“新常态”下兽医机能实验教学体系的重构

徐月桦^{1, 2}，张汤杰^{1, 2}，陈刚^,2*  

（1.扬州大学兽医学院（比较医学研究院），江苏，扬州 225009；2.扬州大学，江苏高校动物重要疫病与人兽共患病防控协同创新中心，江苏，扬州 225009）

[摘  要］“新常态”下建设兽医机能实验虚拟交互平台，打破传统机能实验教学局限性，为难以线下开展的实验教学发挥积极的作用。以此为契机，规范虚拟仿真实验教学的技术标准和共享机制，线下线上虚实结合，重构机能实验教学体系，全面提升学生实践创新能力，培养复合应用型和拔尖创新型本科人才。

[关键词]新常态；机能实验；虚拟仿真

[基金项目]江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD).

[作者简介]徐月桦（1988-），女（汉族），浙江衢州人，实验师，硕士，研究方向：兽医机能实验的教学及研究，*通信作者：陈刚（1989-），男（汉族），山东潍坊人，教授，博士，研究方向：医工结合的基础与应用研究，

Reconsitution of functional experimental teaching system of veterinary medicine under “new normal”

XU Yuehua^{1, 2}, ZHANG Tangjie^{1, 2}, CHEN Gang^{1, 2*}

(1. Institute of Comparative Medicine, College of Veterinary Medicine, Yangzhou University, 2. Jiangsu Co-innovation Center for Prevention and Control of Important Animal Infectious Diseases and Zoonoses, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)

Abstract: Construction of virtual interactive platform of functional experiments is essential to breaking through the limitations of traditional functional experiments teaching under the “new normal”. The online virtual simulation experiment platform plays a positive role in the experimental teaching which is difficult to be carried out offline during this period. We can take this opportunity to establish standardized technical standards and effective sharing mechanisms, combine the virtuality and reality online and offline, reconstruct the teaching system of functional experiments, and comprehensively improve the students’ ability of practice and innovation for training of compound, practical and top-notch innovative undergraduates.

Key words: new normal; functional experiment; virtual simulation

2020年初至今，我国复工复产已经全面展开，如何做好“新常态”下的本科实验教学工作，将是各高校面临的新挑战。

机能学实验是畜牧兽医类专业的必修课和专业基础课，包括生理学、病理生理学、药理学等学科的实验内容。一次传统的机能实验教学涉及大量的仪器设备及手术器械，不仅费用成本高，不符合环境保护和实验动物的3R原则，还受实验场所和课时的限制，尤其当下，学生理论课已经进行网上授课，实验课却仍然停摆。如何解决这些难题？根据教育部于2013年3月颁布的《教育信息化十年发展规划（2011~2020年）》，建设“人人皆学、处处能学、时时可学”的教育信息化体系^[1]，虚拟仿真实践教学是国家信息化教育战略的重要内容，虚拟仿真实验以计算机为基础，借助多媒体、虚拟仿真及增强现实等技术，构建虚拟的实验环境，提供沉浸式的“亲身体验”，具有交互性、真实性以及多感知性等特点^[2]。将虚拟仿真技术运用到机能学实验教学中，就可以弥补这些不足，在特殊时期，提供一种全新的机能实验教学模式，实现“停课不停教、停课不停学”。

一、虚拟仿真实验教学的现实需求

1. 满足防控需要

2020春季学期，各类学校推迟返校，高校学生来自全国各地，集中住宿，是防控的重中之重。不同于理论课的线上授课，教师个人用一台手机就可以搞定，线上实验教学需要搭建专门的虚拟仿真实验平台，生动逼真地还原实验环境，如机体对药物作用的细微反应，模拟仿真实验可以通过三维模型全方位呈现出来，从而达到实验教学效果^[3]。

2. 传统实验教学的局限性

传统的机能实验教学开展受实验室硬件、时空条件、实验课时、实验周期及复杂程度限制，加之考虑到动物伦理及3R原则等，实验课程在内容设置上进行了优化简化。传统的兽医药理实验教学每次课程只能单独展示特定药物对特定组织器官的作用，忽略了药物作用的整体性和连续性，不利于学生对药理作用的整体评价。而虚拟仿真实验把不同的组织器官实验整合在一起，使学生对药理效应的系统性和特异性有更加深刻的理解。

3. 规避动物疫病风险

一次机能实验教学需要消耗大量实验动物，不仅成本高，畜禽疾病的种类也越来越复杂，且有携带人兽共患病原体的不确定性。采用虚拟的动物模型不仅可以降低实验动物成本，保护学生免受手术操作过程中感染的风险，还避免了课后动物尸体处理不当造成的防疫和环境污染问题。

4. 降低课堂安全隐患

机能实验教学涉及牛、羊、家犬和兔等实验动物，学生有被误伤的风险；手术刀等手术器械的使用难以完全避免意外事件的发生；苯酚、氯仿等有毒试剂的使用和排放有可能造成环境污染。虚拟仿真实验完全避免学生被误伤，同时实现了试剂“零投入”和废弃物“零排放”，实现绿色实验。

5. 学生获得感不佳

一些课堂现场示教实验，因为视野小而学生人数多，只有内圈靠得近的个别学生能够全程看清听清老师的操作和讲解，并且稍微复杂一些的实验内容学生看一遍印象不深刻。这种示教实验，学生的获得感非常差，教学效果非常不理想。同时受课时限制，学生以小组为单位进行手术操作，需要组员之间相互配合，一些学生借机只充当助手的工作，实验技能得不到锻炼。

二、虚拟仿真在机能实验教学中的应用优势

虚拟仿真实验教学综合应用多媒体、三维建模、人机交互、增强现实等技术手段，以提高实验教学项目的吸引力和教学有效度^[4]。“新常态”下，机能实验虚拟交互平台的建设，为难以线下开展的实验教学提供了新的方向，使实验教学模式及手段发生深刻变革。

1. 提高机能实验教学的规范性、统一性

虚拟仿真教学系统设置学科完善，教学内容和教学方法具有严谨的层次性、逻辑性和统一性。权威教师讲解，手术操作标准统一、手法规范，弥补了各带教老师之间的差异性，学生在对注意事项、操作过程和拓展知识能够更全面的理解，提高实验教学效果的一致性。

2. 打破了时间和空间的限制

构建虚拟交互实验场景和实验系统，可以突破课时限制，返校前，学生可以在家里进行自主学习，任课教师进行网上答疑；返校后，学生可以进行课前预实验，课后实现重复无损耗操作，熟悉和掌握整个实验的环节及要点。扬州大学兽医学院教师开发了多项包括简明动物生理学、动物生理学卡片式学习软件、动物生理学选择题、动物生理学思考题、扬大组织学、血型APP、犬猫用药ABC在内的多项移动终端的APP软件^[5]。

3. 提升实验教学效果

在机能实验教学中，有些实验操作难点学生很难通过课堂上一次操作就获得成功，例如在动物生理学实验中动脉血压的神经和体液调节一章，颈总动脉连接血压换能器的动脉插管这一步是整个实验的操作要点和难点，关系整个实验成功与否，后续减压神经和迷走神经的剥离是另一个难点。但是在虚拟实验室，学生可以通过课前预习，熟悉实验要点难点，课堂上再用真正的动物进行操作，课后针对性地反复练习，“虚实结合”有效地解决上述问题。

目前，扬州大学生命科学基础实验教学平台已经建成虚拟仿真共享教学中心，我们兽医学院虚拟实验课程资源库也已经建立，10多年来扬州大学兽医学院教师先后出版发行了《动物生理学网络课程》（高等教育出版社，2005年）、《鱼类生理学网络课程 》（农业教育声像出版社，2013年） 、《动物生理学（电子教材）》（中国林业出版社，2016年）、《动物生理学虚拟仿真实训教材》（河海大学出版社，2019年），“组织学与胚胎学虚拟实验”2013年获得江苏省高等学校优秀多媒体教学课件二等奖，包括动物生理学、组织胚胎学数字化课程建设与实践活动，在全国农林院校中一直走在前列并取得了良好的效果^[6-9]。

4. 完善课堂实验的考核机制

传统实验教学只能依据学生提交的书面实验报告进行实验成绩的考核，缺乏实验操作技能掌握程度的考核。虚拟仿真实验平台可以设置实验项目实施过程中的各个环节，考察学生的应变能力和实操技能的掌握，构建“结果与过程”并重的实验考核体系^[10]。

5. 提升学生实践技能和创新能力

在实施虚拟仿真实验教学过程中，动物实验有了可重复性，同一位学生可以是主刀者也可以是助手，麻醉师、主刀、一助、二助的互相配合和角色的转换能让他们进一步理解一个手术的完整性，更加全面的掌握手术过程中所涉及的操作技能。

三、虚拟仿真实验教学应遵循的原则

1. “能实不虚”“虚实结合”原则。

按照教育部的文件要求，虚拟仿真主要针对一些安全性差、难以实现、成本高昂、时空限制等原因而不便线下开展的实验和实践教学任务，实际教学中须遵循虚实结合、相互补充、能实不虚原则^[11,12]。虚拟仿真实验作为真实实验的补充，围绕预习、实验过程、复习各教学环节。但是虚拟仿真实验不能代替真实的操作手感、不能呈现真实实验过程中可能出现的突发状况，其呈现的也是预设的经典实验结果。综上所述，虚拟仿真实验与线下实验各取所长、相辅相成，实现“虚实相应、协调互补、全面提高”^[13]。

2. “实时播放”原则

虚拟仿真实验平台，融合虚拟仿真、增强现实等技术，让学生不受时间空间限制，灵活利用碎片时间，电脑端、移动端自由自主地开展多层次的实验学习和训练。

3. “统一标准，网络共享”原则

根据教育部《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》精神，包括扬州大学在内的全国各级高校根据自身的特点已经建设了一批虚拟仿真实验平台。但是，高校间虚拟仿真教学资源建设没有统一的技术标准，同专业之间也欠缺有效的共享机制，出现了质量良莠不齐、部分资源重复建设、兼容性差，受益面窄等问题^[14]。全国畜牧兽医类专业发挥自身优势，分工合作，整合理论和实验教学内容；权威专家参与，规范实验操作，制定统一标准，建成规范的技术标准和有效的共享机制是畜牧兽医类专业发展虚拟仿真教学的未来^[5]。

2020年春季学期，“线上教学”成为特殊时期的教学新方式，扎实推动了高等教育人才培养的“质量革命”。复课后，在线教育需要从“新鲜感”向“新常态”转变，融合了“互联网+”“智能+”技术的在线教学已经成为中国高等教育重要发展方向^[16]。传统机能实验教学的局限和虚拟仿真教学的优势更加决定了开展虚拟仿真实验教学，虚实结合，变革传统机能实验教学模式，是未来畜牧兽医专业发展的必然趋势。

参考文献

1. 任友群. 深度推进信息技术与教育的融合创新——《教育信息化"十三五"规划》(2016)解读[J]. 现代远程教育研究, 2016(5):3-9.

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4. 中华人民共和国教育部办公厅 . 教育部办公厅关于 2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[A/OL].（2017-07-11）[2020-05-26].http//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

5. 张汤杰. 动物医学形态与机能课程的数字资源开发与实践——以扬州大学兽医学院课程改革为例[J]. 黑龙江畜牧兽医, 2019, 567(03):175-177.

6. 张汤杰．动物生理学网络课程[M]．北京:高等教育出版社，2005.

7. 张汤杰．鱼类生理学网络课程[M]．北京: 农业教育声像出版社，2013.

8. 张汤杰．动物生理学（电子教材）[M]．北京: 中国林业出版社，2016.

9. 张汤杰. 动物生理学虚拟仿真实训教程[M].南京：河海大学出版社，2019.

10. 杜坤. 学科交融的生命科学基础实验教学平台建设[J]. 实验技术与管理, 2019(7).

11. 教育部高等教育司关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知 [EB/OL]. http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html. 2013-08-13.

12. 教育部高等教育司关于开展2019年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知 [EB/OL]. http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201907/t20190702_388692.html. 2019-07-01.

13. 崔瑾. "虚实互补"的农业生物学实验教学体系的构建与实践[J]. 高校实验室科学技术, 2019, 000(001):P.1-4.

10. 刘亚丰. 虚拟仿真教学资源开放共享策略探索[J]. 实验技术与管理，2016，33(12):137-145.

11. 王文宜. 高等院校虚拟仿真实验教学资源的开放共享机制探讨[J]. 信息化建设, 2015, 34(2):140-144.

12. 教育部新闻发布会在线教学要从“新鲜感”走向“新常态”[EB/OL].  http://www.moe.gov.cn/fbh/live/2020/51987/mtbd/202005/t20200518_455663.html. 2020-5-15.