计算机辅助生理学实验教学的应用与探讨
作者：乔鹏 张朝 章茜 闫明 许继田
单位：河南医科大学生理学教研室 郑州 450052
关键词：计算机辅助教学；生理学；实验教学；CAI▲
河南医科大学学报000130 生理学是研究和阐述人体机能的学科，又是一门实验学科。因此，实验教学是生理学教学的重要组成部分，对提高学生的素质、加强创新能力的培养起着至关重要的作用。随着计算机技术的迅猛发展和信息时代的到来，传统的教学模式已不能满足现代化高等医学教育发展的需求，如何提高实验教学质量，是当前教学改革中亟待解决的课题。针对这一问题，作者将计算机辅助教学(computer-assisted instruction,CAI)系统引入生理学实验教学。
1 实现生理学实验CAI的可行性
传统的生理学实验是采用示波器、二道生理记录仪来记录生物电信号。如果说记纹鼓属于第一代“记录仪”的话，那么它们当属第二代。本实验室的双线示波器、二道生理记录仪分别购置于80年代的初期和中期，部分零件老化，其中主要元器件——电子管现在已很难买到。同时，使用传统的生理仪器，对许多生理功能的变化，只能进行目测观察和手工测量，既费时且精确度低。再者，由于示波器无法将生物电信号保存下来，实验前后学生常缺乏直观的图象对比，无法定量分析因果关系，这些情况都严重制约着生理实验课的顺利进行，影响了实验教学质量。针对以上情况，作者经过近1 a的充分酝酿和考察论证，最后达成共识：①随着科学技术的迅速发展与教育改革的不断深入，CAI在高校教学中所占的地位越来越重要，实现生理学实验CAI可促进教学内容、方法、手段与管理的全面改革。②实现CAI可彻底改变目前生理学实验教学的被动局面，消除实验过程中出现的故障率高、干扰因素多、实验结果数据误差大等弊端。③实现CAI 不会影响对学生进行基本技能的训练，学生仍然要自己动手对动物进行手术操作，标本制备，各类电极和传感器的使用等。同时，由于CAI 的可参与性强，能帮助学生变被动为主动，从而增加他们动手的兴趣。④将用于更新示波器、记录仪等实验教学设备的资金一次性投入建立计算机实验室，并通过CAI软件的升级换代来实现实验技术手段的更新和提高，既简化了实验装备，又节约了教学经费。由此看来，CAI 的应用适应于学科的发展，符合现代化教学改革的需要，提高了整体教学水平。
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2 实现生理学实验CAI的优越性
2.1 改变生理学实验教学的模式，调动学生学习的积极性和主动性 在以往的生理学实验教学中，学生只是按照操作步骤机械地完成实验内容，常常知其然而不知其所以然，教师对近30个学生经常是顾此失彼。而应用CAI 实验系统，学生与计算机之间可进行人机对话，通过中文菜单提示可自学，多媒体软件的声、像、画等极大地激发了学生学习的积极性和主动性。由于教学内容更加直观化、系统化，更益于学生理解、接受和记忆，学生的思维在实验过程中一直保持活跃，从而取得良好的学习效果。
2.2 确保实验成功率，提高实验效率 以往采用示波器或二道记录仪进行常规生理学实验时，需把较多的时间花在仪器调试上，而CAI 实验系统采用仿仪器面板界面和参数预置，只需用鼠标点击几个功能键，系统便自动采样、分析、处理和显示实验结果，废除了仪器调试的步骤。这不仅保证了实验成功率，而且在传统实验内容的基础上又增加了部分实验项目，使学生在单位时间内接受的信息量增加，提高了实验效率。
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2.3 科学地编辑整理实验结果，提高实验结果处理精度 CAI 实验系统具有数据处理、文件编辑和结果输出等功能，可以训练学生学会从繁杂的实验记录中，去粗取精，快捷地编辑整理、定量分析并打印出清晰的实验结果，避免了手工粗略描画，使原来只能定性的实验结果得以量化，提高了实验结果处理的科学性和精确度；另外，该系统还能记录实验结果并保存，便于各组间实验数据的比较，有利于评价实验效果。例如，做“减压神经放电”实验，由于所要观察记录的实验项目较多，在调试记录参数和进行各项实验操作的过程中，记录到许多中间过程。在该系统的“剪接”功能下，可选取几段典型的变化过程，得到一组简洁明确的神经放电曲线。这样更有利于对学生进行“三基”、“三严”的培养。
2.4 利用形象生动的模拟实验进行难点释疑 计算机软件的动画模拟实验是通过建立生物数字模型由计算机模仿再现机体内某些功能活动。它能为学生提供更为有效的实验环境和技能训练手段，形象生动地解释某些生理现象的机制，尤其可以定量演示在目前学生实验条件下难以观察到的某些生理过程的动态变化。例如，在“神经干动作电位的模拟实验”中，学生很容易理解动作电位期间神经干膜内外电位变化的动态过程和基本原理，便于他们深刻理解理论知识，起到解惑释疑的作用，达到实验教学与理论教学相互补充的目的。另一方面，学生完成实验后，可用模拟实验验证自己的实验结果，如果出现非预期结果，学生通过对失败原因的分析，培养自己独立思考和解决实际问题的能力。譬如，在“蛙心灌流”实验中，由于实验药品多达7种，加上离体蛙心对环境条件要求较高，往往造成每组实验结果难以相同。而通过“蛙心灌流模拟实验”，学生可以对两种结果进行比较分析，从而掌握科学的思维方法。
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2.5 有利于学生素质和能力的培养
目前，我国培养的大学生虽然基础理论和基本训练较好，但创新精神和创造能力相对不足，加强学生素质和能力的培养已是当务之急。CAI 系统中的“操作提示”对每项实验的步骤、手术操作及注意事项都以文字和画面的形式显示出来，大大缩短了教师的讲解时间，给学生留下了更多的动手操作机会，不仅使学生学到了计算机知识，而且培养了他们的自学和逻辑思维能力。
随着计算机在各个领域的普及，医院各种先进仪器设备也相继进入计算机化的时代，如MRI、CT、DSA、ICU系统、彩色多普勒超声诊断仪等，这些仪器采集和处理人体生理电信号的原理与计算机系统在生理实验中处理生物电信号的原理是相同的。让学生了解这一原理，掌握它的应用技能，有利于学生整体素质的提高，将为以后的临床和科研工作打下良好的基础。
3 CAI在生理学实验教学中应用的局限性
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模拟实验可以起到“释疑”和“验证”的作用，但也存在一定的局限性：一是模拟实验并不能替代实验操作技能训练；二是模拟实验不能用在实验前，否则学生会一味追求“理想”的实验结果，而忽视实验本身的真实性。
目前国内开发的CAI 软件所涉及的实验内容仍然还是传统项目，进行的是验证性实验，这对加强学生综合运用所学知识解决实际问题能力的培养，有一定的局限性。今后在CAI 软件应用过程中，应同软件制作者合作，开发一些设计性、综合性、创造性的实验项目，充分发挥CAI 系统的优势。
总之，随着软件技术的开发和不断提高，CAI将使传统的生理实验形式和内容产生深刻的、甚至是根本性的变化。在深化教学改革的过程中，本教研室同志将注重学生素质和能力的培养，加强同兄弟院校的合作，不断摸索现代教学媒体的知识与技能，改进和补充CAI 软件，使生理学实验CAI 更符合教学大纲的要求，满足培养现代化人才的需要。■
*河南医科大学教学立项课题
参考文献：
[1]于英心. 在生理教学中应用CAI,迎接21世纪的挑战. 生理通讯,1997,(增刊):1
[2]周远清,杨继. 积极开展高校CAI研究和推广工作. 见:程伯基主编. 医药学计算机辅助教学的理论与实践. 北京：北京医科大学出版社,1995.1
[3]李杨.对生理学教学改革的几点思考. 河南教育学院学报,1998,7(3):57, 百拇医药
单位：河南医科大学生理学教研室 郑州 450052
关键词：计算机辅助教学；生理学；实验教学；CAI▲
河南医科大学学报000130 生理学是研究和阐述人体机能的学科，又是一门实验学科。因此，实验教学是生理学教学的重要组成部分，对提高学生的素质、加强创新能力的培养起着至关重要的作用。随着计算机技术的迅猛发展和信息时代的到来，传统的教学模式已不能满足现代化高等医学教育发展的需求，如何提高实验教学质量，是当前教学改革中亟待解决的课题。针对这一问题，作者将计算机辅助教学(computer-assisted instruction,CAI)系统引入生理学实验教学。
1 实现生理学实验CAI的可行性
传统的生理学实验是采用示波器、二道生理记录仪来记录生物电信号。如果说记纹鼓属于第一代“记录仪”的话，那么它们当属第二代。本实验室的双线示波器、二道生理记录仪分别购置于80年代的初期和中期，部分零件老化，其中主要元器件——电子管现在已很难买到。同时，使用传统的生理仪器，对许多生理功能的变化，只能进行目测观察和手工测量，既费时且精确度低。再者，由于示波器无法将生物电信号保存下来，实验前后学生常缺乏直观的图象对比，无法定量分析因果关系，这些情况都严重制约着生理实验课的顺利进行，影响了实验教学质量。针对以上情况，作者经过近1 a的充分酝酿和考察论证，最后达成共识：①随着科学技术的迅速发展与教育改革的不断深入，CAI在高校教学中所占的地位越来越重要，实现生理学实验CAI可促进教学内容、方法、手段与管理的全面改革。②实现CAI可彻底改变目前生理学实验教学的被动局面，消除实验过程中出现的故障率高、干扰因素多、实验结果数据误差大等弊端。③实现CAI 不会影响对学生进行基本技能的训练，学生仍然要自己动手对动物进行手术操作，标本制备，各类电极和传感器的使用等。同时，由于CAI 的可参与性强，能帮助学生变被动为主动，从而增加他们动手的兴趣。④将用于更新示波器、记录仪等实验教学设备的资金一次性投入建立计算机实验室，并通过CAI软件的升级换代来实现实验技术手段的更新和提高，既简化了实验装备，又节约了教学经费。由此看来，CAI 的应用适应于学科的发展，符合现代化教学改革的需要，提高了整体教学水平。
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2 实现生理学实验CAI的优越性
2.1 改变生理学实验教学的模式，调动学生学习的积极性和主动性 在以往的生理学实验教学中，学生只是按照操作步骤机械地完成实验内容，常常知其然而不知其所以然，教师对近30个学生经常是顾此失彼。而应用CAI 实验系统，学生与计算机之间可进行人机对话，通过中文菜单提示可自学，多媒体软件的声、像、画等极大地激发了学生学习的积极性和主动性。由于教学内容更加直观化、系统化，更益于学生理解、接受和记忆，学生的思维在实验过程中一直保持活跃，从而取得良好的学习效果。
2.2 确保实验成功率，提高实验效率 以往采用示波器或二道记录仪进行常规生理学实验时，需把较多的时间花在仪器调试上，而CAI 实验系统采用仿仪器面板界面和参数预置，只需用鼠标点击几个功能键，系统便自动采样、分析、处理和显示实验结果，废除了仪器调试的步骤。这不仅保证了实验成功率，而且在传统实验内容的基础上又增加了部分实验项目，使学生在单位时间内接受的信息量增加，提高了实验效率。
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2.3 科学地编辑整理实验结果，提高实验结果处理精度 CAI 实验系统具有数据处理、文件编辑和结果输出等功能，可以训练学生学会从繁杂的实验记录中，去粗取精，快捷地编辑整理、定量分析并打印出清晰的实验结果，避免了手工粗略描画，使原来只能定性的实验结果得以量化，提高了实验结果处理的科学性和精确度；另外，该系统还能记录实验结果并保存，便于各组间实验数据的比较，有利于评价实验效果。例如，做“减压神经放电”实验，由于所要观察记录的实验项目较多，在调试记录参数和进行各项实验操作的过程中，记录到许多中间过程。在该系统的“剪接”功能下，可选取几段典型的变化过程，得到一组简洁明确的神经放电曲线。这样更有利于对学生进行“三基”、“三严”的培养。
2.4 利用形象生动的模拟实验进行难点释疑 计算机软件的动画模拟实验是通过建立生物数字模型由计算机模仿再现机体内某些功能活动。它能为学生提供更为有效的实验环境和技能训练手段，形象生动地解释某些生理现象的机制，尤其可以定量演示在目前学生实验条件下难以观察到的某些生理过程的动态变化。例如，在“神经干动作电位的模拟实验”中，学生很容易理解动作电位期间神经干膜内外电位变化的动态过程和基本原理，便于他们深刻理解理论知识，起到解惑释疑的作用，达到实验教学与理论教学相互补充的目的。另一方面，学生完成实验后，可用模拟实验验证自己的实验结果，如果出现非预期结果，学生通过对失败原因的分析，培养自己独立思考和解决实际问题的能力。譬如，在“蛙心灌流”实验中，由于实验药品多达7种，加上离体蛙心对环境条件要求较高，往往造成每组实验结果难以相同。而通过“蛙心灌流模拟实验”，学生可以对两种结果进行比较分析，从而掌握科学的思维方法。
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2.5 有利于学生素质和能力的培养
目前，我国培养的大学生虽然基础理论和基本训练较好，但创新精神和创造能力相对不足，加强学生素质和能力的培养已是当务之急。CAI 系统中的“操作提示”对每项实验的步骤、手术操作及注意事项都以文字和画面的形式显示出来，大大缩短了教师的讲解时间，给学生留下了更多的动手操作机会，不仅使学生学到了计算机知识，而且培养了他们的自学和逻辑思维能力。
随着计算机在各个领域的普及，医院各种先进仪器设备也相继进入计算机化的时代，如MRI、CT、DSA、ICU系统、彩色多普勒超声诊断仪等，这些仪器采集和处理人体生理电信号的原理与计算机系统在生理实验中处理生物电信号的原理是相同的。让学生了解这一原理，掌握它的应用技能，有利于学生整体素质的提高，将为以后的临床和科研工作打下良好的基础。
3 CAI在生理学实验教学中应用的局限性
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模拟实验可以起到“释疑”和“验证”的作用，但也存在一定的局限性：一是模拟实验并不能替代实验操作技能训练；二是模拟实验不能用在实验前，否则学生会一味追求“理想”的实验结果，而忽视实验本身的真实性。
目前国内开发的CAI 软件所涉及的实验内容仍然还是传统项目，进行的是验证性实验，这对加强学生综合运用所学知识解决实际问题能力的培养，有一定的局限性。今后在CAI 软件应用过程中，应同软件制作者合作，开发一些设计性、综合性、创造性的实验项目，充分发挥CAI 系统的优势。
总之，随着软件技术的开发和不断提高，CAI将使传统的生理实验形式和内容产生深刻的、甚至是根本性的变化。在深化教学改革的过程中，本教研室同志将注重学生素质和能力的培养，加强同兄弟院校的合作，不断摸索现代教学媒体的知识与技能，改进和补充CAI 软件，使生理学实验CAI 更符合教学大纲的要求，满足培养现代化人才的需要。■
*河南医科大学教学立项课题
参考文献：
[1]于英心. 在生理教学中应用CAI,迎接21世纪的挑战. 生理通讯,1997,(增刊):1
[2]周远清,杨继. 积极开展高校CAI研究和推广工作. 见:程伯基主编. 医药学计算机辅助教学的理论与实践. 北京：北京医科大学出版社,1995.1
[3]李杨.对生理学教学改革的几点思考. 河南教育学院学报,1998,7(3):57, 百拇医药