思维训练下医学虚拟仿真实验建设探析

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摘要:为解决基础医学实验教学中综合类、设计类实验大规模开展困难，学生思维训练不足，多学科知识交叉融合及综合运用能力缺乏等问题，利用虚拟仿真技术优势，提出整合性思维培养为目标、以实验流程再造为主线、以学科间交叉融合为重心、以思维训练为核心的设计理念。自主研发了基于科学研究思维培养的基础医学虚拟仿真综合实验并应用于教学实践，成效显著，获批国家虚拟仿真实验教学一流课程。该文从研发背景、设计思路、建设内容、教学实践、建设成效等方面进行经验分享，为虚拟仿真实验教学研究提供经验参考。

关键词:基础医学;实验教学;虚拟仿真;思维训练

随着国家对高校实验教学内涵发展需求，虚拟仿真实验教学从“十二五”强调中心建设阶段进入“十三五”强调自主知识产权的示范项目建设与开放共享阶段［1，2］。国家虚拟仿真实验教学项目列为“金课”使其建设及教学应用与实践工作成为各国家级实验教学示范中心的重要任务之一［3，4］。当前国家、社会越发趋向于创新型、复合型人才需求，使医学教育中单一实验内容、课程教学越发趋向于综合、整合性实验内容及课程教学，各医学高校均在积极进行综合、整合性实验项目、课程、资源、教学等摸索与研究中［5－7］。团队结合我校基础医学国家级实验教学示范中心特点，以医学生思维培养为目标，整合各学科实验教学资源，进行基于科学研究思维培养的基础医学虚拟仿真综合实验项目研发，本文从项目研发背景、设计思路、建设内容、教学实践、建设成效等进行阐述与分享，为示范性项目建设及应用提供信息参考，促进教育教学改革与研究步伐。

1项目研发背景

1．1研发意义

现有基础医学实验教学中存在大规模开展综合类、设计类实验较难，学生科学研究思维训练不足，设计、综合类实验教学效果不佳，各学科知识间交叉融合相对缺乏等问题，严重阻碍学生实践能力、创新能力、科学研究能力的培养［8－10］。依托地方特色、学科特点，整合多学科资源，基于基础医学国家级实验教学示范中心虚拟仿真实验教学平台，以整合思维培养为目标、以科学问题为导向、以已完成的科研项目或大学生创新创业计划项目为载体、以科学研究实验流程再造为主线、以学科间交叉融合为重心、以思维训练为核心的设计理念(见图1)，研发了基于科学研究思维培养的基础医学虚拟仿真综合实验项目。采用虚拟仿真实验－实体实验－虚拟仿真实验方式开展混合式教学，旨在培养学生科学研究思维，整合运用多学科知识解决复杂问题的能力。

1．2学习目标

通过该项目的学习，要求学生能够达到:①掌握科学研究中实验设计涉及的重要因素，明确科学研究基本原则、思路、要求及步骤，形成严谨、科学、务实的实验态度，并具备一定科学研究思维能力。②熟悉多学科基本实验知识和操作技能，如动物灌胃、组织采集、血样采集、切片制备及染色、生化含量测定、基因扩增、蛋白免疫印迹等，并能应用、实施于实验操作中，自主开展综合实验与科学研究。③熟练文献查阅、综述写作方法，了解常用统计学分析方法和应用软件，培养统计分析能力、逻辑思维能力、总结和归纳能力。④了解各实验室功能及相关仪器设备的操作与应用，提升实验室及实验实施中的安全认知及意识。

2项目建设内容

2．1整体设计思路

以贵州当地特色药用植物作用机制为切入点，从文献查阅、综述写作、研究问题提出、实验方案设计、实验实施、结果及统计分析、结论推导、实验拓展等方面开展科学研究过程，层层递进，逐步引导学生自主完成实验设计及整个项目学习。穿插导师指导、知识链接、内容拓展等，培养学生自主学习、分析与解决问题能力，训练其科学研究思维，启发思维创新。项目结合多媒体、虚拟现实、人机交互、网络通信技术、数据库等，采用3DMAX进行场景，利用动画技术进行内容分解，使用Ani-mateCC技术进行程序合成，搭建形象逼真的虚拟仿真实验教学环境。

2．2项目模块分析

基于科学研究思维培养的基础医学虚拟仿真综合实验包含了项目简介、项目目的、虚拟实验、考核评价四大模块，旨在提高学生基础医学基本知识与技术，培养其科学研究思维和多学科知识与技能的综合运用能力，实现基础医学实验教学中多学科知识、思维、技能的交叉训练，启发思维创新，突出学生学习的主体性、体验性、创新性及探究性。①项目简介:包含项目背景、项目总览、设计思路、基础知识四个部分。目的在于让学生了解研究背景、项目框架，掌握基本实验设计、科学研究知识，便于学生能更好地接受和适应项目的下一步学习，提高学习和吸纳知识的效率。②项目目的:明确项目学习目的及要达到的学习要求，带着目的去学习。③虚拟实验:由实验引导、文献查阅、综述写作、问题提出、方案设计、实验实施、结果统计、得出结论、实验拓展九个部分构成。该模块依据已完成的大学生创新创业计划项目开展的实际情况进行实验流程再造，引导学生如何来开展科学研究，训练科学研究思维，培养综合思维运用能力。④考核评价:包含成绩评定、练习题库、讨论题库、实验设计题库、试卷考核，供学生练习、测试与考核，旨在了解学生所学知识掌握程度及相关知识拓宽情况，便于教师进行因材施教、个性化指导。学生通过自我评价实现自我知识与技能的弥补、完善。

2．3项目特色

该项目通过科学研究实验流程再造与虚拟仿真相结合，实现了实践教学－虚拟仿真－科学研究思维训练的有机融合。从文献查阅、综述写作开始着手，以当地特色药用植物作用机制为切入点，从药物选择、动物选择、实验分组、检测指标及方法确定、仪器选择及使用、设计思路梳理、结果及统计分析等各个关键环节点设置影响因素和问题思考，层层递进，逐步引导学生完成实验任务。训练学生科学研究思维能力的同时，提升综合知识与技能的运用能力，启发思维创新。

3教学实践

采取以学生自主学习为主、教师引导为辅，虚拟实验学习与实体实验学习，设计性实验与探究性实验相结合的线上线下学习方式。学生自主查阅文献，了解相关研究背景知识，通过分析、解决实验中系列问题及考核，自主进行实验设计，确定研究方案，进行整个实验虚拟仿真操作，推导实验结论。通过测试、考核，完成项目学习。基于该项目学习，学生掌握了实验设计原则、思路，检测指标测定的方法，科学研究基本步骤等知识点。通过线上线下进一步的知识、思维延伸与拔高学习，启发并指导学生进行实体实验或项目设计、申报、实施等，实现自我发展、创造性发展，具体实施情况见图2。在传统实验教学基础上，融合虚拟仿真技术，有效提高学生对知识的理解、掌握、递进、反复和巩固，形成虚拟仿真实验－实体实验－虚拟仿真实验循环式教学模式，实现生生互动、师生互动、人机互动。采用线上线下相结合方式，对教学内容进行延伸、拓展，在加强知识深度、广度、关联性、融合性、充要性的同时，强调基础、突出综合与创新、重视思政。在学生综合能力发展和学科知识相互渗透的基础上，培养其科学研究思维、创新思维，训练多学科知识及技能的综合思考与整合运用能力。

4建设成效

该项目自2016年研发上线以来，并推广到各高校使用，在使用过程中收集各高校使用情况及反馈意见，不断发现问题、解决问题，整改、优化项目，通过实验空间，即国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台开放使用。该项目在我校服务人数达10000余人，已纳入我校部分专业必修课，深受师生欢迎，激起学生实验设计、科学研究的兴趣和热情，对学生基本实验技能综合运用能力、实验方案设计、科学研究及创新思维的培养达到一定效果。如项目教学中指导学生进行大学生创新创业计划项目的思考与申报，近四年来成功申报大创项目共47项，其中国家级16项，省级31项(见图3)。通过大创项目的实施与完成，以学生为第一作者发表文章34篇，其中核心文章16篇，一般文章18篇(见图4)。以大创项目为基础，引导学生参加省级、全国“挑战杯”比赛，参加省级、全国实验设计类大赛，参加省级、全国“互联网+”比赛，将大创项目成果转化为虚拟仿真作品参加比赛并荣获各类奖项。同时，教师将教学方法、收获与经验等参加全国各协会、委员会等举办的各类比赛及经验分享，获各高校同行肯定。近四年师生荣获各类奖项共68项，其中全国类奖项31项，省级奖项15项，校级22项(见图5)。通过对200名学生问卷调查显示(见图6)，85%的学生认为通过该项目的学习，文献查阅能力得到提升，82%的学生对常规仪器的认知、功能及使用能力得到提升，84%的学生自身实验操作能力方面得到一定程度训练，85%的学生在实验方案设计方面能力有所提升，95%的学生多学科基本实验知识与基本实验技能的综合运用能力得到培养，95%的学生在实验设计思路、思维，科学研究思维方面得到一定程度提高。84%的学生掌握了常用的统计学分析方法。该项目的建设克服了实验教学中思维训练缺乏，综合性、创新性、设计性实验无法批量开展与实施的缺陷，降低实验成本，为学生提供反复学习与巩固的机会，促进学习创新、教学创新，激发出系列创造性成果，真正实现虚实结合、以实为主的教学要求。学生综合能力与实际应用能力得以提高，思维得以发散和创新。该项目在教学应用中取得的系列成果，引起社会关注。如项目在第一届全国梦之路杯虚拟仿真实验设计大赛荣获一等奖;项目研发及教学经验被邀在其他高校经验分享，并在全国类高校会议上汇报，深受好评;其教学应用在教学设计类比赛中荣获二、三等奖。虚拟仿真实验教学项目在实验教学中应用成功案例很多，但如何通过虚拟仿真实验环境对学生科学、创新思维能力进行培养和训练，有待进一步思考和开发［11］。该项目以学生整合性思维培养为目标，坚持信息融合、虚实结合、自主学习、创新培养、开放共享、持续发展的原则，研发了基于科学研究思维培养的基础医学虚拟仿真综合实验，实践成效显著。项目组将不断优化、延伸、探索更多的综合性虚拟仿真实验教学项目，拓宽实体教学中设计性、探究性实验开展的深度和广度，提高学生综合能力培养成效，摸索适合我校自身特色的线上线下、虚实结合的混合式实验教学，推进教学－虚拟－科研相互转化、相互融合、相互促进，促进虚拟仿真信息技术在实验教学中的深度融合，加大项目开放力度、辐射性和示范性。

作者:吴遵秋 孙见飞 钟曦 曾柱 吴宁 单位:贵州医科大学基础医学国家级实验教学示范中心