(xué)生完成課程考核?？己藘?nèi)容分為線上測試和線下考核兩部分：線上測試主要包括學(xué)生虛擬操作和在線測試，分別占比30%和20%；線下考核主要以傳統(tǒng)結(jié)題報(bào)告為主，占比50%。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核成績

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)考核成績，結(jié)果顯示，2023級藥理學(xué)17人參與此次考核，平均成績88.4分。12人考核優(yōu)秀，占比70.6%；良好2人，占比11.8%；中等3人，占比17.6%；無不及格。2023級藥學(xué)33人參與此次考核，平均成績88.2分。24人考核優(yōu)秀，占比72.7%；良好5人，占比15.2%；中等4人，占比12.1%；無不及格。教學(xué)效果良好。

4 思考與總結(jié)

隨著人工智能、信息技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯出了滯后性，已經(jīng)無法滿足高校知識(shí)更新發(fā)展的需要。開發(fā)與應(yīng)用膜片鉗技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行U(kuò)充高校教學(xué)資源庫，積極響應(yīng)政策導(dǎo)向，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室管理制度的創(chuàng)新與改革。此舉不僅顯著提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，還極大地激發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和參與熱情，對提升學(xué)生的實(shí)踐操作技能具有實(shí)質(zhì)性的幫助。通過應(yīng)用實(shí)例發(fā)現(xiàn)學(xué)生們普遍對實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)表示滿意，并且非常認(rèn)可虛擬仿真技術(shù)的有趣性和易用性。在該項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)用過程中，結(jié)合師生反饋建議，需要不斷完善和豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，優(yōu)化考核評價(jià)體系，旨在為實(shí)驗(yàn)教學(xué)增添新形式、新方法、新內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生綜合素養(yǎng)提升，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)輔助作用。對于虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用，我們還需要不斷地實(shí)踐研究、完善優(yōu)化，持續(xù)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、創(chuàng)新思維、科研思維以及發(fā)現(xiàn)問題解決問題的綜合能力。同時(shí)，也需要進(jìn)一步完善技術(shù)應(yīng)用模式和教學(xué)模式，以適應(yīng)日新月異的教學(xué)環(huán)境。目前虛擬仿真技術(shù)在高校課程教學(xué)中的應(yīng)用還不夠成熟完善，還存在一些資源、技術(shù)等短板，但隨著國家對虛擬仿真技術(shù)的重視和資源投入的加大，未來發(fā)展空間很大。

教育領(lǐng)域中，虛擬仿真技術(shù)起步晚，技術(shù)與人才均存短板，而建立成熟的應(yīng)用模式需大量人力財(cái)力投入。虛擬仿真技術(shù)的研發(fā)，平臺(tái)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及定期維護(hù)都需要花費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)和精力，這些都給虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)和實(shí)施帶來一定的困難。另外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也對教師教學(xué)帶來了新的挑戰(zhàn)、提出了新的要求，教師也需要根據(jù)學(xué)生使用過程中的體驗(yàn)和反饋不斷完善和修正教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)內(nèi)容，這個(gè)過程需要反復(fù)教學(xué)實(shí)踐才能不斷完善提高虛擬仿真教學(xué)實(shí)效。

此外，利用虛擬模擬環(huán)境實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并不意味著要完全摒棄傳統(tǒng)的教學(xué)方式。在構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，需堅(jiān)持“虛實(shí)相融、互補(bǔ)共生、實(shí)際優(yōu)先”的理念，并注重平臺(tái)資源共享，積極推動(dòng)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的充分開發(fā)，旨在幫助大學(xué)生提高創(chuàng)新思維實(shí)踐能力[21]。盡管虛擬仿真教學(xué)作為一個(gè)新興的教育方法，其在膜片鉗實(shí)驗(yàn)中所占的位置還需進(jìn)一步探究，并且很多教學(xué)步驟還有待改進(jìn)，同時(shí)也需要解決一些難題和挑戰(zhàn)，但虛擬模擬技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)的結(jié)合正逐漸成為高等教育教學(xué)改革與發(fā)展的核心趨勢，這種融合無疑將為傳統(tǒng)的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟全新的道路。期望本研究能夠?yàn)楦咝?shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用提供理論支持與實(shí)踐指導(dǎo)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新與改革，助力新時(shí)代醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)。

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