虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在胚胎學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探討

馮瀟，李臻

(空軍軍醫(yī)大學(xué)人體解剖與組織胚胎學(xué)教研室， 西安710032)

“健康所系，性命相托”，是每個臨床工作者發(fā)自內(nèi)心的誓詞。要成為一名合格的臨床工作者，掌握人體胚胎發(fā)育的基礎(chǔ)知識是非常重要的。人體胚胎學(xué)是以研究人體發(fā)生發(fā)育為對象的一門學(xué)科。研究內(nèi)容包括生命的孕育，胚胎的演化過程，發(fā)育各階段的形態(tài)生理演變特征，發(fā)育過程中對于外在條件的適應(yīng)、變異和遺傳以及個體發(fā)育與種系發(fā)育。在人體胚胎發(fā)生過程中，魔幻般的變化令教師難以講明，學(xué)生難以清晰的理解，是醫(yī)學(xué)教育中最抽象、最復(fù)雜、也是最具想象空間的一門課程。由于該課程專業(yè)性較強(qiáng)、內(nèi)容展示手段較少、可供參考借鑒的資料也極為欠缺，所以胚胎學(xué)教學(xué)的平面教學(xué)講解難度較大，影響了胚胎學(xué)教學(xué)的授課效果。因此，通過數(shù)字化虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)替代或者互補(bǔ)傳統(tǒng)的胚胎學(xué)教學(xué)模式，迫在眉睫。

虛擬仿真教學(xué)是一種共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)筑的虛擬環(huán)境能夠為學(xué)習(xí)者提供一個生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，是目前國際先進(jìn)的教學(xué)模式。目前國內(nèi)已有多家國家級虛擬實(shí)驗教學(xué)中心，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗環(huán)境和實(shí)驗對象，讓學(xué)生可以隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。虛擬仿真技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)院校教學(xué)和科研領(lǐng)域，成為國內(nèi)外現(xiàn)代教育的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢[1,2]。

1 胚胎學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)的基本現(xiàn)狀

胚胎學(xué)能幫助人們用唯物主義觀點(diǎn)理解生命個體的發(fā)生與演變，以及個體與環(huán)境的聯(lián)系。醫(yī)學(xué)生只有在學(xué)習(xí)了胚胎學(xué)之后，才算真正完整地了解了人體。胚胎學(xué)的研究也已經(jīng)經(jīng)歷了幾十個世紀(jì)，形成了幾個主要的分支學(xué)科，包括有描述胚胎學(xué)、比較胚胎學(xué)、實(shí)驗胚胎學(xué)、化學(xué)胚胎學(xué)、分子胚胎學(xué)、畸形學(xué)與生殖工程。傳統(tǒng)的胚胎學(xué)教學(xué)模式仍然是通過觀察標(biāo)本、模具等，再結(jié)合教科書的描述進(jìn)行觀察， 晦澀難懂、枯燥乏味的，已然不適應(yīng)現(xiàn)如今素質(zhì)教育的需要與要求。因此，結(jié)合目前的教學(xué)現(xiàn)狀，創(chuàng)建出一套行之有效的能提高胚胎學(xué)教學(xué)質(zhì)量的新模式是醫(yī)學(xué)院校培養(yǎng)高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才面臨的重要問題[3]。

1 .1 部分教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜，難以理解和記憶

人體胚胎學(xué)屬于發(fā)育生物學(xué)范疇，學(xué)習(xí)時需要觀察胚胎標(biāo)本、模型、圖譜等，結(jié)合教科書的描述進(jìn)行觀察，要建立空間概念和形象思維，與成體器官的結(jié)構(gòu)相比較，學(xué)生在理解和消化學(xué)習(xí)內(nèi)容時，會感覺難度較大，不易把握。胚胎學(xué)的研究對象不同于解剖學(xué)、組織學(xué)等形態(tài)學(xué)科的顯著特征，在學(xué)習(xí)時既要了解某一時期胚胎的立體形態(tài)，也要掌握不同時期這些結(jié)構(gòu)的來源與演變過程，即胚胎的時間與空間的結(jié)構(gòu)變化。因此，對于剛?cè)腴T的醫(yī)學(xué)生來說很難適應(yīng)，學(xué)習(xí)起來頗為吃力，常產(chǎn)生畏難情緒。同時各個器官、系統(tǒng)、組織的胚胎發(fā)育往往相互關(guān)聯(lián)、同時衍變，盡管教師可以使用幻燈片、掛圖等相對直觀的教學(xué)手段授課，但仍給人以枯燥、抽象的感覺，總之，胚胎學(xué)的教學(xué)特點(diǎn)決定了它是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課程中授課和學(xué)習(xí)難度最大的課程之一。因此，部分學(xué)生對胚胎學(xué)有厭煩心理。

1 .2 學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣以及學(xué)習(xí)的主動性，聽課效果欠佳

經(jīng)調(diào)查，多年來學(xué)生一直認(rèn)為胚胎學(xué)難學(xué)，難以產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。 我們分析主要原因是：胚胎學(xué)是動態(tài)的科學(xué)， 需要學(xué)生充分發(fā)揮三維、四維空間想象能力，來充分理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。胚胎學(xué)名詞、學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象，靠想象難以理解和記憶；胚胎學(xué)理論課以集中講授理論知識為主，按照教學(xué)計劃，胚胎學(xué)部分學(xué)時數(shù)設(shè)置較少，每次理論課授課內(nèi)容就會很多，惟恐學(xué)生聽不懂，教室故而多采用“滿堂灌”的方式，一味地追求灌輸，沒有給學(xué)生留有思考與自學(xué)的余地，限制了學(xué)生想象、思考的空間，這自然要影響教學(xué)效果。由于采取大班授課，學(xué)生人數(shù)多，教室的空間較大，在一定程度上影響了標(biāo)本、模具輔助教學(xué)效果；此外，為了完成計劃內(nèi)教學(xué)大綱的授課內(nèi)容， 授課教師必須保持較快的教學(xué)節(jié)奏，以至于學(xué)生的聽課效果大打折扣。因此，由于專業(yè)性較強(qiáng)、內(nèi)容展示手段較少、可供參考借鑒的資料極為欠缺，胚胎學(xué)部分多年以來一直是組胚教學(xué)的難點(diǎn)，解決這個問題迫在眉睫[4]。

2 虛擬實(shí)驗室在教學(xué)中的優(yōu)勢

2 .1 內(nèi)容全面

虛擬教學(xué)系統(tǒng)按照最新的國家規(guī)劃本科教材設(shè)定，通過多媒體動畫視頻技術(shù)將文字、圖片、三維模型、切片、動畫、視頻、習(xí)題等多種形式的資源結(jié)合，以卵裂這一知識點(diǎn)為例，不但有平面的連續(xù)的圖片展示，而且有動態(tài)的視頻展示（圖1，圖2），這些可以從多個角度形象地展示卵裂的發(fā)育過程，使人體胚胎學(xué)不再抽象、晦澀難懂。教學(xué)系統(tǒng)可以涵蓋“人體早期發(fā)生發(fā)育篇”、“人體胚胎器官系統(tǒng)發(fā)生發(fā)育篇”和“先天畸形篇”，內(nèi)容豐滿。這個系統(tǒng)以發(fā)育時程為軸線展示胚胎發(fā)育或畸形發(fā)生過程中的大事件，以大節(jié)點(diǎn)包含若干小節(jié)點(diǎn)，每個小節(jié)點(diǎn)又包含若干知識點(diǎn)來組織內(nèi)容，全面系統(tǒng)的輔助教學(xué)、學(xué)習(xí)過程[5]。

2 .2 講解深入

系統(tǒng)內(nèi)置大量精彩課程，展示方式多種多樣，講解嚴(yán)謹(jǐn)深入，寓意準(zhǔn)確清晰。教程中的內(nèi)容，都是在深入理解相關(guān)胚胎事件的基礎(chǔ)上設(shè)計和繪制出來的，極具獨(dú)創(chuàng)性和實(shí)用價值。通過多種多媒體演示方式，將文字描述、圖片觀察、視頻講解、三維結(jié)構(gòu)和時序三維動畫等方式結(jié)合起來，將晦澀難懂的人體胚胎學(xué)教材中各章節(jié)的知識點(diǎn)進(jìn)行了綜合性的展示，層層遞進(jìn)，逐層深入（圖3）。相比較傳統(tǒng)的教學(xué)手段，該系統(tǒng)中的數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容更加生動、直觀，較好地降低了教學(xué)難度，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2 .3使用靈活

胚胎學(xué)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以通過三維交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動，從不同的角度演示立體到平面的演變，可以為學(xué)生創(chuàng)造虛擬真實(shí)的實(shí)驗環(huán)境充分達(dá)到清晰、美觀的視覺效果，多角度、立體直觀的展示胚胎發(fā)育的變化過程，使學(xué)生從各個角度去觀察胚胎發(fā)生發(fā)育的關(guān)鍵事件，從而加深對理論內(nèi)容的理解。胚胎學(xué)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)（圖4），又可根據(jù)教學(xué)需求靈活應(yīng)用，為教師制作電子課件提供大量素材，使教學(xué)和學(xué)習(xí)更加簡單高效。每章均有關(guān)于本章節(jié)重點(diǎn)知識講解的視頻微課，系統(tǒng)性講解本章所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。系統(tǒng)內(nèi)每個知識點(diǎn)都單獨(dú)配有視頻講解，方便教學(xué)。系統(tǒng)制作了相關(guān)的三維模型，將人體胚胎的發(fā)育過程直觀的還原，師生可旋轉(zhuǎn)模型，從任意角度進(jìn)行觀察，并可添加標(biāo)注方便學(xué)習(xí)[6]。

圖1 卵裂過程仿真圖（彩色）與實(shí)物圖（相差圖）Fig.1 The simulation images (multicolor) and the physical images (phase contrast images) of the cleavage process

2 .4 適用廣泛

胚胎學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)緊貼教學(xué)實(shí)際需求，該教學(xué)系統(tǒng)的建成既為學(xué)校本科生、研究生、繼續(xù)教育學(xué)員的培訓(xùn)提供重要的教學(xué)手段，同時也可以節(jié)省教學(xué)經(jīng)費(fèi)的投入，極大地提高教學(xué)效果。又為臨床各科室醫(yī)生提供了對先天性疾病的發(fā)生及表現(xiàn)再學(xué)習(xí)的機(jī)會；同時可成為優(yōu)生優(yōu)育科普宣傳教育的窗口（圖5），應(yīng)用潛力巨大。

3 結(jié)論

現(xiàn)代科技的發(fā)展推動著虛擬仿真實(shí)驗室的發(fā)展，隨著這項技術(shù)的成熟，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)在各大高校和科研機(jī)構(gòu)中被廣泛的使用，這不但符合當(dāng)今國家對于高等院校教學(xué)改革的相關(guān)要求，也對促進(jìn)我國醫(yī)學(xué)教育的改革以及提高教學(xué)質(zhì)量和效率具有舉足輕重的意義。虛擬仿真教學(xué)具有信息化技術(shù)特征，不僅豐富多彩了教學(xué)內(nèi)容，突破了傳統(tǒng)教學(xué)方式的諸多局限性，高度仿真實(shí)驗環(huán)境，還具有完善的管理功能、交流功能和考試功能，并且可以配合“云平臺”形成“線下+線上”的教學(xué)模式，變革了傳統(tǒng)的教學(xué)形式，系統(tǒng)的管理功能協(xié)助學(xué)校、教師和學(xué)生進(jìn)行教學(xué)管理、統(tǒng)計和分析；交流系統(tǒng)可以讓師生之間、學(xué)生之間進(jìn)行無縫溝通交流，提高學(xué)習(xí)效率；專業(yè)化的教師系統(tǒng)方便教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行考核，數(shù)字化的考試方式更加靈活自由，方便高效[7]，數(shù)字系統(tǒng)給胚胎學(xué)教學(xué)帶來前所未有的發(fā)展空間，而且在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[8]。虛擬仿真實(shí)驗平臺的應(yīng)用和發(fā)展，可以依托當(dāng)前便利的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，做到資源共享。比如開發(fā)高校虛擬仿真實(shí)驗室的微信平臺，號召學(xué)生關(guān)注相關(guān)二維碼，增加課下的自主學(xué)習(xí)；開發(fā)3D技術(shù)，將胚胎發(fā)育的過程做成一個微電影等，這樣可以極大地解放傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)的困頓局面，同時也能解決師資不夠的情況。虛擬實(shí)驗室具有許多的優(yōu)勢，作為走在時代最前沿的教育工作者，我們應(yīng)積極地把虛擬技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗室建設(shè)中，做到虛擬與實(shí)際操作相互結(jié)合，相互補(bǔ)充，服務(wù)教學(xué)，發(fā)揮虛擬實(shí)驗室在新時代教學(xué)和科研中的巨大作用。

圖2 卵裂的三維動畫及視頻展示圖。A，動態(tài)展示桑椹胚；B，動態(tài)展示單細(xì)胞期發(fā)育形成二細(xì)胞期；C，動態(tài)展示八細(xì)胞期。Fig.2 Three - dimensional animation and video display images of cleavage. A, A dynamic display image of the morula; B, The dynamic display image of unicellular stage developing into the bicellular stage; C, A dynamic display image of the eight-cell stage

圖3 章節(jié)及知識點(diǎn)目錄Fig.3 Contents of chapters and knowledge points

圖4 學(xué)生自主學(xué)習(xí)展示圖Fig.4 The display of student self-learning

圖5 科普宣傳展示圖Fig.5 The display of popular science propaganda