基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)的實踐應(yīng)用

陳獻雄　林桂淼　雷明軍　翟鵬　王曉梅　高俊輝

【摘 要】隨著計算機普及和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)越來越多應(yīng)用于實驗教學(xué)中。借助虛擬仿真技術(shù)，可以展現(xiàn)傳統(tǒng)實驗難以展現(xiàn)的學(xué)科前沿技術(shù)。建設(shè)虛擬仿真實驗中心不僅是高校實驗教學(xué)的一個發(fā)展大趨勢，也是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)所迫切需要的。本文針對基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的特點和實踐應(yīng)用進行了詳盡的探討，目的在于促進虛擬仿真實驗在本校的推廣使用，實現(xiàn)教學(xué)資源共享，揭示了基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實驗的發(fā)展前景和對未來醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的重要作用。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真；基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)；實驗教學(xué)

中圖分類號： G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0021-002

【Abstract】With the popularization of computer and the development of network technology， more and more virtual simulation technology is used in experiment teaching. With the help of virtual simulation technology， it can show the cutting-edge technology that traditional experiment can not show well. The construction of virtual simulation experiment center is not only a trend of development of experimental teaching in colleges and universities， but also an urgent need of basic medical experimental teaching. The purpose of this paper is to promote the use of virtual simulation experiment in our school and realize the sharing of teaching resources， and to reveal the development prospect of network-based virtual simulation experiment and the application of virtual simulation experiment teaching platform. The future of medical teaching an important role.

【Key words】Virtual simulation；Basic medicine；Experimental teaching

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。為貫徹落實《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，國家教育部早在2013年8月就已下發(fā)通知，要求各高校積極開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作。之后全國各地高校紛紛開始著手此項工作，2014年03月教育部高等教育司對全國各高校申報材料進行遴選后確定了100家普通本科高等學(xué)校和軍隊高等學(xué)校作為首批“國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，其內(nèi)容涵蓋地理信息、醫(yī)藥醫(yī)學(xué)、電力能源、工業(yè)制造、軍事戰(zhàn)場等各個領(lǐng)域，旨在通過這些虛擬仿真實驗教學(xué)中心的示范、引領(lǐng)作用的，持續(xù)推進實驗教學(xué)信息化建設(shè)，推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新[1]。乘著這個東風，我們購買了上海夢之路數(shù)字科技有限公司的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，借助他們強大的技術(shù)力量和支持服務(wù)體系，初步構(gòu)建了可用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)平臺——《深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心》（網(wǎng)址http：//xnfz.szu.edu.cn/），并逐步在我?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中推廣使用。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢

建立“虛實結(jié)合”實驗教學(xué)模式，是當前實驗教學(xué)改革的方向之一[2]。借助虛擬仿真技術(shù)，我們可以展現(xiàn)傳統(tǒng)實驗難以展現(xiàn)的學(xué)科前沿技術(shù)，對受場地、資源、倫理等條件限制較難開設(shè)的醫(yī)學(xué)類實驗和教學(xué)尤其必要。它依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建了高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生可以在虛擬的實驗環(huán)境中體驗同樣的實驗過程和結(jié)果，達到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。其突出的優(yōu)勢如下：

1）突破了時間、空間和儀器套數(shù)的限制。虛擬實驗打破了傳統(tǒng)實驗的模式，學(xué)生不再受時間、空間的制約，可實行網(wǎng)絡(luò)遠程教學(xué)，師生可隨時、隨地進入虛擬仿真實驗室進行

虛擬實驗操作，瞬間觀察到一些需要幾十年甚至上百年才能觀察到的變化過程，還可以進入大到宇宙宏觀物體，小到原子分子層面內(nèi)部觀察現(xiàn)象[3]，這是電視錄像和多媒體無法達到的。

2）避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)實驗操作中，不可避免的涉及到部分對人體有毒有害微生物菌種和毒品，利用虛擬技術(shù)進行實驗，可避免人體直接接觸危險的或?qū)θ梭w健康有害的實驗，還可以降低傳統(tǒng)實驗教學(xué)中大量廢棄試劑排放所造成的環(huán)境污染[4]。

3）實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。涉及高?；驑O端環(huán)境，不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，虛擬仿真實驗可以真實、全面的展示教學(xué)內(nèi)容，從而提供給學(xué)生更多學(xué)習實踐機會。

4）大幅降低教學(xué)成本。虛擬實驗減少了教學(xué)實驗耗材的實際使用量，尤其對于醫(yī)學(xué)院校的實驗教學(xué)中需要使用大量的實驗動物和人體標本，如能采用虛擬實驗進行輔助教學(xué)，可大大減少實驗耗材經(jīng)費的支出，大幅降低實驗教學(xué)的耗材成本。endprint

2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的模塊結(jié)構(gòu)：

上海夢之路數(shù)字科技有限公司所開發(fā)的虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)采用了J2EE技術(shù)和B/S構(gòu)架模式，二維和三維技術(shù)，結(jié)合程序控制，實現(xiàn)虛擬仿真的實驗操作。該教學(xué)平臺分為前臺操作系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)兩大模塊，前臺操作系統(tǒng)主要包括學(xué)生實驗?zāi)K和教師教學(xué)模塊，后臺管理系統(tǒng)主要包括學(xué)校管理、實驗管理、考核管理、公告答疑管理、系統(tǒng)管理等模塊，每個模塊下面包括3-4個不同的功能。該平臺具備豐富的題庫系統(tǒng)，提供在線自測自評功能，為學(xué)生的自我鞏固學(xué)習提供一個良好的平臺。教師可以在本平臺開展實驗教學(xué)活動，還可以上傳個人教學(xué)資源、布置批改實驗報告、網(wǎng)上考試、答疑等；學(xué)生可通過平臺進行成績查詢和實驗報告的在線提交和查看批閱情況。這些功能的設(shè)置實現(xiàn)了教學(xué)資源的共享，減少教師們的重復(fù)勞動，促進師生的互動交流，提高實驗教學(xué)效果。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)的內(nèi)容

虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)主要針對以下三類教學(xué)資源：一是，真實實驗無法開展或高危實驗；二是，大型綜合的虛擬實驗資源；三是，成本高、資源（包括能源和實驗原材料）消耗大、污染嚴重的實驗教學(xué)資源。

我校虛擬仿真實驗教學(xué)平臺包括機能學(xué)、生化與分子生物學(xué)、病原生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)PBL教學(xué)六大類共73個虛擬仿真實驗項目。其中機能學(xué)14個、生化與分子生物學(xué)28個、病原生物學(xué)28個（包含微生物學(xué)12、病毒學(xué)3和寄生蟲學(xué)13）和臨床醫(yī)學(xué)PBL教學(xué)3個虛擬仿真實驗。每個虛擬仿真實驗里包含有實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗視頻、虛擬實驗操作、思考題等內(nèi)容。實驗?zāi)康目墒箤W(xué)生在虛擬實驗前充分了解虛擬實驗操作所需達到的要求；實驗原理通過文字或動畫形式全面生動的描述；實驗視頻真實呈現(xiàn)實驗操作全過程；思考題涵蓋實驗中可能會遇到的各類問題；虛擬實驗操作首先進入虛擬實驗項目所需的儀器、設(shè)備和器材頁面，讓學(xué)生對實驗項目有總體概念。通過虛擬的動畫演示和互動操作，依靠虛擬仿真技術(shù)準確還原真實實驗的操作步驟，具有實驗操作提示功能。實驗內(nèi)容在計算機上進行，實驗流程完全模擬實驗室中的操作過程。實驗可以反復(fù)操作，使學(xué)生有更多的嘗試與實踐的機會，減少實驗資源的耗費。實驗過程中穿插相關(guān)知識點考核以及操作要點提示。

在虛擬實驗操作環(huán)節(jié)還配備相應(yīng)的知識庫，里面可查到與該實驗相關(guān)的知識點，或者在每一個實驗步驟配有文字提示，選錯了可按提示糾正實驗操作，實驗全過程有語音解說或文字解說，尤其適合學(xué)生實驗前的預(yù)習或課后的復(fù)習，比如在《生化與分子生物學(xué)》這門虛擬實驗課程中，醫(yī)學(xué)細胞培養(yǎng)綜合實驗、移液槍基本操作、電泳基本操作等都是醫(yī)學(xué)生必須掌握的最基本的實驗，學(xué)生做這些真實實驗前，隨時可以登陸本平臺進行自由學(xué)習，學(xué)生預(yù)習中遇到某個實驗環(huán)節(jié)不明白的可以反復(fù)重播，反復(fù)操作練習，直到熟練并完全掌握為止。熟練全部實驗步驟后，再回到實驗課堂開始真實操作，既可減少課堂中教師的講解和演示實驗時間，又可縮短學(xué)生實驗摸索的時間，大大提高了實驗的準確率和學(xué)習效果。

4 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺后臺管理：

4.1 管理員后臺管理系統(tǒng)的功能：

后臺管理系統(tǒng)分管理員、教師個人和學(xué)生個人三個管理模塊，管理員后臺管理系統(tǒng)包括個人資料管理、公告管理、賬戶管理、課程管理、學(xué)習統(tǒng)計和系統(tǒng)管理六個模塊，個人資料管理里可以修改用戶個人密碼；公告管理可發(fā)布各類公告通知新聞等；賬戶管理可以導(dǎo)入或刪除教師和學(xué)生用戶，可以對學(xué)生進行分班管理等。在課程管理中，既可以對已有的課程進行設(shè)置管理，也可以通過“導(dǎo)入課程”新添加用戶所需的課程；可以對每一門課程進行個性化的設(shè)置，比如添加課程學(xué)習課件圖片，知識點，考試題庫，實驗報告，是否允許學(xué)生加入為助教，是否允許訪客瀏覽等等；通過“用戶管理”，不僅可將已有的用戶添加到這個課程中，還可以對已申請參與課程的用戶進行審核。學(xué)習統(tǒng)計可以查看課程內(nèi)所有學(xué)生的學(xué)習進度、學(xué)習成績和時間，并可以通過設(shè)置計算規(guī)則以學(xué)習進度、成績和時間作為評分依據(jù)來生成每位學(xué)生的最終實驗課成績。

4.2 教師用戶系統(tǒng)的功能：

教師用戶系統(tǒng)包括個人信息資料管理、教師個人教學(xué)管理和課程申請三個管理模塊。在人信息資料管理中可以添加或修改個人資料和密碼，在個人資源區(qū)可上傳各類教學(xué)資源，公共資源區(qū)可以查閱系統(tǒng)中其他老師共享的教學(xué)資源，在日程表中可以記錄或標記某日的教學(xué)活動（類似備忘錄）；在教學(xué)管理中可以查閱個人課程所有學(xué)生的學(xué)習詳細情況，可以給學(xué)生進行分組管理，可以上傳實驗作業(yè)和考試卷并在網(wǎng)上進行批改，可以進行學(xué)生答疑等。在課程申請中教師可以查閱已有的課程和申請?zhí)砑有碌恼n程。

4.3 學(xué)生用戶系統(tǒng)的功能：

學(xué)生用戶系統(tǒng)包括個人信息資料管理、學(xué)生個人學(xué)習管理兩個管理模塊。個人管理部分的功能跟教師的模塊功能相似；在個人學(xué)習管理模塊中，學(xué)生可以選課學(xué)習，可以向任何教師提問并查閱老師答疑的回復(fù)，查閱本班或本小組同學(xué)，還可以在系統(tǒng)中完成老師布置的作業(yè)和批改情況，或查閱測驗或考試成績等。

5 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺使用反饋

虛擬實驗作為一種新型的信息化教學(xué)方式，它的出現(xiàn)將有效緩解實驗經(jīng)費、場地、器材等方面普遍面臨的困難和壓力，能夠突破傳統(tǒng)實驗的“時空”限制，無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、隨時隨地登錄。但是我們也要看到虛擬實驗不足的一面。我們曾對14、15級臨床專業(yè)共109名學(xué)生進行了一次問卷調(diào)查，結(jié)果顯示學(xué)生們普遍認為，虛擬實驗占傳統(tǒng)實驗比例在20-40%左右比較合適，他們認為虛擬實驗更多的適用于拓展性實驗而不是教學(xué)大綱（下轉(zhuǎn)第73頁）（上接第22頁）內(nèi)的實驗；超過半數(shù)的學(xué)生認為實驗課前預(yù)習和實驗考前復(fù)習更適合使用虛擬實驗，隨時都可以進行學(xué)習，方便省時。盡管學(xué)生普遍反映真實實驗和虛擬實驗相結(jié)合的模式可以加深他們對實驗原理、步驟、實驗細節(jié)的掌握和理解，提高學(xué)習興趣和學(xué)習效果，但他們普遍認為虛擬實驗不能替代真實實驗，“虛擬”不叫實驗，因為虛擬實驗無法鍛煉動手能力，沒有實際操作就無法積累實踐經(jīng)驗等等。由此可見，虛擬實驗最適宜作為傳統(tǒng)實驗課程的輔助和補充，應(yīng)用于學(xué)生的課前預(yù)習和課后復(fù)習；或者用于彌補現(xiàn)實教學(xué)中內(nèi)容的不足，豐富實驗內(nèi)容，拓寬學(xué)生學(xué)術(shù)視野。對于很多受現(xiàn)有教學(xué)條件所限無法正常開展的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)類實驗（如人體器官的活動、病毒實驗等等），則可借助虛擬實驗讓學(xué)生親臨其境開展相關(guān)實驗，擴大了實驗教學(xué)的覆蓋范圍。

6 虛擬仿真實驗的展望

我國虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用剛剛開始，一些理工科院校如清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校走在前列。從各地高校在不同學(xué)科開展的虛擬實驗教學(xué)改革[5]中可以看出，虛擬實驗技術(shù)作為一個新型的教學(xué)媒體，以其自身強大的功能，在醫(yī)學(xué)院校的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)和臨床技能訓(xùn)練中起著廣泛應(yīng)用，具有傳統(tǒng)實驗無可替代的優(yōu)點，然而虛擬仿真實驗與實物操作之間仍然存在一定的差異，虛擬實驗的過程是看不到、摸不著實物的，實際操作過程中出現(xiàn)的各種復(fù)雜情況也是虛擬實驗中無法完全復(fù)制的，因此虛擬實驗只能作為實驗教學(xué)的一種輔助手段，它不能完全取代傳統(tǒng)的實驗教學(xué)。此外，從技術(shù)上還可以進一步開發(fā)個人移動終端版本，讓學(xué)生能隨時隨地應(yīng)用虛擬實驗；在實驗項目設(shè)計方面，還可以增加基于知識點的微視頻、微動畫、微考核，拆分冗繁的實驗過程，設(shè)計問答式提示以引起學(xué)生對實驗過程的思考和知識點的回顧等?？傊诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實驗其優(yōu)缺點都是顯而易見的，它對未來醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而且隨著技術(shù)的逐漸成熟還能使虛擬技術(shù)進一步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)其它領(lǐng)域，如遠程手術(shù)、合作治療、醫(yī)療救護等緊急醫(yī)務(wù)處理等方面，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

【參考文獻】

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