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摘 要：虚拟仿真实验技术是时下在教学领域较为新兴和热门的一种技术，区别于传统的教学模式，其在克服各种条件限制、丰富教学内容、提高教学效率和质量方面均有很大的优势。将其应用于《医学综合设计性实验》这门课程有利于进一步提高医学生的实践操作能力，全面培养创新性人才。基于此，本文拟对将虚拟仿真实验技术引入《医学综合设计性实验》课程的问题进行探讨，分析其现状，指出其问题，以期能够逐步形成线上 - 线下相结合的实验教学体系，更好地提高医学实验教学水平和教学质量，为促进医学教育事业的进步提供新方法、新手段。
关键词：医学综合设计性实验；虚拟仿真实验教学；虚拟仿真实验技术
本文引用格式： 杨丽萍 , 等 . 虚拟仿真实验技术背景下的《医学综合设计性实验》课程设计 [J]. 教育现代化 ,2020,7(32):152-154,161.
the course design of medical comprehensive design experiment under the background of Virtual simulation experiment technology
YANG Li-ping1, YE Feng-juan2, PAN Ming-min1, HOu Jun-lin1, LI Xin-min1, ZHAO Pei-yuan1, LIu Xi-hong1
(1. Department of Basic Teaching and Research of Integrated Chinese and Western Medicine, Henan university of Chinese Medicine, Zhengzhou Henan; 2. First Clinical Medical College, Henan university of Chinese Medicine, Zhengzhou Henan)
Abstract: Virtual simulation experiment technology is a relatively new and popular technology in the teaching field at present. It is different from the traditional teaching mode and has great advantages in overcoming various conditions, enriching teaching contents, and improving teaching efficiency and quality. Applying it to the course of “Comprehensive Design Experiments in Medicine” is conducive to further improving the practical operation ability of medical students and cultivating innovative talents in an all-round way. Based on this, this paper summarizes the application status of virtual simulation experiment technology in the field of medical education, finds out the existing problems and gives solutions, providing new methods and means for better improving the quality of medical education and promoting the progress of medical education.
Key words: Medical comprehensive design experiment; Virtual simulation experiment teaching; Virtual simulation experiment technology
一 引言
虚拟仿真实验教学模式是在教育部“深化信息化教育教学改革、实现高等教育变轨超车”的重要教育体系变革背景下进行的将现代信息技术与教育教学深度融合的新型教学模式，是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。其目的是提高教育水平和教学质量，促进医学高等教育创新性发展。《医学综合设计性实验》是一门由学生运用自身掌握的基本知识、技能和方法，进行自主选题、自主设计、自主实施的综合设计性实验课程。传统的医学综合设计性实验教学是以项目为主线、以学生为主导、以实验室为基地，在其发展过程中发现这种项目式教学 [1] 存在诸多问题：1. 实验内容多样化导致所需技术复杂多样，而教师专业有限，不可能掌握所有技术；2. 受经费制约和时间限制，无法对多项技术开展预实验；3. 对实验动物进行多次创伤性操作，不符合动物伦理学要求，同时不规范的操作可能增加学生受伤的风险；4. 传统的现场演示受众有限，无法做到全覆盖；5. 教师同时指导多个项目，精力有限，无法做到全程跟踪，学生失败率较高。综上所述，传统实验教学方法已经无法满足目前实验教学内容的需求，亟待引入新的技术手段以提高教学水平和教学质量。
二 开展医学虚拟仿真实验教学的必要性
自 2013 年开始，教育部委托中国高等教育学会通过形式审核、专家评审和网上公示等程序评选国家级虚拟仿真实验教学中心，截止目前已评选出 300 家国家级虚拟仿真实验教学中心，其中评选出 39 家医学相关的国家级虚拟仿真实验教学中心 [2-4]。 为进一步贯彻落实习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神，教育部于 2017 年 7 月发布了《关于 2017 － 2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，规划在物理学类、化学类、天文学类等多个领域建设 1000 个项目，年度建设计划分别为 100、250、300、350 个。经认定首批国家虚拟仿真实验教学项目共有 105 个，其中与医学相关的项目有 50 个，分布在临床医学类、药学类和生物科学类。2018 年评选出296 个国家虚拟仿真实验教学项目， 其中与医学相关的项目有 105 个，分布在医学基础类、临床医学类、中医类、药学类等多个学科领域 [5-8]。
开展虚拟仿真实验教学是提升实验教学质量和水平的重要举措，随着现代信息技术和高等教育的发展，该教学模式逐渐受到各个高校以及国家的重视，在促进医学教育领域发展的过程中起着不可或缺的作用。因此，在《医学综合设计性实验》课程中开展虚拟仿真实验教学具有重要的现实意义。
三 构建《医学综合设计性实验》虚拟仿真实验教学平台
（一） 建设医学综合平台及素材库
医学综合设计性实验是建立在基础医学、临床医学、微生物学、药理学等多个基础领域上的综合性实验，故其平台及素材库的构建应具有联通性和综合性。参照医学虚拟仿真实验教学平台在windows、移动 APP(android 或者 IOS) 等多个平台构建的结构模式，医学综合设计性实验教学平台主要分为两大部分：实验内容讲义和虚拟操作系统。其中实验内容讲义包括文献查阅方法学、文献资料管理软件操作、动物行为学分析技术、常用仪器操作要领以及常用分子生物学技术等，通过脚本制作、视频录制和后期调试一系列流程，将数据信息化，真正意义上实现了资源融合和资源共享；虚拟操作系统是针对技术复杂、耗费巨大、无法实际开展的项目，借鉴兄弟院校的经验，构建高度仿真的虚拟实验对象和实验环境，采用校企联合的方式，分阶段、分步骤地开发符合教学大纲的新项目，以满足目前的实验教学需求。
（二） 开展虚拟仿真实验流程设计
虚拟仿真综合设计性实验课程按照实验的各个环节设计模块及流程，实验流程分为课题设计、实验方案设计、耗材申报、预实验、正式实验、撰写结项报告、汇报答辩 7 个环节，如图 1 所示。
根据实验的各个流程设计模块，并采用闯关的方式控制实验进程及质量，每一个模块过关后，方可进入下一步实验。课题设计模块主要起指导作用， 引导学生掌握如何进行课题设计的思路；实验方案设计模块主要由学生自主设计、带教老师引导完成； 耗材申报这一环节是由学生对实验耗材、试剂和药物的用量进行询价计算和罗列汇总；预实验模块中可通过虚拟实验操作提前熟悉并掌握部分实验操作技能，如仪器的使用、指标的观察、动物行为学评价等；正式实验模块则按照设计的实验方案进行操作，多人分工，团队协作；撰写结项报告和进行汇报答辩两个模块，是考察学生处理实验结果、制作答辩 PPT 和现场应答能力的，其最终结果由各个带教老师进行综合评价 [9]。
（三） 进行学习效果反馈与师生互动交流
考核是教学过程中反馈学习效果的有效方式， 虚拟实验考核主要分为平时性考核和期末考核。平时性考核包括线上学习时长、频次、问题讨论的情况以及阶段性测试。每一个阶段所布置的任务完成后会自动随机生成阶段性测试题，对学生的学习情况进行实时考核，达到及格及以上水平方可进行下一环节的学习。期末考核主要通过理论测试和技能操作对实验内容进行综合性考核，旨在巩固理论知识和细化规范实验操作。考核情况可通过后台全程监控，以便老师能够及时掌握学生学习情况，并进行督促和指导。学生还可以通过该学习平台与老师交流互动，在老师的帮助下完善实验方案设计、解决实验存在问题，开展创新科研项目，在提升学生学习能力和创新能力的同时最大限度地利用教师资源。
四 《医学综合设计性实验》引入虚拟仿真技术的优势
与传统实验教学相比，引入虚拟仿真技术的实验教学方式在各方面均占有一定的优势，如表 1 所示。
（一） 克服时空限制
虚拟仿真实验教学突破了传统实验教学对时间、空间以及实验资源的限制，学生不仅可以随时随地在虚拟仿真实验平台上进行操作，而且可以实现多个实验组同时进行同一实验模块的操作，实现了时空的最大化利用。在虚拟仿真实验技术的支持下， 每位同学都具有实验操作的机会，可以使学生熟练掌握实验各环节理论知识及技能操作，从而整体提高实验教学水平和质量。
（二） 丰富实验教学内容
引用虚拟仿真技术，采用线上 - 线下相结合的方式，推进信息技术与实践教学的深度融合，促进学生多学科知识点的融会贯通。对解决实验操作困难，涉及高危环境、违背动物伦理等问题提供了新方法和新途径，有利于学生创新思维、动手能力、职业行为规范的培养，同时也有效避免了实验中可能存在的危险，保障了师生安全。随着虚拟仿真实验项目的研发，实验内容越来越来丰富，不断满足实验教学和科研的需求。
（三） 提高实验教学效率
虚拟仿真实验平台构建师生互动环节，采用线上讨论与线下交流的方式进行互动式、研讨式教学， 有效解决了传统教学受众有限的问题，尽力做到全面覆盖，一定程度上能够减少实验失败率。在传统实验向虚拟实验转型的过程中，将单纯教师力量转化为混合型教育力量，减少了一些不必要的人力、物力和财力的投入。资源的合理分配在减少了教师的工作量的同时，有助于教师信息化教学水平的提升，促进实验教学效率稳步提高。
（四） 培养自主创新人才
虚拟仿真实验教学坚持以学生为中心，注重对学生理论素质、实践能力和创新精神的综合培养，以创新多样的教学方式，充分调动学生参与实验教学的积极性。在虚拟仿真实验平台上，学生可以利用现有的虚拟仪器系统，自主选择课题，自行设计实验，来验证实验的可行性。这种自主探究、自主学习的方式， 充分激发学生的学习兴趣与潜能，增强学生的创新精神和独立思考的能力，有助于培养高复合性创新人才。
（五） 提升了实验的先进性和前沿性
由于实验条件、实验经费和学生动手能力等方面的制约，在本科生中开展的实验往往是经典的实验内容、创新度不高，难度大的或新型的实验技术很难及时推广运用。采用虚拟仿真技术后，我们把经心脏穿刺进行脑灌注、脑立体定位及大小鼠脑不解剖等技术制作成虚拟仿真实验内容，学生先在平台上反复演练、掌握操作要领后再进行真实场景下的动物实验，极大提高了实验的成功率和学生实验项目的水平，很多实验成果直接发表在国家级核心期刊中。以课程项目为基础获批多项国家级和省级创新性学习项目，提升了学生科研水平和探索激情。
五 虚拟仿真实验教学中存在的问题
由于虚拟仿真实验教学是教育体系中的新生力量，故其各个方面尚不成熟。首先，虚拟仿真实验教学项目的研发存在难度，其制作时间长、技术含量高、所需费用高，建设专业的教学项目研发队伍有一定难度，实现虚拟仿真教学可持续发展则需要更加完善的机制。其次，在虚实结合的实验教学体系中，如何在“以实为主，以虚为辅”的基础上合理分配教师面授与学生自学的比例，同时提高教师的教学能力与学生的学习热情这一问题也需要深入探索。最后，线上 - 线下相结合的教学模式无形中增加学生的学习压力，许多内容要求学生自学，对学生要求较高，如何在保障教学质量的前提下尽可能地减少学生的学习压力，需要进一步探究与完善。
六 小结与展望
随着现代信息技术的不断发展，虚拟仿真技术将会被运用到各个领域，医学综合设计性实验也引入该技术，从而使实验教学质量得以提升。虚拟仿真实验教学有效弥补了传统实验教学的不足，两者相互结合又相互独立，共同发挥着不可或缺的作用。该教育变革顺应时代发展的要求，以现代信息技术为依托，全面提升学生实践能力和创新精神，促进高等教育教学质量的提高。目前将虚拟仿真实验技术应用于《医学综合设计性实验》教学正处于起步阶段，仍然存在许多尚未发现的问题，需要不断地探索与完善。在各实验开发人员的不懈努力下，虚拟仿真技术将不断优化，逐步起到提升医学教育质量，促进医学教育事业更好发展的重要作用。
参考文献
[1]杨丽萍 , 李新民 , 侯俊林 , 等 . 医学综合设计性实验课程的特色与创新 [J]. 中国中医药现代远程教育 ,2019,17(07):31-33.
[2]教育部 . 教育部办公厅关于批准北京大学地球科学虚拟仿真实验教学中心等 100 个国家级虚拟仿真实验教学中心的通知 ( 教高厅函［2014］6 号 )[Z].2014-02-19．
[3]教育部 . 教育部办公厅关于批准清华大学数字化制造系统虚拟仿真实验教学中心等 100 个国家级虚拟仿真实验教学中心的通知 ( 教高厅函［2015］3 号 )[Z].2015-01-08．
[4]教育部．教育部办公厅关于批准清华大学自动化实验教学中心等 100 个国家级实验教学示范中心的通知 ( 教高厅函［2016］7 号 )[Z].2016-01-26．
[5]教育部 . 教育部办公厅关于 2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知（教高厅 [2017]4 号 [Z].2017-07-11.
[6]教育部 . 教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知 ( 教高函［2018］5 号 )[Z].2018-05-30．
[7]教育部 . 教育部关于公布首批国家虚拟仿真实验教学项目认定结果的通知（教高函 [2018]6 号）[Z].2018-05-31．
[8]教育部 .教育部关于公布 2018 年度国家虚拟仿真实验教学项目认定结果的通知（教高函 [2019]6 号）[Z].2019-03-06．
[9]龚曼 , 孙慧娟 , 张明昊 , 等 .综合设计性实验的虚拟仿真课程设计 [J]. 教育现代化 ,2017,4(23):180-181.
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