医学虚拟仿真实验的教案设计及脚本撰写

潘 晋 顾 园 秦啸峰 王 珂 陈 辉

（首都医科大学基础医学院，北京 100069）

医学是实践性很强的学科，医学实验教学是医学生掌握医学知识的重要途径。近年来，在医学教育中整合技术资源、提升医学生学习效果的教学模式受到了极大关注。虚拟仿真实验教学利用人工智能手段，依托数字化及网络信息等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，使学生沉浸在声音、图像、文字、视频和三维动画为一体的虚拟现实世界中自主进行交互式学习，是一种有利于实现资源共享、全新开放和信息化的教学模式［1-2］。将虚拟仿真实验引入医学实验教学，可以弥补如实验周期长、材料不足、教学趣味性和互动性不足、教学内容更新缓慢、基础知识与临床思维结合程度不足等传统实验教学模式存在的欠缺，能够促进教学方式多样化、提高学生学习兴趣，并且打破时间和空间的限制，从而拓展学生知识面，真正实现理论教学与实验教学的融合，实现实验室开放。目前，虚拟仿真实验系统已经在医学教育领域被广泛应用并获得认可［3］。

由于虚拟仿真实验项目制作过程复杂，通常由校方创作团队与校外技术团队以合作方式进行制作。而技术团队中的软件工程师往往对医学知识不熟悉，如果只将实验教程、图片、录像交于技术团队，不仅会使开发周期变长，更会降低专业知识的传递效率，从而影响教学效果。因此，高校应组建师生协作的教案设计与脚本撰写创作团队。团队成员既包括具有丰富教学经验的专业教师，也包括具有丰富临床经验的医生、研究人员。整个创作过程为专业知识的高效信息化提供实践思路和高质量素材。

如果把制作虚拟仿真实验比作拍摄一部电影，设计实验教案和编写脚本就好比撰写剧本，是制作电影的第一步。虚拟仿真实验项目教案和脚本不仅是软件开发制作的依据，更是项目质量把控的第一关，它关乎虚拟仿真实验教学的科学性与有效性。教案设计贯穿整个实验过程，是决定虚拟仿真实验教学效果的根本；脚本撰写在串联教案设计的同时把控实验细节，决定虚拟仿真实验教学效果的上限高度，因此，教案设计与脚本撰写在虚拟仿真实验项目制作过程中尤为重要。

1 虚拟仿真实验的教案设计

为了使虚拟仿真实验项目达到“推进信息技术与实验教学内容深度融合，拓展实验教学内容的深度与广度，延伸实验教学的时间与空间，提升实验教学质量与水平”的总体要求，虚拟仿真实验的教案应从教学目标、实验内容、实验方案、实验环境、执行逻辑、教学互动与反馈、教学效果评价等多方面进行设计。

1.1 根据教学目标进行教学设计

设定明确的教学目标，使实验项目有的放矢，是虚拟仿真实验教案设计的第一步。根据不同的教学目标，选择适当的虚拟场景与仿真素材，设计不同的实验项目，延伸实验教学的空间和时间。以病毒感染相关虚拟仿真项目为例，以基础阶段高年级医学生早临床、多临床、培养临床思维为目标，可通过选择感染性疾病病例、虚拟患者、模拟就医环境进行设计，呈现就诊、医患交流全过程；而以提高医学检验专业学生实践技能为目标的项目，则选择高仿的实验环境和实操视频等进行设计，在多维度呈现的操作细节、实验结果判断等知识点设置交互内容。

1.2 实验内容设计

实验内容设计是指将理论知识和实验目的、原理、方法、重点操作步骤、注意事项、实验结果、分析与讨论等实验所涉及的知识点，在设计教案之初便梳理清晰。在实验内容设计过程中，创作团队需要考虑：如何将更多实验相关知识点引入实验项目；如何将理论知识点与实验课程知识点系统串联；如何将学科内分散的知识点纵向串联；如何适当延伸课程内容、将不同学科间的知识点进行横向串联等问题。如设计血吸虫综合性虚拟仿真实验时，可以通过血吸虫感染动物、动物模型各脏器的形态学观察及免疫学检查等实验全过程，将医学寄生虫、免疫学及病理生理学等课程知识点串联在一起，做到多学科相互融合。另外，创作团队应尝试从学生学习的视角出发，通过还原现实场景、设置互动任务等方式，将实验内容表述得浅显易懂、生动有趣［4］。实验内容设计水平关系到虚拟仿真实验是否有实质内容及利用信息技术传递知识的容量，是防止虚拟仿真实验“空心化”的根本立足点。

1.3 实验方案设计

实验方案设计是指设计不同于传统实验课程的、虚拟仿真实验特有的个性化方案。其根据教学大纲、培养计划、信息技术展现形式以及学生学习习惯和兴趣点，设计比传统实验方案更加完整、综合、创新的虚拟仿真实验方案［5］；可在保留经典验证性实验项目的基础上，增加综合性及设计性实验，拓展实验教学内容广度和深度。如引进较成熟的新技术，引用虚拟患者、模拟就医环境等新方式，设计并创作与时俱进的虚拟仿真实验项目。在能够满足医学生的素质教育和创新教育基本要求的同时，推进新技术与实验项目的深度融合，为提高学生的自主学习能力、实验技能以及临床思维意识发挥重要作用［6］。

1.4 实验环境设计

实验环境设计包括实验环境、实验对象以及环境导览的设计等。根据实验效果需求，设计平面或立体动画模型，还原真实的实验室或诊室环境；并通过程序设计以虚拟现实技术导览的方式呈现虚拟环境，为学生建立自主学习情境；通过模拟真实的操作过程，使抽象的知识变得形象易于接受。

利用虚拟仿真技术设计一间实验室。在虚拟环境中，学生以第一视角进入实验室，实验室内常用的设施、仪器一应俱全，向不同位置点击鼠标，系统则呈现相关设施、仪器的使用方法；走近实验台，与实物外观和尺寸等比例还原的试剂耗材仿佛真实地摆放在实验台上。学生在虚拟环境中，用鼠标点击桌面上的实验材料即可完成实验。此设计可帮助学生快速了解和熟悉该场景内的实验环境和实验对象。

1.5 执行逻辑设计

执行逻辑设计是指对实验内容、方案、环境等内容的执行方式和顺序加以设计，利用虚拟仿真实验的特性，达到更好的教学效果。基础实验执行简单的正序逻辑，有助于学生对基础知识、实验步骤的掌握［7］；综合性实验执行条件循环逻辑，确保学生完成正确选取实验材料、实验操作无误等条件后，方可进行后续实验流程。这种逻辑设计可以锻炼学生思考能力，有利于学生掌握实验细节、加强知识融会贯通。

1.6 教学互动与反馈设计

教学互动设计是为了保持虚拟仿真实验不受时间、空间、人数及设备限制等优势的同时［8］，使学生获得与教师“面对面”般的学习体验而设计的内容。创作团队应充分考虑学生在实验各个环节可能遇到的困难，预见性地插入互动提示，并对重点实验步骤、注意事项以及易错点进行细致讲解，将有益的学习经验及时传授给学生。如设计病原学粪便直接涂片法虚拟仿真实验时，在学生完成粪便涂片步骤时，对涂片适宜厚度的判断标准进行互动提示设计，可以达到更好的教学效果。另外，创作团队可以在重要场景界面设置测试题目，进行教学互动，只有正确答题才可继续实验进程，从而激励学生在交互过程中不断思考、总结，直至正确答题。学生像“游戏闯关”一般参与其中，充分激发学习自主性［9］。此环节是教师传授经验的重要途径，可以提高学生对实验技能的掌握程度，全面提升教学质量。

教学反馈设计是不断提高虚拟仿真实验教学质量的直接方式。由于学生在不同的时间和地点自主完成虚拟仿真实验，遇到问题时，教师往往不在身边。因此，在设计教案时应充分考虑如何及时有效地答疑解惑。学生完成实验后，提交在学习过程中遇到的问题及对实验项目在互动性、趣味性、自由操作和发挥空间等方面的反馈意见；系统将反馈内容通过数字化方式自动发送给教师；教师收到反馈后及时回复，帮助学生解决问题。同时通过系统后台数据统计功能，教师可以分析学生在实验中存在的共性问题，利用在线答疑或线下实验课进行统一讲解，并根据反馈内容对实验设计进行完善，以达到更好的教学效果。

1.7 教学效果评价设计

虚拟仿真实验的应用前景取决于其在实际应用中的效果，因此，教学效果评估对实验项目的后期应用起指导性作用。教师可以通过设置测试题目，对实验知识点进行考察、评分，并在后台对学生学习时长、成绩和题目正确率进行统计分析，及时了解学生对知识的掌握情况［10］；还可以将学生随机分组，设置虚拟仿真试验组和非虚拟仿真试验组，并设计各种指标对比分析，进行学生自主学习能力与实验能力评价以及实验项目教学效果评价［11］。

2 虚拟仿真实验的脚本撰写

虚拟仿真实验脚本是上述教案设计逻辑性呈现的重要蓝本，是连接教学设计团队和开发制作团队的重要纽带。如何将教学设计规划付诸实施，脚本的撰写至关重要。教师以完整的教案设计作为骨架支撑，进一步填充丰富的教学素材，将教案设计的各个环节合理整合，以适当的方式清晰表现，完成脚本撰写工作。脚本撰写得准确详实、表达得当，可以提高从创作团队知识输出到技术团队实验项目输出的转化效率。

2.1 脚本选择素材的策略

教师在撰写脚本的过程中，对于某些关键的或难以理解的实验内容，如果只用文字描述会枯燥乏味不易理解，可以广泛搜集资源，采用图片、音频、视频与文字相结合的方法，为技术团队后期制作提供丰富的素材；对于在学科内有纵向联系或有跨学科横向联系的知识点，可推荐经典教材；对于一些较成熟的新理论新技术，可提供较新的优质参考文献链接或全文供学生课后查阅和讨论，敦促学生及时了解新知识［12］。合适的素材有利于学生拓宽视野打开思路，提高其对知识的综合掌握水平，同时提升其科研思维能力。

2.2 脚本组织内容的策略

针对多媒体教学的表达特点，脚本应首先对虚拟仿真实验教案设计的各个环节、细节、情景等进行详细描述，按照一定逻辑关系整合，再反复进行斟酌，思考哪些抽象内容需要具体化、形象化、哪些内容需要突出重点、哪些内容可以进行融合创新、哪些内容可以由繁化简等；总体节奏需张弛有度，结构安排应合理得当，使制作团队输出的实验项目既成为知识的载体又体现创新精神。如设计以临床案例为导向的疾病诊疗虚拟仿真实验时，应以感染疾病为主线、临床诊断为线索、临床检查为依据、多学科融合为目标，首先强调学生对疾病的临床表现、临床诊断流程和实验诊断技术的学习，再通过自主学习等手段，结合相关学科理论知识，系统掌握疾病的感染与发病过程，在培养学生临床思维的同时，夯实理论基础。另外，一个优秀脚本并不只是知识的简单罗列，而应充分考虑撰写时的内容组织策略，在突出学习重点的同时，激发学生学习兴趣，提升教学效果。

2.3 脚本表达方式的策略

脚本撰写不仅是实验项目软件开发的依据，更是一种艺术创作。撰写过程中常使用创作分镜头脚本的形式，形象、直观、有效地指导虚拟仿真实验的表达方式。分镜头脚本是指将脚本撰写的内容由静态的文字形象创造性地转化为动态的声画结合形象，并切分成一系列可以拍摄的镜头脚本。如设计显微镜油镜观察标本虚拟仿真实验时，可以创作分镜头脚本，运用远景、中景、近景、特写等大小不同的景别，将显微镜镜头由低倍镜到高倍镜再到油镜的调节过程与镜下观察的图像变化过程分解为若干个镜头，并将这些镜头依照适当的逻辑关系组成一个整体。通过精心设计每个镜头和段落之间的衔接，将虚拟仿真实验拥有的良好交互方式、逼真的实验场景、形象的动画场面、突出的显示设置、协调的颜色搭配、优美的背景音乐以及准确详实的字幕和解说等表达方式合理整合，并清晰有序地呈现出来，表现出创作团队对实验内容的整体布局及细节处理的精心把控［13］。

3 创作过程中需注意的问题

虚拟仿真实验的魅力在于科学、形象、生动及直观。脚本撰写时应首先体现实验的科学性，其次是呈现形式和艺术性。严谨求实、界面友好、情景宜人的作品更受青睐，而过多地注重外表的修饰往往会喧宾夺主，使形式影响了主题的表达。因此，脚本创作时应注意科学内涵与外在形式的和谐统一，以内容为主、辅以必要的表现形式，使二者协调统一［14-15］。另外，实验教案与脚本并不是一成不变的。在实验项目顺利制作完成后，通过创作团队、制作团队及学生共同参与教学反馈与效果评价，教师对教案设计与脚本撰写进行进一步修改完善，助力虚拟仿真实验项目完成再进化。

4 结 语

医学实验教学方法对医学生掌握实验操作、提升实践技能至关重要。虚拟仿真实验作为新型多媒体实验教学手段，是未来医学教育的重要发展方向。其创作周期长，从确定目标、设计教案、撰写脚本，到反复修订、持续改进，直至最终成型，是一个相当庞杂的过程。只有掌握适当的创作规律，才能创造出更多精品。

虚拟仿真实验的教案设计与脚本撰写应紧扣实验教学目标，突出实验重点内容，创造适宜的教学情景，融学生的学习兴趣与教师的教学艺术于一体，充分发挥多媒体辅助教学的优势。本文从教学目标、实验内容、实验方案、实验环境、执行逻辑、教学互动、学习反馈、效果评价等方面进行了教案设计分析，并从素材选择、内容组织和表达方式等方面对脚本撰写的策略进行了归纳，总结了虚拟仿真实验创作过程中的基本原则与规律，期望能为虚拟仿真实验项目的设计研发提供参考。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明潘晋：提出研究思路，查阅文献，撰写论文；顾园：审阅论文，英文校对；秦啸峰、王珂：审阅论文；陈辉：总体把关，审定论文。