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摘要:為解決基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中綜合類、設(shè)計類實驗大規(guī)模開展困難，學(xué)生思維訓(xùn)練不足，多學(xué)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(shù)優(yōu)勢，提出整合性思維培養(yǎng)為目標(biāo)、以實驗流程再造為主線、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)虛擬仿真綜合實驗并應(yīng)用于教學(xué)實踐，成效顯著，獲批國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程。該文從研發(fā)背景、設(shè)計思路、建設(shè)內(nèi)容、教學(xué)實踐、建設(shè)成效等方面進行經(jīng)驗分享，為虛擬仿真實驗教學(xué)研究提供經(jīng)驗參考。

關(guān)鍵詞:基礎(chǔ)醫(yī)學(xué);實驗教學(xué);虛擬仿真;思維訓(xùn)練

隨著國家對高校實驗教學(xué)內(nèi)涵發(fā)展需求，虛擬仿真實驗教學(xué)從“十二五”強調(diào)中心建設(shè)階段進入“十三五”強調(diào)自主知識產(chǎn)權(quán)的示范項目建設(shè)與開放共享階段［1，2］。國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目列為“金課”使其建設(shè)及教學(xué)應(yīng)用與實踐工作成為各國家級實驗教學(xué)示范中心的重要任務(wù)之一［3，4］。當(dāng)前國家、社會越發(fā)趨向于創(chuàng)新型、復(fù)合型人才需求，使醫(yī)學(xué)教育中單一實驗內(nèi)容、課程教學(xué)越發(fā)趨向于綜合、整合性實驗內(nèi)容及課程教學(xué)，各醫(yī)學(xué)高校均在積極進行綜合、整合性實驗項目、課程、資源、教學(xué)等摸索與研究中［5－7］。團隊結(jié)合我校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心特點，以醫(yī)學(xué)生思維培養(yǎng)為目標(biāo)，整合各學(xué)科實驗教學(xué)資源，進行基于科學(xué)研究思維培養(yǎng)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真綜合實驗項目研發(fā)，本文從項目研發(fā)背景、設(shè)計思路、建設(shè)內(nèi)容、教學(xué)實踐、建設(shè)成效等進行闡述與分享，為示范性項目建設(shè)及應(yīng)用提供信息參考，促進教育教學(xué)改革與研究步伐。

1項目研發(fā)背景

1．1研發(fā)意義

現(xiàn)有基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中存在大規(guī)模開展綜合類、設(shè)計類實驗較難，學(xué)生科學(xué)研究思維訓(xùn)練不足，設(shè)計、綜合類實驗教學(xué)效果不佳，各學(xué)科知識間交叉融合相對缺乏等問題，嚴(yán)重阻礙學(xué)生實踐能力、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，整合多學(xué)科資源，基于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，以整合思維培養(yǎng)為目標(biāo)、以科學(xué)問題為導(dǎo)向、以已完成的科研項目或大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目為載體、以科學(xué)研究實驗流程再造為主線、以學(xué)科間交叉融合為重心、以思維訓(xùn)練為核心的設(shè)計理念(見圖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(xué)，旨在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究思維，整合運用多學(xué)科知識解決復(fù)雜問題的能力。

1．2學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過該項目的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠達到:①掌握科學(xué)研究中實驗設(shè)計涉及的重要因素，明確科學(xué)研究基本原則、思路、要求及步驟，形成嚴(yán)謹、科學(xué)、務(wù)實的實驗態(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(yīng)用、實施于實驗操作中，自主開展綜合實驗與科學(xué)研究。③熟練文獻查閱、綜述寫作方法，了解常用統(tǒng)計學(xué)分析方法和應(yīng)用軟件，培養(yǎng)統(tǒng)計分析能力、邏輯思維能力、總結(jié)和歸納能力。④了解各實驗室功能及相關(guān)儀器設(shè)備的操作與應(yīng)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(shè)內(nèi)容

2．1整體設(shè)計思路

以貴州當(dāng)?shù)靥厣幱弥参镒饔脵C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(shè)計、實驗實施、結(jié)果及統(tǒng)計分析、結(jié)論推導(dǎo)、實驗拓展等方面開展科學(xué)研究過程，層層遞進，逐步引導(dǎo)學(xué)生自主完成實驗設(shè)計及整個項目學(xué)習(xí)。穿插導(dǎo)師指導(dǎo)、知識鏈接、內(nèi)容拓展等，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析與解決問題能力，訓(xùn)練其科學(xué)研究思維，啟發(fā)思維創(chuàng)新。項目結(jié)合多媒體、虛擬現(xiàn)實、人機交互、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等，采用3DMAX進行場景，利用動畫技術(shù)進行內(nèi)容分解，使用Ani-mateCC技術(shù)進行程序合成，搭建形象逼真的虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境。

2．2項目模塊分析

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(xué)生基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)基本知識與技術(shù)，培養(yǎng)其科學(xué)研究思維和多學(xué)科知識與技能的綜合運用能力，實現(xiàn)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中多學(xué)科知識、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、體驗性、創(chuàng)新性及探究性。①項目簡介:包含項目背景、項目總覽、設(shè)計思路、基礎(chǔ)知識四個部分。目的在于讓學(xué)生了解研究背景、項目框架，掌握基本實驗設(shè)計、科學(xué)研究知識，便于學(xué)生能更好地接受和適應(yīng)項目的下一步學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)和吸納知識的效率。②項目目的:明確項目學(xué)習(xí)目的及要達到的學(xué)習(xí)要求，帶著目的去學(xué)習(xí)。③虛擬實驗:由實驗引導(dǎo)、文獻查閱、綜述寫作、問題提出、方案設(shè)計、實驗實施、結(jié)果統(tǒng)計、得出結(jié)論、實驗拓展九個部分構(gòu)成。該模塊依據(jù)已完成的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目開展的實際情況進行實驗流程再造，引導(dǎo)學(xué)生如何來開展科學(xué)研究，訓(xùn)練科學(xué)研究思維，培養(yǎng)綜合思維運用能力。④考核評價:包含成績評定、練習(xí)題庫、討論題庫、實驗設(shè)計題庫、試卷考核，供學(xué)生練習(xí)、測試與考核，旨在了解學(xué)生所學(xué)知識掌握程度及相關(guān)知識拓寬情況，便于教師進行因材施教、個性化指導(dǎo)。學(xué)生通過自我評價實現(xiàn)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(xué)研究實驗流程再造與虛擬仿真相結(jié)合，實現(xiàn)了實踐教學(xué)－虛擬仿真－科學(xué)研究思維訓(xùn)練的有機融合。從文獻查閱、綜述寫作開始著手，以當(dāng)?shù)靥厣幱弥参镒饔脵C制為切入點，從藥物選擇、動物選擇、實驗分組、檢測指標(biāo)及方法確定、儀器選擇及使用、設(shè)計思路梳理、結(jié)果及統(tǒng)計分析等各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)點設(shè)置影響因素和問題思考，層層遞進，逐步引導(dǎo)學(xué)生完成實驗任務(wù)。訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)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(fā)思維創(chuàng)新。

3教學(xué)實踐

采取以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主、教師引導(dǎo)為輔，虛擬實驗學(xué)習(xí)與實體實驗學(xué)習(xí)，設(shè)計性實驗與探究性實驗相結(jié)合的線上線下學(xué)習(xí)方式。學(xué)生自主查閱文獻，了解相關(guān)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(shè)計，確定研究方案，進行整個實驗虛擬仿真操作，推導(dǎo)實驗結(jié)論。通過測試、考核，完成項目學(xué)習(xí)。基于該項目學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了實驗設(shè)計原則、思路，檢測指標(biāo)測定的方法，科學(xué)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(xué)習(xí)，啟發(fā)并指導(dǎo)學(xué)生進行實體實驗或項目設(shè)計、申報、實施等，實現(xiàn)自我發(fā)展、創(chuàng)造性發(fā)展，具體實施情況見圖2。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)基礎(chǔ)上，融合虛擬仿真技術(shù)，有效提高學(xué)生對知識的理解、掌握、遞進、反復(fù)和鞏固，形成虛擬仿真實驗－實體實驗－虛擬仿真實驗循環(huán)式教學(xué)模式，實現(xiàn)生生互動、師生互動、人機互動。采用線上線下相結(jié)合方式，對教學(xué)內(nèi)容進行延伸、拓展，在加強知識深度、廣度、關(guān)聯(lián)性、融合性、充要性的同時，強調(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)科知識及技能的綜合思考與整合運用能力。

4建設(shè)成效

該項目自2016年研發(fā)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(fā)現(xiàn)問題、解決問題，整改、優(yōu)化項目，通過實驗空間，即國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享服務(wù)平臺開放使用。該項目在我校服務(wù)人數(shù)達10000余人，已納入我校部分專業(yè)必修課，深受師生歡迎，激起學(xué)生實驗設(shè)計、科學(xué)研究的興趣和熱情，對學(xué)生基本實驗技能綜合運用能力、實驗方案設(shè)計、科學(xué)研究及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)達到一定效果。如項目教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生進行大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目的思考與申報，近四年來成功申報大創(chuàng)項目共47項，其中國家級16項，省級31項(見圖3)。通過大創(chuàng)項目的實施與完成，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(見圖4)。以大創(chuàng)項目為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生參加省級、全國“挑戰(zhàn)杯”比賽，參加省級、全國實驗設(shè)計類大賽，參加省級、全國“互聯(lián)網(wǎng)+”比賽，將大創(chuàng)項目成果轉(zhuǎn)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(xué)方法、收獲與經(jīng)驗等參加全國各協(xié)會、委員會等舉辦的各類比賽及經(jīng)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(xué)生問卷調(diào)查顯示(見圖6)，85%的學(xué)生認為通過該項目的學(xué)習(xí)，文獻查閱能力得到提升，82%的學(xué)生對常規(guī)儀器的認知、功能及使用能力得到提升，84%的學(xué)生自身實驗操作能力方面得到一定程度訓(xùn)練，85%的學(xué)生在實驗方案設(shè)計方面能力有所提升，95%的學(xué)生多學(xué)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(yǎng)，95%的學(xué)生在實驗設(shè)計思路、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)計學(xué)分析方法。該項目的建設(shè)克服了實驗教學(xué)中思維訓(xùn)練缺乏，綜合性、創(chuàng)新性、設(shè)計性實驗無法批量開展與實施的缺陷，降低實驗成本，為學(xué)生提供反復(fù)學(xué)習(xí)與鞏固的機會，促進學(xué)習(xí)創(chuàng)新、教學(xué)創(chuàng)新，激發(fā)出系列創(chuàng)造性成果，真正實現(xiàn)虛實結(jié)合、以實為主的教學(xué)要求。學(xué)生綜合能力與實際應(yīng)用能力得以提高，思維得以發(fā)散和創(chuàng)新。該項目在教學(xué)應(yīng)用中取得的系列成果，引起社會關(guān)注。如項目在第一屆全國夢之路杯虛擬仿真實驗設(shè)計大賽榮獲一等獎;項目研發(fā)及教學(xué)經(jīng)驗被邀在其他高校經(jīng)驗分享，并在全國類高校會議上匯報，深受好評;其教學(xué)應(yīng)用在教學(xué)設(shè)計類比賽中榮獲二、三等獎。虛擬仿真實驗教學(xué)項目在實驗教學(xué)中應(yīng)用成功案例很多，但如何通過虛擬仿真實驗環(huán)境對學(xué)生科學(xué)、創(chuàng)新思維能力進行培養(yǎng)和訓(xùn)練，有待進一步思考和開發(fā)［11］。該項目以學(xué)生整合性思維培養(yǎng)為目標(biāo)，堅持信息融合、虛實結(jié)合、自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新培養(yǎng)、開放共享、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)虛擬仿真綜合實驗，實踐成效顯著。項目組將不斷優(yōu)化、延伸、探索更多的綜合性虛擬仿真實驗教學(xué)項目，拓寬實體教學(xué)中設(shè)計性、探究性實驗開展的深度和廣度，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、虛實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)，推進教學(xué)－虛擬－科研相互轉(zhuǎn)化、相互融合、相互促進，促進虛擬仿真信息技術(shù)在實驗教學(xué)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(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心