虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在機(jī)能實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探索

吳 穹，馬祁生，汪曉筠，王宇婕

（青海大學(xué) 醫(yī)學(xué)院機(jī)能實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001）

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在機(jī)能實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探索

吳 穹，馬祁生，汪曉筠，王宇婕

（青海大學(xué) 醫(yī)學(xué)院機(jī)能實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001）

機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)是醫(yī)學(xué)教育中的一個(gè)重要組成部分，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在醫(yī)學(xué)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中受到了越來越多的重視及應(yīng)用，本文對其在機(jī)能實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究與探討。

虛擬實(shí)驗(yàn)；機(jī)能學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

機(jī)能學(xué)是一門用實(shí)驗(yàn)方法觀察正常、疾病和藥物作用下機(jī)體的功能、代謝變化及其機(jī)制與規(guī)律的科學(xué)，是在原有生理學(xué)、藥理學(xué)和病理生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展、融合形成的，對于培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生初步的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)技能具有十分重要的作用。近幾年來，高校的合并、擴(kuò)招給醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來巨大的壓力，教師資源、教學(xué)資源的相對匱乏造成“實(shí)驗(yàn)小組由小變大，實(shí)驗(yàn)動物由大變小”的縮水現(xiàn)象，導(dǎo)致醫(yī)學(xué)生實(shí)踐時(shí)間和動手機(jī)會較少，在很大程度上影響了醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量［1］。

青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院機(jī)能實(shí)驗(yàn)室結(jié)合自身的特點(diǎn)和具體情況，于2010年引進(jìn)了VBL－100醫(yī)學(xué)機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為主，虛擬實(shí)驗(yàn)為輔為學(xué)生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在此，我們結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，將整個(gè)過程和自己的體會總結(jié)如下，與大家共同探討。

1 機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

1.1 機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

VBL－100醫(yī)學(xué)機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)集合了計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用服務(wù)器／客戶機(jī)的構(gòu)架模式（圖1），服務(wù)器主要用于存放素材和數(shù)據(jù)庫管理，作為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，起到提供數(shù)據(jù)和修改數(shù)據(jù)兩方面的工作。提供數(shù)據(jù)包括接受客戶機(jī)的請求，然后從數(shù)據(jù)庫中查找數(shù)據(jù)，并得到數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)的詳細(xì)位置，然后將數(shù)據(jù)分發(fā)給請求的客戶機(jī)；修改數(shù)據(jù)則包括修改數(shù)據(jù)、添加數(shù)據(jù)和檢查數(shù)據(jù)三個(gè)部分的內(nèi)容，服務(wù)器上提供修改數(shù)據(jù)的界面，可對數(shù)據(jù)的內(nèi)容，訪問路徑進(jìn)行修改；添加數(shù)據(jù)用于添加新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或數(shù)據(jù)；檢查數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)庫的信息檢查資源的可用性。客戶機(jī)是用戶直接與該系統(tǒng)打交道的接口，客戶機(jī)本身相當(dāng)于一個(gè)瀏覽器，請求并解釋從服務(wù)器得到的數(shù)據(jù)。

圖1 VBL－100系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

1.2 機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

VBL－100系統(tǒng)采用服務(wù)器／客戶機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，既可以在實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)使用，又可以在校園網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行訪問［2］，方便學(xué)生的使用，也便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和升級；此系統(tǒng)有大量的生物學(xué)背景知識，比如信號采集與處理技術(shù)、傳感器技術(shù)等，可以拓展學(xué)生的知識面；該系統(tǒng)由基礎(chǔ)知識、實(shí)驗(yàn)動物、實(shí)驗(yàn)儀器、模擬實(shí)驗(yàn)（含簡介、原理、操作仿真、錄像和波形）、實(shí)驗(yàn)考核等部分組成，涵蓋了40多個(gè)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)的全套模擬仿真，由于仿真實(shí)驗(yàn)無需實(shí)驗(yàn)動物，無需實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備即可幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)操作步驟以及實(shí)驗(yàn)效果，可以作為機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)有益補(bǔ)充。

2 機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在機(jī)能實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 可用于機(jī)能實(shí)驗(yàn)課前期培訓(xùn)

機(jī)能實(shí)驗(yàn)是醫(yī)學(xué)生進(jìn)入醫(yī)學(xué)院校后首次接觸活體實(shí)驗(yàn)動物的課程，有大量的手術(shù)操作需學(xué)生獨(dú)立完成，如家兔耳緣靜脈注射術(shù)、頸總動脈插管術(shù)、氣管插管術(shù)、膀胱插管術(shù)等。由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)間緊，內(nèi)容多，即使教師示教實(shí)驗(yàn)操作的全過程，詳細(xì)講述操作的要領(lǐng)、技巧，但是由于手術(shù)操作的復(fù)雜性、不確定性，再加上學(xué)生精神緊張，手技不熟練，實(shí)驗(yàn)操作往往手忙腳亂，易引起動物出血死亡，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

因此，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)課之前對學(xué)生進(jìn)行前期培訓(xùn)，課時(shí)安排為6個(gè)學(xué)時(shí)。首先，教師結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的資料室、動物房、準(zhǔn)備室模塊向?qū)W生介紹實(shí)驗(yàn)動物學(xué)、BL－420生物信號采集系統(tǒng)的使用方法、常用手術(shù)器械的正確使用方法、手術(shù)操作、注意事項(xiàng)等，然后，各組學(xué)生在動物身上進(jìn)行實(shí)際操作，教師在旁邊進(jìn)行指導(dǎo)，對關(guān)鍵步驟要求每一位學(xué)生必須親手操作，以提高對手術(shù)的認(rèn)識和感受，增加操作經(jīng)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

在前期培訓(xùn)中，學(xué)生可以把注意力集中在了解和掌握手術(shù)操作上，在正式實(shí)驗(yàn)時(shí)就明白該如何正確操作，這樣可以大大縮短帶習(xí)教師示教的時(shí)間，學(xué)生也可以在規(guī)定的課時(shí)內(nèi)順利地完成實(shí)驗(yàn)。

2.2 可用于機(jī)能實(shí)驗(yàn)課中輔助

由于VBL－100系統(tǒng)具備多媒體課件及教學(xué)視頻，在實(shí)驗(yàn)操作講解時(shí)，教師可通過播放視頻代替示教，一方面減輕了教師示教的負(fù)擔(dān)，另一方面為學(xué)生提供了標(biāo)準(zhǔn)的操作指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，學(xué)生首先在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，然后在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺上開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可以參照實(shí)驗(yàn)視頻，遇到問題也可向帶習(xí)教師請教，但教師不能代替學(xué)生操作，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動手機(jī)會，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主、教師為輔的教學(xué)方式。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，能幫助學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)方法，有助于提高學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作中的實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)成功率，另外，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可將實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與虛擬實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，從而促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中積極思考，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2.3 可用于機(jī)能實(shí)驗(yàn)課后復(fù)習(xí)

實(shí)驗(yàn)課后，帶習(xí)教師可利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的考核模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)小結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、總結(jié)，作出正確的結(jié)論；對一些特別重要的操作可利用虛擬實(shí)驗(yàn)的模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K反復(fù)演練，有利于鞏固所學(xué)的知識。如在“血液凝固及其影響因素”實(shí)驗(yàn)中的頸總動脈插管操作，我室就反復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程中采取緩慢播放的方法，并且結(jié)合教師的詳細(xì)講解，讓學(xué)生清楚地掌握實(shí)驗(yàn)的全過程，掌握手術(shù)操作技巧。第一次模擬實(shí)驗(yàn)，目的是為了讓學(xué)生復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的全過程；第二次模擬實(shí)驗(yàn)，著重回憶操作過程中的細(xì)節(jié)，比如頸部切口定位、切口長度及“T”字形氣管切口的方法，如何區(qū)別減壓神經(jīng)和迷走神經(jīng)等；同時(shí)對實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行討論分析，找出原因；對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作及時(shí)進(jìn)行糾正和強(qiáng)調(diào)，并適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生把實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床問題聯(lián)系在一起，最后要求學(xué)生按虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)０逋瓿蓪?shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 教學(xué)效果評價(jià)

召集參與虛擬實(shí)驗(yàn)的180名學(xué)生召開師生座談會，設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，通過學(xué)生對客觀問題的回答，分析總結(jié)學(xué)生對機(jī)能學(xué)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的看法和建議。下發(fā)調(diào)查問卷180份，有效回收180份，回收率100%。學(xué)生對機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的客觀認(rèn)可度結(jié)果見表1。

表1 學(xué)生對機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的問卷調(diào)查結(jié)果（%）

4 討論

虛擬實(shí)驗(yàn)室是由以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為核心的虛擬實(shí)驗(yàn)和用于運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)室。其核心虛擬實(shí)驗(yàn)是指按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣運(yùn)用各種虛擬實(shí)驗(yàn)器械和設(shè)備，對建立起來的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)時(shí)仿真操作，完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［3－4］，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①虛擬實(shí)驗(yàn)對學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、了解實(shí)驗(yàn)儀器、提高實(shí)驗(yàn)興趣、拓寬知識面、降低實(shí)際操作中的錯(cuò)誤發(fā)生等方面具有積極地作用；②通過虛擬實(shí)驗(yàn)來演示或進(jìn)行操作，可以省去很多的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，能使因?qū)嶒?yàn)成本過高而難以進(jìn)行或真實(shí)實(shí)驗(yàn)中無法做到一人一組的實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會；③便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課下復(fù)習(xí)，便于學(xué)生進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇合適的實(shí)驗(yàn)動物及對實(shí)驗(yàn)基本技能的掌握。VBL－100虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也存在一定的不足，如操作過于死板單一；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少，缺乏與臨床結(jié)合的人體實(shí)驗(yàn)和在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中沒時(shí)間完成或很難完成的操作性實(shí)驗(yàn)；缺少實(shí)驗(yàn)相關(guān)的鏈接資料和臨床案例；部分操作過程，如氣管插管、動脈插管等的錄像不太真實(shí)，太粗略，自主性和可操作性不強(qiáng)；應(yīng)增強(qiáng)更清晰的實(shí)驗(yàn)原理介紹和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，加大人機(jī)互動、減少錄像成分；增加智能模塊，使學(xué)生可以自己對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)并在電腦上進(jìn)行操作，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力。

［1］莊文獻(xiàn)，楊 雪.醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.中國高等醫(yī)學(xué)教育，2010（11）：47－48.

［2］戴淑芳，張蓓蓓，李連宏.醫(yī)學(xué)機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)室在多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.醫(yī)學(xué)信息，2010，23（4）：849.

［3］徐 靜，孫藝平，王冬梅.虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)中之比較［J］.醫(yī)學(xué)與哲學(xué)，2009，30（6）：75－76.

［4］單美賢，李 藝.虛擬實(shí)驗(yàn)原理與教學(xué)應(yīng)用［M］.北京：教育科學(xué)出版社，2005.

G642.0

A

1006－2769（2012）05－0941－04

2012－06－21

青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院教育教學(xué)研究項(xiàng)目（qyjg－2010001）

吳 穹（1977－），男（滿族），青海西寧人，副教授，碩士，從事神經(jīng)病理生理研究。