инициативная группа студентов «За гуманное образование»

Сравнение виртуальных и реальных лабораторий в обучении наукам о жизни: концепции и опыт

Ханс А. Браун
Институт физиологии, Марбургский университет, Германия

Эта статья написана на основе опыта преподавания на протяжении многих семестров с использованием как «реальных», так и «виртуальных» лабораторий в практических курсах для студентов, изучающих медицину и биологические науки в университете г. Марбурга. Когда массовые студенческие протесты в начале 1990-х годов привели нас к прекращению использования животных для препарирования на практических занятиях, такие классические эксперименты, как эксперименты на седалищном нерве лягушки и другие, которым мы придавали высокую образовательную ценность, были исключены из практических курсов. В наших поисках альтернатив мы создали программы для виртуального выполнения исходных экспериментов. Это программы: СимНерв, СимМасл, СимВессел, СимХарт и СимПач. Все вместе они называются серией программ по Виртуальной физиологии. Эти программы распространяются компанией Thieme Publ., Stuttgart/NewYork. Они регулярно используются на протяжении нескольких лет не только в Марбургском университете, но также на медицинских, биологических и родственных им факультетах в нескольких сотнях университетов и старших классах школ во всем мире. Они используются на лекциях, семинарах и наиболее широко на практических занятиях. Эти программы часто заменяли исходные эксперименты, в которых использовалось препарирование животных.

Поэтому в этой статье также рассматриваются комментарии из других высших учебных заведений с похожими учебными профилями, а также оценки студентами виртуальных лабораторий, в частности оценки, относящиеся к программе СимНерв с подробным вопросником. Как один из разработчиков серии Виртуальная физиология, я также приведу некоторую исходную информацию об истории создания этих программ и объясню, как они отражают нашу принципиальную философию, а именно, что образовательные компьютерные программные пакеты могут и должны представлять собой нечто большее, чем просто анимированные учебники. Я также описываю нашу новую серию виртуальных компьютерных лабораторий под названием сЛабс. Более детальная информация дается на Домашней странице нашего вебсайта www.clabs.de с бесплатным доступом к нескольким прикладным мини-программам (applets) нашей последней разработки сЛабс-Ньюрон.

История создания серии Виртуальная физиология

Наша первая обучающая программа СимНерв (первоначально названная МакФрог) была разработана в середине 1990-х. К тому времени медицинский факультет Марбургского университета уже прекратил использовать животных для препарирования в курсах по физиологии. Это было следствием массовых, иногда агрессивных, студенческих протестов против использования животных, что, в конечном счете, сделало обычное преподавание с препарированием животных невозможным. На нашем факультете я, вероятно, был одним из тех, на кого в наибольшей степени был направлен протест студентов, потому что я преподавал остающиеся два курса, которые включали препарирование животных – классические эксперименты на нерве и мышце лягушки. Я энергично защищал эти эксперименты, потому что я считал их лучшими примерами эффективного, ориентированного на практику, обучения.

Поэтому мы искали альтернативы и обнаружили, что они не существуют. Но вскоре мы осознали, что быстро развивающиеся компьютерные технологии могли предоставить возможность создания виртуальных лабораторий, в которых студенты могли бы выполнять эксперименты, подобные экспериментам в реальных лабораториях. Эти идеи были реализованы в сотрудничестве с нашими в то время студентами Мартином Хиршем, специалистом по мультимедийному дизайну, и Мартином Хубером, специалистом в области нейродинамического моделирования. Будучи частным предприятием, пользующимся поддержкой со стороны директора нашего института Карлхайнза Войгта, мы разработали нашу первую виртуальную лабораторию МакФрог, которая позднее в качестве части серии Виртуальная физиология была названа СимНерв. Освещение данной программы в различных средствах массовой информации (газетах, на телевидении) привело к поддержке со стороны компании Apple Computers и Гессенского государственного министерства науки и искусств (HMWK). Эта программа награждалась премиями почти с самого начала. В 1994 году МакФрог выиграла Германо-австрийскую премию «За лучшую обучающую компьютерную программу в области биологии и медицины», премию «За лучшее применение мультимедийных средств» и премию MacWorld Editors «За мультимедийное программное обеспечение, задающее новое направление». На фоне этого мы совместно на контрактной основе с Thieme Publishers (Stuttgart/NewYork) получили большой грант от Германского министерства образования и науки (BMBF). Эта финансовая поддержка позволила нам придать программе СимНерв окончательную форму для массового распространения и разработать еще три программы: СимМасл, СимВессел и СимХарт.

Все вместе эти программы воспроизводят в точности эксперименты, которые прежде выполнялись с реальным препарированием животных в комплексных курсах по физиологии/фармакологии для студентов медицинского факультета Марбургского университета. Пятая и последняя программа СимПач была добавлена Хорстом Шнайдером и Мартином Хиршем, завершая серию Виртуальная физиология. Мартин Хирш сегодня является владельцем преуспевающей мультимедийной компании (iAS, Marburg/Berlin, см. www.brainmedia.de). Мартин Хубер успешно продолжает свои научные исследования в области компьютерного моделирования на кафедре психиатрии и психотерапии и по-прежнему тесно сотрудничает с нами. Хорст Шнайдер оставил университет и ушел на производство, но недавно вернулся в нашу группу и внес свой вклад в нашу новую серию обучающих компьютерных программ сЛабс.

Предпосылки и концепции виртуальных лабораторий

При разработке и развитии наших виртуальных компьютерных лабораторий мы руководствовались тем же самым критерием, который прежде заставлял меня отстаивать «реальные» эксперименты. Этот критерий связан с высоким уровнем обучающего воздействия практических курсов. Этого уровня можно достичь, когда хорошо подготовленные студенты сами выполняют эксперименты. Необходимыми условиями для этого являются: то, что студенты понимают организацию эксперимента, то есть, им не приходится иметь дело с очень сложными приборами; и то, что физиологические задачи ориентированы на практику, но тесно связаны с теоретическими знаниями. Идеальной ситуацией было бы «делая, учусь» со свободой студентов экспериментировать.

Поэтому мы разработали удобный для пользователей компьютерный интерфейс, где полностью оборудованные лаборатории появляются на экране компьютера, и где все инструментальные приспособления свободно настраиваются щелчком мышки. Параллельно, мы разработали математические алгоритмы, которые являются «сердцевиной» этой программы и которые в соответствии с выбранными настройками приборов воспроизводят реалистичные ответные реакции от препаратов, полученных в результате виртуального «препарирования» животных. Более того, мы используем случайные переменные для имитации естественной изменчивости препаратов. Это дает то преимущество, что ни один из студентов не получает одинаковых препаратов или одинаковых результатов со своим соседом. Таким образом, мы очень близко приблизились к ситуации, которая имеет место в реальной лаборатории. И в дополнение, мы можем пользоваться преимуществами некоторых специфических особенностей виртуального мира, описанных ниже. Эти программы позволяют студентам выполнять эксперименты различных уровней сложности. Существует экспериментальная ситуация, которую относительно легко понять, – например, когда студенты должны воспроизвести такие классические иллюстрации из учебника, как изотонические и изометрические максимальные значения сокращения мышцы.

Идея состоит в том, что студенты, которые самостоятельно и успешно получают эти данные с записывающих приборов, никогда больше не будут иметь проблем с пониманием основных биологических характеристик. Они также будут иметь хорошие практические навыки по выполнению этих процедур. В дополнение к этому, в более широком аспекте эти студенты выучат еще один урок (иногда трудным способом), что успешное экспериментирование требует глубоких теоретических знаний. Они поймут, что эти знания необходимы для методического сбора важных для данной проблемы данных, а также для критического, квалифицированного анализа этих данных и соответствующего представления результатов. Это также необходимо для корректной интерпретации самого эксперимента. Например, интерпретации большинства записываемых значений данных в эксперименте на нерве требуют теоретических знаний о пропускающей способности ионного канала. Это означает, что студенты для решения более трудных задач должны обладать знаниями по физиологии различных уровней глубины.

Эти обучающие цели выходят далеко за рамки простого изучения и воспроизведения фактических знаний из учебников. Здесь студенты учатся, как пользоваться своими знаниями, а это, конечно, намного теснее связано с проблемами, с которыми студенты столкнутся позднее в своей работе, например, в качестве врача, который должен принимать решение о подходящем лечении для пациента на основе систематического обследования и правильного диагноза. Следует заметить, что это именно та область, где «Программа международной оценки студентов» (PISA) только недавно выявила главные образовательные пробелы в Германии и в других странах мира.

Опыт обучения с помощью реальных и виртуальных лабораторий

Обычно главным аргументом против виртуальных лабораторий является то, что с помощью щелчков компьютерной мышки студенты не могут получить практический опыт препарирования живых биологических тканей. И в самом деле, этого нельзя достичь даже с помощью самого лучшего компьютерного моделирования. Когда именно это является целью того или иного курса, такие эксперименты непременно должны выполняться с препарированием животных. Однако главным вопросом является то, насколько оправдано практическое обучение этим специфическим навыкам в обычных курсах биологии, физиологии и фармакологии или в старших классах школ.

Ответ существенным образом зависит от необходимости и эффективности такого обучения. Я сам часто доказывал, что, по крайней мере, студенты медицинских факультетов, прежде чем они начнут лечить пациентов, должны знать из своего собственного опыта, как реагирует чувствительная живая ткань, и как легко правильное функционирование может быть нарушено неправильным обращением. Но я больше не уверен в этих доводах, потому что врачи становятся все более и более специализированными и те, кто будет выполнять операции, так или иначе будет специально этому обучаться. Эффективность также находится под вопросом, особенно в отношении реальной ситуации в нашем университете, где мы сейчас имеем по 16 студентов в каждой практической группе по сравнению с 6 или 8 студентами во времена, когда я последний раз проводил эксперименты с препарированием животных в студенческой лаборатории.

Трудно проводить такую работу с группой из 16 неопытных студентов. В самом деле, я знаю несколько кафедр, где студенты получали готовые препарированные ткани от своих преподавателей. Следовательно, многие курсы, в которых предполагается использование животных тканей, фактически не включают препарирование этих тканей самими студентами. Однако эксперименты, следующие за препарированием, могут быть выполнены лучше в виртуальной лаборатории. Ниже я проиллюстрирую это конкретно на примере нашего опыта и опыта других преподавателей в использовании программы СимНерв, потому что эта программа была в использовании дольше всех программ, и для нее у нас есть последние подробные оценки студентов.

Когда мы ввели программу СимНерв/МакФрог в обычный курс физиологии, у нас не было времени заранее написать инструкции к этой программе. Мы использовали инструкции и протокольные формы, которые остались от предыдущих курсов с препарированием животных. Без каких-либо проблем студенты следовали тем же самым инструкциям и делали в точности такие же эксперименты, которые предыдущие студенты делали на реальном нерве – и даже с большим успехом. Это иллюстрирует, какое близкое сходство это моделирование имеет с реальной лабораторией, что было подтверждено многими другими группами («Это моделирование позволяет студентам испытать виртуально все, что они увидели бы в реальном нерве»). В самом деле, существует несколько институтов, где, я знаю, первоначально преподаватели хотели использовать СимНерв в качестве введения к реальным экспериментам. Но потом они решили, что «эта последующая деятельность, возможно, и не нужна» (цитаты из отчета Д. Уилсона, университет г. Майами, Оксфорд, Огайо).

Однако с течением времени мы заметили, что фактически мы делаем лучшую работу с виртуальными препаратами, чем с реальными. Мы осознали (по нашему признанию только благодаря нашему новому опыту работы с виртуальными лабораториями), что это было иллюзией считать, что студенты сами выполняли эксперименты в лабораториях с животными. Они всегда строго следовали инструкциям и всякий раз, когда требовалось изменить настройки параметров, они должны были спрашивать преподавателя, правильно ли были установлены настройки, прежде чем продолжить эти эксперименты. Причина этого очевидна. Студенты боялись, что неправильная настройка параметров могла разрушить препарат, и что вследствие этого они не получат сертификат или, возможно, им придется убить еще одно животное (чего мы, кстати, никогда бы не позволили).

Итак, на занятиях с виртуальными лабораториями мы неожиданно столкнулись с удивительно активными студентами, которые шаг за шагом, подвели нас к необходимости модифицировать инструкции к программам. В частности, вместо подробных инструкций были включены задачи, для которых мы не объясняли эксперимент в подробностях, но позволяли студентам исследовать это самостоятельно. Некоторые из этих экспериментов было бы очень трудно осуществить в реальной лаборатории, но они являются особенно ценными в образовательном смысле. Например, в реальном эксперименте на нерве почти невозможно блокировать нервную проводимость или даже изменить положения стимулирующего и записывающего электродов без непредсказуемых изменений ситуации в целом. Это можно легко проделать в виртуальной лаборатории. Поэтому мы просим студентов индуктировать монофазный, двухфазный или инвертированный биоэлектрический потенциал. Или мы просим их выяснить, какой из электродов подсоединен к положительному и отрицательному выходам стимулятора, или, соответственно, определить инвертированный и неинвертированный входы дифференциального усилителя. К тому времени, когда студенты успешно находили ответ на этот вопрос путем самостоятельного экспериментирования, они уже многое понимали о генерации и записывании сложных биоэлектрических потенциалов. А в общем аспекте они должны были понять, что экспериментальные настройки могут в значительной мере влиять на результаты того или иного эксперимента.

Другой пример. В программе СимХарт мы рекомендуем студентам рассмотреть деятельность сердца в его предельных возможностях в дополнение к стандартным экспериментам. Мы даем студентам возможность провоцировать и сравнивать сердечные остановки в систоле и диастоле. Или мы просим их применить гликозиды к уже активированному сердцу, чтобы увидеть не только положительные эффекты терапевтических веществ, но также их потенциальную токсичность. Мы верим, что студенты могут многому научиться из этих экстремальных ситуаций сокращений сердца, которых в реальной лаборатории мы в большинстве случаев избегаем, потому что вы никогда не можете быть уверены, что препарат из животного выдержит это, и вы сможете продолжить эксперимент.

Поэтому экспериментирование в виртуальной лаборатории богаче, и студенты активнее. По моему мнению и по впечатлениям других преподавателей, обучение не ухудшилось, а стало более эффективным. Ни один студент не обескуражен тем, что иногда не удается препарирование или не сразу правильно используются инструменты. Студенты не теряются перед инструментами и приборами, которые имеют дополнительные средства управления, которых им не следует касаться. Обращения за помощью к преподавателям более редки, а собственная инициатива студентов проявляется чаще. И последнее, но не маловажное, – это то, что экспериментирование и обучение не страдает от отрицательных эмоций из-за использования убитых животных.

Конечно, все еще есть преподаватели, которые определенно хотят иметь «эксперименты на животных» в курсах физиологии или биологии для студентов. Наши программы кажутся опасными для их концепций. Это могло бы частично объяснить курьезную критику, особенно со стороны коллег в Германии, что эти программы – «хуже телевидения», «игрушки» или «тамагочи». Однако такие отзывы (Р. Клинке, Х. Визе в Uni-Spiegel 2/200) являются исключениями. Большинство статей в германских газетах и журналах, особенно в тех из них, которые имеют высокую репутацию, хвалят наши программы и подчеркивают, например, что «авторы, без сомнения, проделали отличную работу» (Frankfurter Allgemeine Zeitung, FAZ, 22.07.98). Или, более недавно, что эти программы «более поучительны, чем классические эксперименты» (Zeitpunkte 1, 2001), и, наконец, что они «установили международные стандарты для высококачественного программного обеспечения» (Die Zeit, 28.12.00).

Эти положительные оценки наших программ были недавно подтверждены с помощью подробного вопросника, оценивающего программу СимНерв. 155 студентов медицинских факультетов, изучающих обычный курс физиологии, анонимно ответили на вопросы этой анкеты. Вопросы об удобстве пользовательского интерфейса показали, что у студентов не было никаких трудностей, связанных с использованием виртуальных приборов. Эти студенты почувствовали, что СимНерв помогла им улучшить их понимание физиологии нерва, и большинство признали, что они, возможно, научились большему из этой программы, чем из реального эксперимента. Так как эксперименты с помощью программы СимНерв проводились ближе к концу курса, когда студенты уже проделали большинство других экспериментов, мы также попросили их сравнить СимНерв с другими обучающими экспериментами. И снова это дало отличный положительный результат (>80 %). Этот результат является еще более поразительным, если принять во внимание, что физиология нерва обычно не принадлежит к любимым предметам студентов-медиков, и что СимНерв должна была выдержать конкуренцию с клинически очень важными упражнениями (ЭЭГ, ЭКГ, анализ плазмы крови, и т.д.), выполняемыми в очень хорошо оборудованных лабораториях.

Студентов также спрашивали о том, считают ли они мультимедийные компьютерные модели научно обоснованными альтернативами реальным экспериментам. Этот вопрос был задан до использования СимНерв, и это показало принципиально положительное мнение студентов о компьютерном моделировании. Когда этих студентов спросили снова, после проведения эксперимента с помощью СимНерв, то был обнаружен дополнительный, статистически высоко значимый сдвиг в сторону еще более позитивной оценки. Поэтому не удивительно, что студенты проявили интерес к дальнейшей разработке и использованию моделирующих программ.

Нынешняя ситуация и планы: концепция программы сЛабс

В настоящее время мы продолжаем работать над усовершенствованной серией виртуальных компьютерных лабораторий под названием сЛабс, которые расширяют концепцию Виртуальной физиологии в нескольких аспектах. Во-первых, программы серии сЛабс еще больше облегчат самостоятельное экспериментирование для студентов и, следовательно, также будут включать более простые анимации и модели для пошаговой подготовки к экспериментам в более сложных виртуальных лабораториях. Для одной из наших программ, сЛабс-Ньюрон, часть прикладных мини-программ (applets) уже может использоваться с Домашней страницы нашего вебсайта www.cLabs.de. Для другой программы, сЛабс-СкинСенсис, прикладные мини-программы скоро будут доступны. Мы также собираемся разработать подобные ресурсы для серии Виртуальная физиология. Серия сЛабс также включает эксперименты, которые, подобно программе СимПач, слишком трудны для физической реализации в рамках курса для студентов, но которые могут быть осуществлены in silico (т.е. с помощью компьютерного моделирования). Такова программа сЛабс-Ньюрон, которая предоставляет виртуальные лаборатории для экспериментов по регистрации движения ионов через каналы и замера тока/напряжения на клеммах. Такова и программа сЛабс-СкинСенсис, которая моделирует записи, получаемые от одноволоконых механо- и термочувствительных центростремительных нервов кожи.

Более того, наш принципиальный подход с использованием математических моделей, включая случайные составляющие, в полной мере соответствует идее современного «Виртуального университета», потому что он позволяет как самим студентам, так и преподавателям контролировать отдельные эксперименты, и делать это даже через интернет. Например, в любом случае, когда тот или иной пользователь открывает наши виртуальные лаборатории, он/она готовит свои личные препараты. Однако, то, что для пользователя является принципиально непредсказуемой изменчивостью, на самом деле является математически строгой определенностью. Это делает возможным разработать контрольное программное обеспечение для немедленной проверки индивидуальных результатов. Здесь нам открываются наиболее многообещающие решения для высоко эффективного обучающего программного обеспечения в будущем.

К сожалению, так не думали неизвестные нам «третейские судьи». По своей инициативе Германское министерство образования и науки (BMBF) потратило 100 млн. долларов США на разработку новых обучающих компьютерных программ. Однако BMBF отказало нам в какой-либо финансовой поддержке, несмотря на то, что мы все еще являемся единственной группой в Германии, которая имеет международную репутацию по разработке обучающих компьютерных программ, по крайней мере, насколько нам известно, в области биологии и медицины.

Мы продолжаем прилагать наши усилия и добились хороших успехов при поддержке со стороны «transMIT», Гессен. Мы с огромным успехом уже провели презентации части серии программ сЛабс на международных конференциях, включая выставку обучающих средств на Встречах по нейронауке в Сан-Диего в 2001 году. Даты планируемых выставок можно найти на нашем вебсайте www.cLabs.de. Чтобы ускорить прогресс и реализовать наши планы по интегрированному контрольному программному обеспечению, мы будем рады рассмотреть предложения потенциального сотрудничества. Мы уверены, что эти программы, даже скорее, чем серия Виртуальная физиология, найдут сотни заинтересованных институтов с тысячами пользователей во всем мире.

Биография

Ханс Альберт Браун является руководителем Группы по Нейродинамике в институте физиологии при Марбургском университете в Германии. Он получил образование инженера по электронной технике в Техническом университете г. Карлсруэ, где он защитил диплом по специальности «Электробиология». Продолжая исследования в области «Биологии человека», он получил докторскую степень на медицинском факультете Марбургского университета. Его исследования включают эксперименты и модели нейронального кодирования и нейромодуляционных процессов в периферических сенсорных рецепторах и нейронах гипоталамуса, а также компьютерное моделирование для изучения аффективных расстройств. Целью является понимание динамики систем нейроналов на различных уровнях и объяснение их общих функциональных принципов. Имея за плечами такой опыт, Группа по нейродинамике разработала обучающие программы с виртуальными компьютерными лабораториями для практически ориентированного обучения, включая получившую премии программу СимНерв. Ханс А. Браун является членом нескольких научных обществ и был награжден почетной стипендией биофизического отделения Американского физического общества.

Hans A. Braun, PhD
Institute of Physiology
University of Marburg
Deutschhausstr. 2
D-35037 Marburg
Germany
tel: +49 6421 286 2307
fax: +49 6421 286 6967
e-mail: braun@mailer.uni-marburg.de