思維訓練下醫學虛擬仿真實驗建設探析

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摘要:為解決基礎醫學實驗教學中綜合類、設計類實驗大規模開展困難，學生思維訓練不足，多學科知識交叉融合及綜合運用能力缺乏等問題，利用虛擬仿真技術優勢，提出整合性思維培養為目標、以實驗流程再造為主線、以學科間交叉融合為重心、以思維訓練為核心的設計理念。自主研發了基于科學研究思維培養的基礎醫學虛擬仿真綜合實驗并應用于教學實踐，成效顯著，獲批國家虛擬仿真實驗教學一流課程。該文從研發背景、設計思路、建設內容、教學實踐、建設成效等方面進行經驗分享，為虛擬仿真實驗教學研究提供經驗參考。

關鍵詞:基礎醫學;實驗教學;虛擬仿真;思維訓練

隨著國家對高校實驗教學內涵發展需求，虛擬仿真實驗教學從“十二五”強調中心建設階段進入“十三五”強調自主知識產權的示范項目建設與開放共享階段［1，2］。國家虛擬仿真實驗教學項目列為“金課”使其建設及教學應用與實踐工作成為各國家級實驗教學示范中心的重要任務之一［3，4］。當前國家、社會越發趨向于創新型、復合型人才需求，使醫學教育中單一實驗內容、課程教學越發趨向于綜合、整合性實驗內容及課程教學，各醫學高校均在積極進行綜合、整合性實驗項目、課程、資源、教學等摸索與研究中［5－7］。團隊結合我校基礎醫學國家級實驗教學示范中心特點，以醫學生思維培養為目標，整合各學科實驗教學資源，進行基于科學研究思維培養的基礎醫學虛擬仿真綜合實驗項目研發，本文從項目研發背景、設計思路、建設內容、教學實踐、建設成效等進行闡述與分享，為示范性項目建設及應用提供信息參考，促進教育教學改革與研究步伐。

1項目研發背景

1．1研發意義

現有基礎醫學實驗教學中存在大規模開展綜合類、設計類實驗較難，學生科學研究思維訓練不足，設計、綜合類實驗教學效果不佳，各學科知識間交叉融合相對缺乏等問題，嚴重阻礙學生實踐能力、創新能力、科學研究能力的培養［8－10］。依托地方特色、學科特點，整合多學科資源，基于基礎醫學國家級實驗教學示范中心虛擬仿真實驗教學平臺，以整合思維培養為目標、以科學問題為導向、以已完成的科研項目或大學生創新創業計劃項目為載體、以科學研究實驗流程再造為主線、以學科間交叉融合為重心、以思維訓練為核心的設計理念(見圖1)，研發了基于科學研究思維培養的基礎醫學虛擬仿真綜合實驗項目。采用虛擬仿真實驗－實體實驗－虛擬仿真實驗方式開展混合式教學，旨在培養學生科學研究思維，整合運用多學科知識解決復雜問題的能力。

1．2學習目標

通過該項目的學習，要求學生能夠達到:①掌握科學研究中實驗設計涉及的重要因素，明確科學研究基本原則、思路、要求及步驟，形成嚴謹、科學、務實的實驗態度，并具備一定科學研究思維能力。②熟悉多學科基本實驗知識和操作技能，如動物灌胃、組織采集、血樣采集、切片制備及染色、生化含量測定、基因擴增、蛋白免疫印跡等，并能應用、實施于實驗操作中，自主開展綜合實驗與科學研究。③熟練文獻查閱、綜述寫作方法，了解常用統計學分析方法和應用軟件，培養統計分析能力、邏輯思維能力、總結和歸納能力。④了解各實驗室功能及相關儀器設備的操作與應用，提升實驗室及實驗實施中的安全認知及意識。

2項目建設內容

2．1整體設計思路

以貴州當地特色藥用植物作用機制為切入點，從文獻查閱、綜述寫作、研究問題提出、實驗方案設計、實驗實施、結果及統計分析、結論推導、實驗拓展等方面開展科學研究過程，層層遞進，逐步引導學生自主完成實驗設計及整個項目學習。穿插導師指導、知識鏈接、內容拓展等，培養學生自主學習、分析與解決問題能力，訓練其科學研究思維，啟發思維創新。項目結合多媒體、虛擬現實、人機交互、網絡通信技術、數據庫等，采用3DMAX進行場景，利用動畫技術進行內容分解，使用Ani-mateCC技術進行程序合成，搭建形象逼真的虛擬仿真實驗教學環境。

2．2項目模塊分析

基于科學研究思維培養的基礎醫學虛擬仿真綜合實驗包含了項目簡介、項目目的、虛擬實驗、考核評價四大模塊，旨在提高學生基礎醫學基本知識與技術，培養其科學研究思維和多學科知識與技能的綜合運用能力，實現基礎醫學實驗教學中多學科知識、思維、技能的交叉訓練，啟發思維創新，突出學生學習的主體性、體驗性、創新性及探究性。①項目簡介:包含項目背景、項目總覽、設計思路、基礎知識四個部分。目的在于讓學生了解研究背景、項目框架，掌握基本實驗設計、科學研究知識，便于學生能更好地接受和適應項目的下一步學習，提高學習和吸納知識的效率。②項目目的:明確項目學習目的及要達到的學習要求，帶著目的去學習。③虛擬實驗:由實驗引導、文獻查閱、綜述寫作、問題提出、方案設計、實驗實施、結果統計、得出結論、實驗拓展九個部分構成。該模塊依據已完成的大學生創新創業計劃項目開展的實際情況進行實驗流程再造，引導學生如何來開展科學研究，訓練科學研究思維，培養綜合思維運用能力。④考核評價:包含成績評定、練習題庫、討論題庫、實驗設計題庫、試卷考核，供學生練習、測試與考核，旨在了解學生所學知識掌握程度及相關知識拓寬情況，便于教師進行因材施教、個性化指導。學生通過自我評價實現自我知識與技能的彌補、完善。

2．3項目特色

該項目通過科學研究實驗流程再造與虛擬仿真相結合，實現了實踐教學－虛擬仿真－科學研究思維訓練的有機融合。從文獻查閱、綜述寫作開始著手，以當地特色藥用植物作用機制為切入點，從藥物選擇、動物選擇、實驗分組、檢測指標及方法確定、儀器選擇及使用、設計思路梳理、結果及統計分析等各個關鍵環節點設置影響因素和問題思考，層層遞進，逐步引導學生完成實驗任務。訓練學生科學研究思維能力的同時，提升綜合知識與技能的運用能力，啟發思維創新。

3教學實踐

采取以學生自主學習為主、教師引導為輔，虛擬實驗學習與實體實驗學習，設計性實驗與探究性實驗相結合的線上線下學習方式。學生自主查閱文獻，了解相關研究背景知識，通過分析、解決實驗中系列問題及考核，自主進行實驗設計，確定研究方案，進行整個實驗虛擬仿真操作，推導實驗結論。通過測試、考核，完成項目學習。基于該項目學習，學生掌握了實驗設計原則、思路，檢測指標測定的方法，科學研究基本步驟等知識點。通過線上線下進一步的知識、思維延伸與拔高學習，啟發并指導學生進行實體實驗或項目設計、申報、實施等，實現自我發展、創造性發展，具體實施情況見圖2。在傳統實驗教學基礎上，融合虛擬仿真技術，有效提高學生對知識的理解、掌握、遞進、反復和鞏固，形成虛擬仿真實驗－實體實驗－虛擬仿真實驗循環式教學模式，實現生生互動、師生互動、人機互動。采用線上線下相結合方式，對教學內容進行延伸、拓展，在加強知識深度、廣度、關聯性、融合性、充要性的同時，強調基礎、突出綜合與創新、重視思政。在學生綜合能力發展和學科知識相互滲透的基礎上，培養其科學研究思維、創新思維，訓練多學科知識及技能的綜合思考與整合運用能力。

4建設成效

該項目自2016年研發上線以來，并推廣到各高校使用，在使用過程中收集各高校使用情況及反饋意見，不斷發現問題、解決問題，整改、優化項目，通過實驗空間，即國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺開放使用。該項目在我校服務人數達10000余人，已納入我校部分專業必修課，深受師生歡迎，激起學生實驗設計、科學研究的興趣和熱情，對學生基本實驗技能綜合運用能力、實驗方案設計、科學研究及創新思維的培養達到一定效果。如項目教學中指導學生進行大學生創新創業計劃項目的思考與申報，近四年來成功申報大創項目共47項，其中國家級16項，省級31項(見圖3)。通過大創項目的實施與完成，以學生為第一作者發表文章34篇，其中核心文章16篇，一般文章18篇(見圖4)。以大創項目為基礎，引導學生參加省級、全國“挑戰杯”比賽，參加省級、全國實驗設計類大賽，參加省級、全國“互聯網+”比賽，將大創項目成果轉化為虛擬仿真作品參加比賽并榮獲各類獎項。同時，教師將教學方法、收獲與經驗等參加全國各協會、委員會等舉辦的各類比賽及經驗分享，獲各高校同行肯定。近四年師生榮獲各類獎項共68項，其中全國類獎項31項，省級獎項15項，校級22項(見圖5)。通過對200名學生問卷調查顯示(見圖6)，85%的學生認為通過該項目的學習，文獻查閱能力得到提升，82%的學生對常規儀器的認知、功能及使用能力得到提升，84%的學生自身實驗操作能力方面得到一定程度訓練，85%的學生在實驗方案設計方面能力有所提升，95%的學生多學科基本實驗知識與基本實驗技能的綜合運用能力得到培養，95%的學生在實驗設計思路、思維，科學研究思維方面得到一定程度提高。84%的學生掌握了常用的統計學分析方法。該項目的建設克服了實驗教學中思維訓練缺乏，綜合性、創新性、設計性實驗無法批量開展與實施的缺陷，降低實驗成本，為學生提供反復學習與鞏固的機會，促進學習創新、教學創新，激發出系列創造性成果，真正實現虛實結合、以實為主的教學要求。學生綜合能力與實際應用能力得以提高，思維得以發散和創新。該項目在教學應用中取得的系列成果，引起社會關注。如項目在第一屆全國夢之路杯虛擬仿真實驗設計大賽榮獲一等獎;項目研發及教學經驗被邀在其他高校經驗分享，并在全國類高校會議上匯報，深受好評;其教學應用在教學設計類比賽中榮獲二、三等獎。虛擬仿真實驗教學項目在實驗教學中應用成功案例很多，但如何通過虛擬仿真實驗環境對學生科學、創新思維能力進行培養和訓練，有待進一步思考和開發［11］。該項目以學生整合性思維培養為目標，堅持信息融合、虛實結合、自主學習、創新培養、開放共享、持續發展的原則，研發了基于科學研究思維培養的基礎醫學虛擬仿真綜合實驗，實踐成效顯著。項目組將不斷優化、延伸、探索更多的綜合性虛擬仿真實驗教學項目，拓寬實體教學中設計性、探究性實驗開展的深度和廣度，提高學生綜合能力培養成效，摸索適合我校自身特色的線上線下、虛實結合的混合式實驗教學，推進教學－虛擬－科研相互轉化、相互融合、相互促進，促進虛擬仿真信息技術在實驗教學中的深度融合，加大項目開放力度、輻射性和示范性。

作者:吳遵秋 孫見飛 鐘曦 曾柱 吳寧 單位:貴州醫科大學基礎醫學國家級實驗教學示范中心