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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、設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)大規(guī)模開展困難,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)與開放共享階段[1,2]。國家虛擬仿真實(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)模開展綜合類、設(shè)計(jì)類實(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)雜問題的能力。
1.2學(xué)習(xí)目標(biāo)
通過該項(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,自主開展綜合實(shí)驗(yàn)與科學(xué)研究。③熟練文獻(xiàn)查閱、綜述寫作方法,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、綜述寫作、研究問題提出、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)拓展等方面開展科學(xué)研究過程,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)庫等,采用3DMAX進(jìn)行場景,利用動(dòng)畫技術(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、綜述寫作、問題提出、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(yùn)用能力。④考核評(píng)價(jià):包含成績?cè)u(píng)定、練習(xí)題庫、討論題庫、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題庫、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、綜述寫作開始著手,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),通過分析、解決實(shí)驗(yàn)中系列問題及考核,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。通過測(cè)試、考核,完成項(xiàng)目學(xué)習(xí)。基于該項(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,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(xiàng)目,通過實(shí)驗(yàn)空間,即國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)開放使用。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),近四年來成功申報(bào)大創(chuàng)項(xiàng)目共47項(xiàng),其中國家級(jí)16項(xiàng),省級(jí)31項(xiàng)(見圖3)。通過大創(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“挑戰(zhàn)杯”比賽,參加省級(jí)、全國實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類大賽,參加省級(jí)、全國“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)等參加全國各協(xié)會(huì)、委員會(huì)等舉辦的各類比賽及經(jīng)驗(yàn)分享,獲各高校同行肯定。近四年師生榮獲各類獎(jiǎng)項(xiàng)共68項(xiàng),其中全國類獎(jiǎng)項(xiàng)31項(xiàng),省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)15項(xiàng),校級(jí)22項(xiàng)(見圖5)。通過對(duì)200名學(xué)生問卷調(diào)查顯示(見圖6),85%的學(xué)生認(rèn)為通過該項(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)無法批量開展與實(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,并在全國類高校會(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(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心