思維訓(xùn)練下醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)探析
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摘要:為解決基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中綜合類(lèi)、設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)驗(yàn)大規(guī)模開(kāi)展困難，學(xué)生思維訓(xùn)練不足，多學(xué)科知識(shí)交叉融合及綜合運(yùn)用能力缺乏等問(wèn)題，利用虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出整合性思維培養(yǎng)為目標(biāo)、以實(shí)驗(yàn)流程再造為主線、以學(xué)科間交叉融合為重心、以思維訓(xùn)練為核心的設(shè)計(jì)理念。自主研發(fā)了基于科學(xué)研究思維培養(yǎng)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，成效顯著，獲批國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。該文從研發(fā)背景、設(shè)計(jì)思路、建設(shè)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)踐、建設(shè)成效等方面進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分享，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究提供經(jīng)驗(yàn)參考。
關(guān)鍵詞:基礎(chǔ)醫(yī)學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真;思維訓(xùn)練
隨著國(guó)家對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵發(fā)展需求，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)從“十二五”強(qiáng)調(diào)中心建設(shè)階段進(jìn)入“十三五”強(qiáng)調(diào)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的示范項(xiàng)目建設(shè)與開(kāi)放共享階段［1，2］。國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目列為“金課”使其建設(shè)及教學(xué)應(yīng)用與實(shí)踐工作成為各國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的重要任務(wù)之一［3，4］。當(dāng)前國(guó)家、社會(huì)越發(fā)趨向于創(chuàng)新型、復(fù)合型人才需求，使醫(yī)學(xué)教育中單一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、課程教學(xué)越發(fā)趨向于綜合、整合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及課程教學(xué)，各醫(yī)學(xué)高校均在積極進(jìn)行綜合、整合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、課程、資源、教學(xué)等摸索與研究中［5－7］。團(tuán)隊(duì)結(jié)合我校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心特點(diǎn)，以醫(yī)學(xué)生思維培養(yǎng)為目標(biāo)，整合各學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，進(jìn)行基于科學(xué)研究思維培養(yǎng)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研發(fā)，本文從項(xiàng)目研發(fā)背景、設(shè)計(jì)思路、建設(shè)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)踐、建設(shè)成效等進(jìn)行闡述與分享，為示范性項(xiàng)目建設(shè)及應(yīng)用提供信息參考，促進(jìn)教育教學(xué)改革與研究步伐。
1項(xiàng)目研發(fā)背景
1．1研發(fā)意義
現(xiàn)有基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在大規(guī)模開(kāi)展綜合類(lèi)、設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)驗(yàn)較難，學(xué)生科學(xué)研究思維訓(xùn)練不足，設(shè)計(jì)、綜合類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳，各學(xué)科知識(shí)間交叉融合相對(duì)缺乏等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、科學(xué)研究能力的培養(yǎng)［8－10］。依托地方特色、學(xué)科特點(diǎn)，整合多學(xué)科資源，基于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以整合思維培養(yǎng)為目標(biāo)、以科學(xué)問(wèn)題為導(dǎo)向、以已完成的科研項(xiàng)目或大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目為載體、以科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)流程再造為主線、以學(xué)科間交叉融合為重心、以思維訓(xùn)練為核心的設(shè)計(jì)理念(見(jiàn)圖1)，研發(fā)了基于科學(xué)研究思維培養(yǎng)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)－實(shí)體實(shí)驗(yàn)－虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方式開(kāi)展混合式教學(xué)，旨在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究思維，整合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。
1．2學(xué)習(xí)目標(biāo)
通過(guò)該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠達(dá)到:①掌握科學(xué)研究中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)涉及的重要因素，明確科學(xué)研究基本原則、思路、要求及步驟，形成嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、務(wù)實(shí)的實(shí)驗(yàn)態(tài)度，并具備一定科學(xué)研究思維能力。②熟悉多學(xué)科基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)和操作技能，如動(dòng)物灌胃、組織采集、血樣采集、切片制備及染色、生化含量測(cè)定、基因擴(kuò)增、蛋白免疫印跡等，并能應(yīng)用、實(shí)施于實(shí)驗(yàn)操作中，自主開(kāi)展綜合實(shí)驗(yàn)與科學(xué)研究。③熟練文獻(xiàn)查閱、綜述寫(xiě)作方法，了解常用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法和應(yīng)用軟件，培養(yǎng)統(tǒng)計(jì)分析能力、邏輯思維能力、總結(jié)和歸納能力。④了解各實(shí)驗(yàn)室功能及相關(guān)儀器設(shè)備的操作與應(yīng)用，提升實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)實(shí)施中的安全認(rèn)知及意識(shí)。
2項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容
2．1整體設(shè)計(jì)思路
以貴州當(dāng)?shù)靥厣幱弥参镒饔脵C(jī)制為切入點(diǎn)，從文獻(xiàn)查閱、綜述寫(xiě)作、研究問(wèn)題提出、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、結(jié)果及統(tǒng)計(jì)分析、結(jié)論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)拓展等方面開(kāi)展科學(xué)研究過(guò)程，層層遞進(jìn)，逐步引導(dǎo)學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及整個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)。穿插導(dǎo)師指導(dǎo)、知識(shí)鏈接、內(nèi)容拓展等，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析與解決問(wèn)題能力，訓(xùn)練其科學(xué)研究思維，啟發(fā)思維創(chuàng)新。項(xiàng)目結(jié)合多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)等，采用3DMAX進(jìn)行場(chǎng)景，利用動(dòng)畫(huà)技術(shù)進(jìn)行內(nèi)容分解，使用Ani-mateCC技術(shù)進(jìn)行程序合成，搭建形象逼真的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。
2．2項(xiàng)目模塊分析
基于科學(xué)研究思維培養(yǎng)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)包含了項(xiàng)目簡(jiǎn)介、項(xiàng)目目的、虛擬實(shí)驗(yàn)、考核評(píng)價(jià)四大模塊，旨在提高學(xué)生基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)基本知識(shí)與技術(shù)，培養(yǎng)其科學(xué)研究思維和多學(xué)科知識(shí)與技能的綜合運(yùn)用能力，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中多學(xué)科知識(shí)、思維、技能的交叉訓(xùn)練，啟發(fā)思維創(chuàng)新，突出學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性、體驗(yàn)性、創(chuàng)新性及探究性。①項(xiàng)目簡(jiǎn)介:包含項(xiàng)目背景、項(xiàng)目總覽、設(shè)計(jì)思路、基礎(chǔ)知識(shí)四個(gè)部分。目的在于讓學(xué)生了解研究背景、項(xiàng)目框架，掌握基本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、科學(xué)研究知識(shí)，便于學(xué)生能更好地接受和適應(yīng)項(xiàng)目的下一步學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)和吸納知識(shí)的效率。②項(xiàng)目目的:明確項(xiàng)目學(xué)習(xí)目的及要達(dá)到的學(xué)習(xí)要求，帶著目的去學(xué)習(xí)。③虛擬實(shí)驗(yàn):由實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)、文獻(xiàn)查閱、綜述寫(xiě)作、問(wèn)題提出、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、結(jié)果統(tǒng)計(jì)、得出結(jié)論、實(shí)驗(yàn)拓展九個(gè)部分構(gòu)成。該模塊依據(jù)已完成的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目開(kāi)展的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)流程再造，引導(dǎo)學(xué)生如何來(lái)開(kāi)展科學(xué)研究，訓(xùn)練科學(xué)研究思維，培養(yǎng)綜合思維運(yùn)用能力。④考核評(píng)價(jià):包含成績(jī)?cè)u(píng)定、練習(xí)題庫(kù)、討論題庫(kù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題庫(kù)、試卷考核，供學(xué)生練習(xí)、測(cè)試與考核，旨在了解學(xué)生所學(xué)知識(shí)掌握程度及相關(guān)知識(shí)拓寬情況，便于教師進(jìn)行因材施教、個(gè)性化指導(dǎo)。學(xué)生通過(guò)自我評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)自我知識(shí)與技能的彌補(bǔ)、完善。
2．3項(xiàng)目特色
該項(xiàng)目通過(guò)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)流程再造與虛擬仿真相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)－虛擬仿真－科學(xué)研究思維訓(xùn)練的有機(jī)融合。從文獻(xiàn)查閱、綜述寫(xiě)作開(kāi)始著手，以當(dāng)?shù)靥厣幱弥参镒饔脵C(jī)制為切入點(diǎn)，從藥物選擇、動(dòng)物選擇、實(shí)驗(yàn)分組、檢測(cè)指標(biāo)及方法確定、儀器選擇及使用、設(shè)計(jì)思路梳理、結(jié)果及統(tǒng)計(jì)分析等各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)點(diǎn)設(shè)置影響因素和問(wèn)題思考，層層遞進(jìn)，逐步引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)研究思維能力的同時(shí)，提升綜合知識(shí)與技能的運(yùn)用能力，啟發(fā)思維創(chuàng)新。
3教學(xué)實(shí)踐
采取以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主、教師引導(dǎo)為輔，虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與探究性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的線上線下學(xué)習(xí)方式。學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)，了解相關(guān)研究背景知識(shí)，通過(guò)分析、解決實(shí)驗(yàn)中系列問(wèn)題及考核，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定研究方案，進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真操作，推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過(guò)測(cè)試、考核，完成項(xiàng)目學(xué)習(xí)?；谠擁?xiàng)目學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則、思路，檢測(cè)指標(biāo)測(cè)定的方法，科學(xué)研究基本步驟等知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)線上線下進(jìn)一步的知識(shí)、思維延伸與拔高學(xué)習(xí)，啟發(fā)并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)或項(xiàng)目設(shè)計(jì)、申報(bào)、實(shí)施等，實(shí)現(xiàn)自我發(fā)展、創(chuàng)造性發(fā)展，具體實(shí)施情況見(jiàn)圖2。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，融合虛擬仿真技術(shù)，有效提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、掌握、遞進(jìn)、反復(fù)和鞏固，形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)－實(shí)體實(shí)驗(yàn)－虛擬仿真實(shí)驗(yàn)循環(huán)式教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)生生互動(dòng)、師生互動(dòng)、人機(jī)互動(dòng)。采用線上線下相結(jié)合方式，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行延伸、拓展，在加強(qiáng)知識(shí)深度、廣度、關(guān)聯(lián)性、融合性、充要性的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)、突出綜合與創(chuàng)新、重視思政。在學(xué)生綜合能力發(fā)展和學(xué)科知識(shí)相互滲透的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)其科學(xué)研究思維、創(chuàng)新思維，訓(xùn)練多學(xué)科知識(shí)及技能的綜合思考與整合運(yùn)用能力。
4建設(shè)成效
該項(xiàng)目自2016年研發(fā)上線以來(lái)，并推廣到各高校使用，在使用過(guò)程中收集各高校使用情況及反饋意見(jiàn)，不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，整改、優(yōu)化項(xiàng)目，通過(guò)實(shí)驗(yàn)空間，即國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)開(kāi)放使用。該項(xiàng)目在我校服務(wù)人數(shù)達(dá)10000余人，已納入我校部分專(zhuān)業(yè)必修課，深受師生歡迎，激起學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、科學(xué)研究的興趣和熱情，對(duì)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能綜合運(yùn)用能力、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、科學(xué)研究及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)達(dá)到一定效果。如項(xiàng)目教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目的思考與申報(bào)，近四年來(lái)成功申報(bào)大創(chuàng)項(xiàng)目共47項(xiàng)，其中國(guó)家級(jí)16項(xiàng)，省級(jí)31項(xiàng)(見(jiàn)圖3)。通過(guò)大創(chuàng)項(xiàng)目的實(shí)施與完成，以學(xué)生為第一作者發(fā)表文章34篇，其中核心文章16篇，一般文章18篇(見(jiàn)圖4)。以大創(chuàng)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生參加省級(jí)、全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”比賽，參加省級(jí)、全國(guó)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類(lèi)大賽，參加省級(jí)、全國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”比賽，將大創(chuàng)項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真作品參加比賽并榮獲各類(lèi)獎(jiǎng)項(xiàng)。同時(shí)，教師將教學(xué)方法、收獲與經(jīng)驗(yàn)等參加全國(guó)各協(xié)會(huì)、委員會(huì)等舉辦的各類(lèi)比賽及經(jīng)驗(yàn)分享，獲各高校同行肯定。近四年師生榮獲各類(lèi)獎(jiǎng)項(xiàng)共68項(xiàng)，其中全國(guó)類(lèi)獎(jiǎng)項(xiàng)31項(xiàng)，省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)15項(xiàng)，校級(jí)22項(xiàng)(見(jiàn)圖5)。通過(guò)對(duì)200名學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查顯示(見(jiàn)圖6)，85%的學(xué)生認(rèn)為通過(guò)該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，文獻(xiàn)查閱能力得到提升，82%的學(xué)生對(duì)常規(guī)儀器的認(rèn)知、功能及使用能力得到提升，84%的學(xué)生自身實(shí)驗(yàn)操作能力方面得到一定程度訓(xùn)練，85%的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)方面能力有所提升，95%的學(xué)生多學(xué)科基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)與基本實(shí)驗(yàn)技能的綜合運(yùn)用能力得到培養(yǎng)，95%的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路、思維，科學(xué)研究思維方面得到一定程度提高。84%的學(xué)生掌握了常用的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法。該項(xiàng)目的建設(shè)克服了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中思維訓(xùn)練缺乏，綜合性、創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)無(wú)法批量開(kāi)展與實(shí)施的缺陷，降低實(shí)驗(yàn)成本，為學(xué)生提供反復(fù)學(xué)習(xí)與鞏固的機(jī)會(huì)，促進(jìn)學(xué)習(xí)創(chuàng)新、教學(xué)創(chuàng)新，激發(fā)出系列創(chuàng)造性成果，真正實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、以實(shí)為主的教學(xué)要求。學(xué)生綜合能力與實(shí)際應(yīng)用能力得以提高，思維得以發(fā)散和創(chuàng)新。該項(xiàng)目在教學(xué)應(yīng)用中取得的系列成果，引起社會(huì)關(guān)注。如項(xiàng)目在第一屆全國(guó)夢(mèng)之路杯虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽榮獲一等獎(jiǎng);項(xiàng)目研發(fā)及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)被邀在其他高校經(jīng)驗(yàn)分享，并在全國(guó)類(lèi)高校會(huì)議上匯報(bào)，深受好評(píng);其教學(xué)應(yīng)用在教學(xué)設(shè)計(jì)類(lèi)比賽中榮獲二、三等獎(jiǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用成功案例很多，但如何通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)學(xué)生科學(xué)、創(chuàng)新思維能力進(jìn)行培養(yǎng)和訓(xùn)練，有待進(jìn)一步思考和開(kāi)發(fā)［11］。該項(xiàng)目以學(xué)生整合性思維培養(yǎng)為目標(biāo)，堅(jiān)持信息融合、虛實(shí)結(jié)合、自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新培養(yǎng)、開(kāi)放共享、持續(xù)發(fā)展的原則，研發(fā)了基于科學(xué)研究思維培養(yǎng)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐成效顯著。項(xiàng)目組將不斷優(yōu)化、延伸、探索更多的綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，拓寬實(shí)體教學(xué)中設(shè)計(jì)性、探究性實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的深度和廣度，提高學(xué)生綜合能力培養(yǎng)成效，摸索適合我校自身特色的線上線下、虛實(shí)結(jié)合的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，推進(jìn)教學(xué)－虛擬－科研相互轉(zhuǎn)化、相互融合、相互促進(jìn)，促進(jìn)虛擬仿真信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的深度融合，加大項(xiàng)目開(kāi)放力度、輻射性和示范性。
作者:吳遵秋 孫見(jiàn)飛 鐘曦 曾柱 吳寧 單位:貴州醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心
