兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實驗的構(gòu)建與應用

傅媛媛, 王愛勤, 李世平, 楊鳳萍, 殷寶法, 魏萬紅

(1. 揚州大學 生命科學基礎實驗教學中心， 揚州 225009； 2. 揚州大學 生物科學與技術學院， 揚州 225009)

家兔解剖實驗是生物、動科、獸醫(yī)、動檢、水產(chǎn)等專業(yè)一個非常重要的專業(yè)基礎性實驗教學項目。掌握家兔解剖手術的規(guī)范化操作流程、各器官形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及生理功能，可為學生科學嚴謹學習態(tài)度的養(yǎng)成、動手實踐能力的提升以及動物生理學、藥理學等后續(xù)實驗課程的學習提供必要的支撐[1-4]。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的快速發(fā)展，虛擬仿真技術被越來越多地應用于實驗教學中[5-10]。目前，國內(nèi)外與動物解剖相關的虛擬仿真實驗多以人體和大型動物如牛、馬、犬等為主，主要應用于醫(yī)學、獸醫(yī)等專業(yè)的臨床教學，且由于實驗教學內(nèi)容、教學模式的差別以及知識產(chǎn)權等問題，現(xiàn)有的資源很難應用于我校動物學等課程的實驗教學中。為此，圍繞解決傳統(tǒng)家兔解剖實驗教學中存在的一些問題，自主開發(fā)了“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實驗”，并且通過實施“虛實結(jié)合”的實驗教學模式和全過程覆蓋的實驗考核體系[11]，豐富了實驗教學內(nèi)容，有效提高了學生的學習興趣和學習效果。

1 傳統(tǒng)單一實體實驗中存在的問題

一是家兔解剖操作流程復雜、不易掌握。解剖操作從家兔的處死到皮膚的剝離，到腹腔、胸腔的打開，再到各系統(tǒng)、各器官的進一步解剖觀察，步驟十分復雜，且操作要點較多。在傳統(tǒng)的實體實驗教學過程中，一般需要教師在學生獨立動手操作前花費大量的時間逐步進行演示和講解，示教效果差，不僅浪費了有限的實驗學時，而且不利于學生利用寶貴的實驗動物資源提升實踐能力。

二是存在部分器官組織幼嫩、微小、易損(如心臟、膽囊、腦組織等)，生理功能不可見、不可逆(如血液循環(huán)、尿液的形成與排放等)、內(nèi)臟器官易纏繞以及結(jié)構(gòu)不易觀察等問題，嚴重影響了學生學習的效果。

三是存在著預習難、復習難和考核難的問題。傳統(tǒng)實驗的開展必須借助手術用具器械和實驗動物，無法讓學生開展實驗預習和復習，導致學生在開展實體實驗前對整個實驗流程和注意事項沒有感性認識，課后也不能有效地鞏固所學的知識和技能。實驗考核理論化傾向嚴重，大多以筆試的方式代替實體操作，導致對學生的實驗考核不全面、不完整。此外，傳統(tǒng)實驗中還存在家兔購買成本高、實驗動物福利與倫理和學生對動物解剖心理畏懼等問題[12-13]。

2 兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實驗的構(gòu)建

為解決上述問題，提升實驗教學效果，運用虛擬仿真技術，使用Unity3D、Maya、3DSMax等開發(fā)工具，構(gòu)建“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實驗”，其主要功能架構(gòu)如圖1所示。用戶可以通過PC或智能移動終端設備(智能手機、平板電腦)訪問虛擬仿真實驗系統(tǒng)。進入系統(tǒng)前，需要進行身份驗證(后臺有數(shù)據(jù)庫支撐，以便記錄學習軌跡和實驗成績等數(shù)據(jù))，系統(tǒng)會自動判別用戶的身份(學生、教師或管理員)，以進入相應的功能區(qū)。PC端的主界面如圖2所示，下面依次介紹系統(tǒng)的各主要功能模塊。

圖1 兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實驗系統(tǒng)功能構(gòu)架圖

圖2 兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實驗系統(tǒng)主界面

2.1 解剖模塊

家兔解剖的流程大致包括：致死→體壁解剖→消化系統(tǒng)解剖→泄殖系統(tǒng)解剖→循環(huán)系統(tǒng)解剖→呼吸系統(tǒng)解剖→腦解剖等步驟。為了便于學生在線開展家兔解剖操作的自主訓練，逐步掌握規(guī)范化操作流程，將解剖模塊(圖3)分為3個子模塊：1)觀摩解剖：此模塊不需要任何互動操作，學生通過對3D動畫的觀摩，初步了解家兔解剖操作的規(guī)范化流程；2)虛擬解剖：學生可利用鼠標，按照操作提示，通過對相應3D模型的點擊和拖動，按部就班地完成“仿真兔”的在線解剖，實現(xiàn)學生對兔解剖操作規(guī)范化流程的了解和掌握；3)自主解剖：在沒有任何提示的情況下，學生自主開展“仿真兔”解剖操作的整個流程，可進一步強化對相關技能的掌握。這3個子模塊由易至難，符合學生的認知規(guī)律，有利于學生牢固地掌握該部分實驗的基礎知識和技能。

圖3 兔的解剖模塊

2.2 透視結(jié)構(gòu)模塊

在透視結(jié)構(gòu)模塊中，學生可完成對兔的外部形態(tài)、骨骼系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、排泄系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成特征的了解，完成對各器官在體內(nèi)的相對位置與空間分布，以及相互連接方式等內(nèi)容的學習(圖4)。首先點擊右側(cè)菜單中的相應系統(tǒng)或器官名稱，即可調(diào)出各系統(tǒng)的3D模型，然后通過鼠標點擊、拖動或滾輪滾動左側(cè)的模型，實現(xiàn)對家兔外部形態(tài)和各系統(tǒng)的縮放和360°全方位觀察。

2.3 生理功能模塊

為了讓學生直觀地了解兔在完成呼吸、食物消化與吸收、血液循環(huán)、尿液形成等生理活動時其結(jié)構(gòu)組成與生理功能的協(xié)同作用關系，在生理功能模塊中加入這些內(nèi)容的3D仿真動畫(圖5)供學生觀摩。1)“呼吸系統(tǒng)”動畫：實現(xiàn)呼吸功能時，家兔鼻腔、氣管、肺、胸膈膜、胸骨等器官的動態(tài)變化過程；2)“消化系統(tǒng)”動畫：食物從攝入體內(nèi)到排出體外，其在口腔、食道、胃、腸等器官中食物形態(tài)的變化、養(yǎng)分的吸收、廢棄物的排泄等一系列動態(tài)變化過程；3)“循環(huán)系統(tǒng)”動畫：血液在體內(nèi)循環(huán)時，動脈血、靜脈血在心臟和血管中的流動與變化過程；4)“排泄系統(tǒng)”動畫：尿液形成與排出時，其在腎臟、膀胱、輸尿管中的動態(tài)變化過程。

2.4 器官復位模塊

器官復位就是解剖過程的逆向操作，它有利于學生進一步加深和掌握家兔各系統(tǒng)、器官在體內(nèi)的相對空間分布。在器官復位模塊中，學生可從骨骼系統(tǒng)開始依次選取左側(cè)欄目中的各器官3D模型，并將其放置到“仿真兔”體內(nèi)原有的位置上，直至完成所有器官的拼裝(圖6)。操作過程中，如出現(xiàn)器官選取錯誤或位置擺放錯誤，系統(tǒng)會自動提示用戶，以引導用戶完成正確的操作。

圖5 生理功能模塊

2.5 虛擬考核模塊

虛擬考核模塊分為解剖考核、復位考核和結(jié)構(gòu)考核等3個部分(圖7)。1)解剖考核：按順序進行解剖操作，系統(tǒng)自動記操作步驟并計分，完成學生對規(guī)范化操作流程的考核；2)復位考核：與器官復位模塊相似，系統(tǒng)記錄操作步驟并計分，完成對各器官空間分布的考核；3)結(jié)構(gòu)考核：看圖在相應的結(jié)構(gòu)上填出名稱，完成對兔的外形和各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)名稱的考核。

圖6 器官復位模塊

(a)解剖考核；(b)復位考核；(c)結(jié)構(gòu)考核

除了上述主要的功能模塊外，本實驗還包含了目的與器材、在線交流、試題庫、微課視頻、實驗報告等模塊，以確保整個實驗項目流程的完整實施。

3 “虛實結(jié)合”的實驗教學模式的構(gòu)建

為了充分發(fā)揮虛擬仿真資源的優(yōu)勢，提高實驗操作的成功率和實驗教學效果，激發(fā)學生學習的興趣和主動性，將兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實驗與實體實驗相結(jié)合，構(gòu)建了涵蓋實驗“前、中、后”3個階段的“虛實結(jié)合”的實驗教學新模式(圖8)。

圖8 兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能“虛實結(jié)合”的實驗教學模式

在新模式下，家兔的解剖實驗共6個學時，其中虛擬仿真學習占2個學時。學生在實體實驗開始前，主要以虛擬仿真學習為主，通過對虛擬仿真系統(tǒng)中各模塊的虛擬操作，對實驗有一個充分的預習，初步了解相關知識和實驗操作流程。線上的虛擬解剖練習還能起到一個良好的過渡作用，有效緩解學生對動物解剖實驗的畏懼心理。進入實體實驗室開展實體解剖操作時，學生可參照虛擬解剖的操作過程，完成自主解剖操作。教師可大幅縮減示教、講授等環(huán)節(jié)的時間，而以個別輔導和答疑為主，將實驗學時最大化地“還于”學生。同時，學生可將實體解剖、實體器官與虛擬解剖、3D器官模型相結(jié)合，開展比對式學習，進一步規(guī)范實體實驗操作流程，分析器官結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異的原因。對于實際操作難、組織易破損、微小結(jié)構(gòu)難以觀察的部分，學生可以使用虛擬仿真實驗的內(nèi)容進行補充學習。實體實驗結(jié)束后，學生可利用虛擬仿真實驗各個模塊進行自主復習，進一步鞏固知識和技能。此外，利用系統(tǒng)還可開展師生之間的在線學習交流、實驗報告提交與批復等。

4 全過程覆蓋的形成性實驗考核體系的構(gòu)建

為解決以往實體實驗考核難和理論化傾向嚴重的問題，有效了解學生對兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的掌握情況，構(gòu)建了覆蓋實驗全過程的形成性實驗考核體系(表1)。通過線上、線下相結(jié)合，實現(xiàn)了對實驗預習效果、操作過程、實驗態(tài)度以及學習效果的全方位考核。

5 小結(jié)

綜上所述，揚州大學生命科學基礎實驗教學中心為了解決家兔解剖傳統(tǒng)實驗中存在的手術操作流程不易掌握、部分器官微小易損、結(jié)構(gòu)與功能協(xié)同變化過程不可見、實驗動物成本高等問題，構(gòu)建了“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實驗”，并通過實施“虛實結(jié)合”的實驗教學模式，有效擴展了實驗教學內(nèi)容，提升了實驗教學效果，減少了實驗動物用量，實現(xiàn)了實驗完整、高效、綠色、環(huán)保。2018年，“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實驗”被遴選為國家級虛擬仿真實驗教學項目。

表1 覆蓋實驗全流程的形成性實驗考核體系