虛擬實(shí)驗(yàn)室與組織胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

劉勝兵， 王鑫泉， 曹利仙， 郭燕君， 沈忠飛， 徐 營(yíng)

（嘉興學(xué)院醫(yī)學(xué)院人體解剖與組織胚胎學(xué)教研室，浙江嘉興 314001）

0 引言

1989年，美國(guó)William Wulf教授提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室概念。虛擬實(shí)驗(yàn)室中使用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)，綜合了各種計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是現(xiàn)代仿真技術(shù)的延伸［1-2］。其由計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)的環(huán)境，參與人員通過相應(yīng)的設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境中的目標(biāo)進(jìn)行操控，進(jìn)行交流，從而產(chǎn)生同真實(shí)環(huán)境相同或相近的體驗(yàn)［3］。而通過VR技術(shù)教學(xué)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仿真模擬，也在很多學(xué)科中得到了較好的應(yīng)用。通過VR模式教學(xué)，學(xué)生和虛擬空間的互動(dòng)形成無(wú)形課堂，使得教學(xué)活動(dòng)的時(shí)間和空間得到最大限度的擴(kuò)大［4］，在網(wǎng)絡(luò)普及的今天，這種互動(dòng)也很容易得到實(shí)現(xiàn)。

組織學(xué)與胚胎學(xué)作為一門醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程，其容量大，內(nèi)容抽象［5-6］，雖然現(xiàn)在教學(xué)中采用多媒體教學(xué)，同時(shí)很多內(nèi)容配有動(dòng)畫，但這些教學(xué)手段也有很大的局限性，有些內(nèi)容學(xué)生仍然很難理解［7］。在原有的教學(xué)技術(shù)和手段下，合理應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室，通過虛擬環(huán)境替代或互補(bǔ)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。有助于學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解和掌握，也是一種全新的嘗試。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室在組織胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上應(yīng)用的必要性

組織胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分組織學(xué)實(shí)驗(yàn)和胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)。組織學(xué)實(shí)驗(yàn)中主要通過顯微鏡觀察相關(guān)組織結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的顯微鏡觀察對(duì)剛接觸組織學(xué)的同學(xué)來說，難度較大。從立體結(jié)構(gòu)到光學(xué)顯微鏡下平面結(jié)構(gòu)的思維轉(zhuǎn)換，需要一個(gè)很長(zhǎng)的適應(yīng)過程，而且作為醫(yī)學(xué)一年級(jí)的學(xué)生，在理論課上知識(shí)的積累和掌握主要是依賴于機(jī)械性的記憶來完成，沒有形成完整的理論知識(shí)體系。實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的直觀感覺來源于顯微鏡，顯微鏡下觀察的結(jié)構(gòu)比較固定，因此大部分學(xué)生會(huì)感到抽象、枯燥和不容易理解而失去學(xué)習(xí)的興趣和熱情。VR技術(shù)提供的虛擬實(shí)驗(yàn)室通常不受時(shí)間和空間的約束，同時(shí)VR提供的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和現(xiàn)實(shí)接近［8］，易于學(xué)生理解和操作，學(xué)生參與其中，通過人機(jī)對(duì)話，成為虛擬環(huán)境中的參與者和主導(dǎo)者，這樣容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有助于對(duì)內(nèi)容的理解。VR技術(shù)可以虛擬組織或細(xì)胞的立體結(jié)構(gòu)，配合聲音和動(dòng)畫，然后從不同的角度演示立體到平面的演變，使初學(xué)者從不同的角度去理解這樣的轉(zhuǎn)換，對(duì)平面結(jié)構(gòu)有直觀的感覺。傳統(tǒng)的胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)，都是以觀察標(biāo)本和模型為主，現(xiàn)在由于多媒體技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)課中通?？梢耘浜舷鄳?yīng)的動(dòng)畫，幫助理解胚胎發(fā)育過程中的變化，但是標(biāo)本、模型和簡(jiǎn)單的動(dòng)畫，很難體現(xiàn)胚胎發(fā)育過程中的結(jié)構(gòu)變化，很難立體的再現(xiàn)各個(gè)組織和器官發(fā)生的過程以及位置的變化。而VR技術(shù)充分利用多媒體技術(shù)，大量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)照片、視頻、音頻素材并配合逼真的動(dòng)畫，可以為學(xué)生創(chuàng)造虛擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，充分達(dá)到清晰、美觀的視覺效果［9］，因此可以通過VR技術(shù)模擬從受精到胎兒分娩過程中的關(guān)鍵事件，多角度、立體的直觀展示胚胎發(fā)生的變化過程，使學(xué)生從各個(gè)角度去觀察胚胎發(fā)生的過程，可以加深對(duì)理論上內(nèi)容的理解。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室可以承接解剖學(xué)和組織胚胎學(xué)

人體解剖學(xué)和組織胚胎學(xué)同作為重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程，兩門課程之間聯(lián)系密切，這兩門課程的開設(shè)時(shí)間并不在同一學(xué)期。很多同學(xué)在學(xué)習(xí)組織胚胎學(xué)時(shí)，通常很難去聯(lián)系先前所學(xué)的解剖學(xué)知識(shí)。事實(shí)上，解剖學(xué)和組織胚胎學(xué)在內(nèi)容上有很多承接，通過回顧解剖學(xué)的內(nèi)容而引入組織胚胎學(xué)的知識(shí)，有助于同學(xué)的理解。從大體結(jié)構(gòu)到微細(xì)結(jié)構(gòu)的順利過渡，普通的多媒體教學(xué)，很難做到這一點(diǎn)。而通過VR技術(shù)，可以把解剖學(xué)和組織學(xué)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)，形成一個(gè)系統(tǒng)的形態(tài)學(xué)知識(shí)體系。在解剖學(xué)的教學(xué)上，VR技術(shù)已有應(yīng)用。德國(guó)漢堡Eppendorf大學(xué)醫(yī)學(xué)院就曾建立了一個(gè)的虛擬的人體系統(tǒng)［10］，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等許多器官是三維可視的，學(xué)生可以自行模擬解剖過程［11］?，F(xiàn)在可以對(duì)各個(gè)器官的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的延伸，從器官到組織再到具體的細(xì)胞，形成一個(gè)體系。通過虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以實(shí)現(xiàn)從器官到組織和細(xì)胞，讓學(xué)生從大體結(jié)構(gòu)到微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步觀察，形成一個(gè)循序漸進(jìn)的體系，有助于學(xué)生對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的理解和掌握。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室可以有效模擬不同知識(shí)情景

VR技術(shù)可以模擬各種不同的疾病和系統(tǒng)癥狀，通過一些疾病的發(fā)生過程和癥狀的場(chǎng)景模擬，讓學(xué)生更直觀地理解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。例如，在講述肥大細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能的時(shí)候，可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)一個(gè)過敏反應(yīng)的病例，虛擬顯現(xiàn)出從過敏原進(jìn)入機(jī)體到肥大細(xì)胞脫顆粒這樣一個(gè)過程，再現(xiàn)過敏反應(yīng)的一般癥狀，使學(xué)生在疾病的發(fā)生過程的場(chǎng)景模擬中，自然地掌握了相關(guān)細(xì)胞和組織的機(jī)構(gòu)和功能。通過VR技術(shù)，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建合適疾病情景，這樣的知識(shí)情境不但有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，也能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，為知識(shí)有效遷移提供有力支持，拓展了教學(xué)與學(xué)習(xí)內(nèi)容，為學(xué)生搭建理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系的橋梁。對(duì)于組織胚胎所涉及的實(shí)驗(yàn)操作，有些實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生動(dòng)手操作，有些由于各種條件的局限性，不能由學(xué)生自己動(dòng)手完成。而通過VR技術(shù)來模擬相關(guān)的實(shí)驗(yàn)過程，使學(xué)生可以比較系統(tǒng)的了解組織胚胎學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，拓寬知識(shí)面，增加對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解。建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等建立與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室功能相似的、可視化的三維實(shí)驗(yàn)環(huán)境［12］。在此環(huán)境中的學(xué)生，有自己的操控自由，可以實(shí)現(xiàn)各種實(shí)際的甚至現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中不能完成的實(shí)驗(yàn)以及想象的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。這樣突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間與空間的限制，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的依賴性。VR技術(shù)可以使一些枯燥的、或現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件中難于完成的實(shí)驗(yàn)，得以虛擬重現(xiàn)，這樣有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的全面掌握，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，為以后的臨床和科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中的局限性

虛擬實(shí)驗(yàn)室單純依賴電腦，學(xué)生對(duì)虛擬環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和各種試劑沒有直觀的體驗(yàn)［13］，因而無(wú)法獲得和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作相同的體驗(yàn)。VR技術(shù)主導(dǎo)的虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生來說，只能起到過程的重現(xiàn)和一些的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的演示，學(xué)生只有在現(xiàn)實(shí)中才能得到訓(xùn)練。而且學(xué)生在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的一些不規(guī)范方法和一些容易疏忽的細(xì)節(jié)，在VR技術(shù)中，往往得不到實(shí)際的操作體驗(yàn)和明顯的體現(xiàn)［14］。VR技術(shù)還不能系統(tǒng)顯現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的系統(tǒng)性，對(duì)學(xué)生分析問題和解決問題能力上的培養(yǎng)還有所欠缺［15］。因此，我們?cè)趹?yīng)用VR技術(shù)的同時(shí)，還是要結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高實(shí)驗(yàn)課的效果，讓學(xué)生更好、更多的去接觸和掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。任課教師也應(yīng)該充分熟悉和了解VR技術(shù)，充分利用VR技術(shù)，發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)室涉及到多學(xué)科多領(lǐng)域的交叉和融合［16］，在醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，其可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果：有效的對(duì)相關(guān)學(xué)科進(jìn)行承上啟下;更方便地結(jié)合基礎(chǔ)與臨床;讓學(xué)生系統(tǒng)的接觸本學(xué)科的實(shí)驗(yàn)操作過程。雖然VR技術(shù)優(yōu)點(diǎn)很多，但在現(xiàn)時(shí)的教學(xué)情況下，還應(yīng)該結(jié)合部分的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以彌補(bǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室所面臨的不足。

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