對醫學院校構建虛擬實驗室的思考

張 偉 ，張雁容

（1.西北師范大學教育技術與傳播學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅中醫學院，甘肅 蘭州 730000）

對醫學院校構建虛擬實驗室的思考

張 偉1，2，張雁容2

（1.西北師范大學教育技術與傳播學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅中醫學院，甘肅 蘭州 730000）

綜述虛擬實驗室的內涵和功能、國內外研究與應用現狀及構建關鍵技術，并就醫學院校構建虛擬實驗室的可行性及重要性進行初步分析。

醫學院校；虛擬實驗室；實驗教學

實驗教學是醫學院校教學的重要組成部分。構建符合各專業人才培養目標的實驗教學體系，是促進學生理論聯系實際，提高實踐能力，增強創新意識，培養高素質專業人才的有效途徑。經多年研究和探索，尤其是通過教育部本科教學工作水平評估，醫學院校的實驗教學工作有了很大發展。但長期以來，受辦學基礎薄弱、經費緊張、投入不足等因素制約，醫學院校實驗教學依然存在一些問題，主要表現在以下方面：（1）驗證性、演示性實驗多，綜合性、設計性實驗少；（2）儀器設備數量偏少，更新換代速度較慢；（3）實驗教室有限，實驗場地擁擠；（4）理論課時較多，實驗課時偏少；（5）新辦專業缺乏成熟的配套實驗教材，傳統專業實驗教材內容陳舊，教學方法單一；（6）實驗師資不足，教師知識更新不夠等。這些問題勢必影響醫學院校教學質量和專業認證，影響學生創新能力的培養。因此，探討構建符合醫學院校各專業人才培養目標，挖掘已有教學資源，易于管理的實驗教學體系勢在必行。

隨著計算機網絡技術的發展，使得以網絡技術為支撐的遠程教育得到迅速發展，并取得重大成就，加快了實驗教學改革進程。近年來，國內外許多醫學院校及科研機構紛紛提出虛擬實驗室的概念，即利用圖形、語音、視頻、動畫等多種技術，用戶可以通過網絡身臨其境地觀察實驗現象，給用戶提供一個基于網絡的技術交流、共同研究的平臺。隨著虛擬實驗室技術的不斷成熟，虛擬實驗室具有低成本、高效率、功能全等優點，越來越廣泛地應用于高校科研、教學方面，并取得了許多成效[1]。

1 虛擬實驗室的內涵及功能

虛擬實驗室（Virtual laboratory）的概念，最早在1989年由美國University of Virginia的William Wolf教授提出，用來描述計算機網絡化的虛擬實驗室環境，它是指借助圖形（圖像）、仿真和虛擬現實等技術，在計算機上創建一個可視化的虛擬實驗環境。其中，每一個可視化器件代表一種實驗器材，無論是學生還是教師都可以隨時進入虛擬實驗室操作儀器，通過鼠標的點擊與拖拽，進行各種實驗[2]。虛擬實驗室包括注冊登錄管理、實驗預約、實驗預習、設備教學、虛擬實驗、實驗報告管理、實驗考核評價、實驗成績管理、實驗資源下載等功能[3]。

2 國內外虛擬實驗室研究與應用現狀

虛擬實驗室的研究和應用受到許多研究機構及軟件供應商的重視，在網絡技術應用工作開展較早的美國巴爾的摩約翰霍浦金斯大學化學工程系的卡爾威教授在電腦網絡上建立了一個虛擬實驗室，讓工程系的學生通過網絡做實驗，嘗試解決工程上遇到的各種問題，在“電子工作”的軟件系統中利用虛擬實驗室提供的元件構造各種模擬電路和數字電路，并能動態地測試電路的性能[4]。1995年，網絡上出現了“虛擬青蛙解剖”實驗，“實驗者”可以用虛擬手術刀層層分離青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織。目前，國際上具有代表性的生物、醫學虛擬實驗室有：Howard Hughes醫學研究院（HHMI）開發的細菌鑒定實驗室、心臟病實驗室、免疫實驗室、神經生理學實驗室等；諾貝爾基金會（The Nobel Foundation）開發的虛擬生化實驗室。

近年來，國內虛擬實驗室建設也得到了迅速發展，最具代表性的是一些著名大學開發出的遠程教學虛擬實驗室，涉及物理、化學、生物、醫學等多門學科，如清華大學的汽車發動機檢測虛擬實驗室、華中科技大學的工程測試虛擬實驗室、國防科技大學的現代測控技術與應用虛擬實驗室等，但規模都較小，功能還不完善[5]。2003年初，我國第一軍醫大學宣布完成了國內首例女虛擬人的數據采集。利用遠程醫療虛擬現實系統，醫生只需對虛擬病人模型進行手術，并通過網絡將醫生動作傳送到網絡另一端的手術機器人，由機器人對危急病人實施遠程手術。手術實際進展的圖像也可通過機器人攝像機實時傳給醫生的頭盔立體顯示器并將其與虛擬病人疊加，以便醫生實時掌握手術情況并發出手術指令[6]。上海交通大學對虛擬人體運動建模的研究頗有特色[7]。第二軍醫大學生理學教研室從20世紀90年代開始，對生理學虛擬實驗進行初步探索，曾對“蛙心灌流”“哺乳動物血壓調節”以及“動作電位的產生機制和記錄方法”等實驗進行了成功的模擬，并先后在國內生理學界的教學和計算機應用大會上進行交流，獲得了好評。近年來，他們對原有實驗進行升級，完成了多種實驗軟件設計、調試和驗證，初步建成了機能學虛擬實驗室[8]。

3 構建虛擬實驗室的關鍵技術

虛擬實驗室應具備以下特征：與現實操作的一致性、信息反饋的實時性、感受的逼真性、實時的交互性、較強的擴充性、高度的開放性和資源的共享性，能保證實驗操作的安全和快速，高效地滿足教學需求。因此，要實現這些目標，需要具備以下基本技術條件[1，2，9～11]。

3.1 硬件支持

虛擬實驗室系統的硬件環境由3部分構成。

3.1.1 遠程客戶端 客戶端計算機在嵌入腳本后，具有允許腳本和動態組件運行的瀏覽器功能，同時具備實現虛擬顯示所必須具有的音頻、視頻等多媒體I/O設備。在實際開發應用中，應盡量實現瘦客戶端，以降低客戶端的接入要求。

3.1.2 傳輸數據通道 接入網絡的虛擬實驗室的數據傳輸量較龐大，因此，需要采用基于虛擬現實傳輸協議VRTP的高速通信網絡，以便實現三維模型數據構成的虛擬環境多點傳送。

3.1.3 服務器 Web服務器：接收客戶端請求數據，并根據相應請求提交給對應的應用程序服務器處理;應用程序服務器：處理由Web服務器轉交的對虛擬實驗儀器的請求，由安裝虛擬儀器（VI）開發平臺的計算機及相關接口組成。

3.2 軟件支持

3.2.1 虛擬現實 虛擬現實（VR）是一門涉及計算機、傳感與測量、仿真、微電子等技術的綜合集成技術，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統；虛擬環境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境的交互式環境仿真。使用VR時要注意運用動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術、虛擬現實模型語言技術等。

3.2.2 Flash技術 Flash CS3作為矢量多媒體技術是為創作網絡交互式動畫而開發的，其腳本語言Active Script支持面向對象技術，通過它可開發出具有很強交互功能的網絡動畫。Active Script還提供了XML Socket的組件，支持將XML對象通過Socket發送，并可以由服務器接收數據。

3.2.3 數據庫技術 數據庫技術在虛擬實驗室的應用已從起步、發展階段，逐漸走向成熟。設備基本信息、實驗處理信息、學員教師信息、中斷信息存儲等，基本都采用數據庫進行管理，這樣實驗者才能較好地進行操作并控制實驗進度。

3.2.4 ActiveX控件技術 ActiveX控件是基于COM和COM+的通用組件。可以利用VC、Delphi等進行ActiveX控件開發。ActiveX技術允許不同軟件開發的組件在網上進行互相操作。在開發過程中一個實驗儀器可以在多個實驗環境中重復使用。

4 醫學院校構建虛擬實驗室的可行性

（1）基本具備虛擬實驗室構建的支撐條件。目前醫學院校基本建成了千兆校園網，可實現百兆到桌面，方便師生在辦公室或宿舍使用，不受時空限制，現有網絡傳輸速率完全滿足傳輸數據通道的要求。（2）可選用平民化、大眾化的虛擬技術。醫學院校開設的專業不多，實驗室數量、學生人數和開設的實驗相對較少，因而，可充分挖掘學院現有資源，以平民化、大眾化的虛擬技術創建虛擬實驗室。（3）擁有一批計算機網絡應用專業人才，能對虛擬實驗室構建、運行、維護和管理提供直接技術支持。（4）許多學科已積累了大量能實現虛擬現實的素材。如許多實驗性較強的基礎課、專業基礎課和專業課開設的大量實驗等。

5 醫學院校構建虛擬實驗室的重要性

5.1 創新實驗教學模式

利用現有校園網將實驗設備、實驗教學內容、教師指導和學習者的操作有機融為一體，能克服資源、課堂、課時的制約，延伸實驗教學，為醫學院校實驗教學改革和專業認識提供新亮點。

5.2 實現理論教學與實驗教學一體化

能將實驗原理、方法與虛擬實驗儀器、實驗環境相結合，便于理論教學與實驗教學有機結合。

5.3 利于設計性、綜合性、創新性實驗的開設

開設設計性、綜合性、創新性實驗是虛擬實驗室又一重要應用形式，這類實驗由于內容新穎、應用性較強，在實驗室往往無法及時開設。通過虛擬實驗室，可將相應網絡資源進行組合，開發相應實驗，甚至包括一些障礙性、破壞性實驗。

5.4 為學生創造寬松的實驗環境

構建的虛擬實驗環境可使學生預習、分析、設計、消化實驗，營造人性化課堂氛圍。學生可以通過網絡共享實驗資源開展實驗，如遇到不能解決的問題可通過聊天室、電子郵件等通訊方式向教師請教，或與同學進行討論，尋求解決問題的辦法。

5.5 解決實驗設備與師資不足的問題

醫學院校傳統的實驗教學基本是在實驗室完成，受實驗設備數量、實驗耗材數量、指導教師人數、實驗學時等限制，實驗只能分組進行，因而學生接觸實驗設備和儀器的機會很少，大多數學生是在看實驗而不是在做實驗，教學效果不理想。虛擬實驗室能夠容納較多的學生進行實驗，這在很大程度上解決了實驗設備和師資不足的問題。其可以模擬、仿真新設備、新儀器，使學生學習到最先進的知識與技能，以解決實驗設備、儀器更新緩慢的問題，使實驗教學跟上時代發展的步伐。

[1]楊川.虛擬技術在實踐教學中的應用研究[J].廣東通信技術，2008，（9）：60～62.

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[3]寧超，張世英，高巍然，等.網絡虛擬實驗的研究與開發[J].實驗技術與管理，2005，22（4）：76～80.

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[5]李圣良.電類專業虛擬實驗室的構建[J].實驗室研究與探索，2005，24（4）：40～42.

[6]杜光偉，柴慧臻.基于虛擬中國人女性數據集的高分辨率可視化[J].系統仿真學報，2003，15：183～186.

[7]馬永有，張輝，蔣壽偉.虛擬人體動態模型的建立[J].系統仿真學報，2003，15（增刊）：196～198.

[8]夏金輝，韓紅，李瀟寒，等.生理學虛擬實驗室設計建設的幾點體會[J].西北醫學教育，2008，16（1）：109～110.

[9]劉筱蘭，張薇，程惠華，等.虛擬實驗室的類型及發展趨勢[J].計算機應用研究，2004，（11）：8～11.

[10]王莉.基于虛擬實驗室的實驗教學模式的研究與構建[J].科學創新導報，2008，（25）：136～138.

[11]柳凱道，馬春雷.虛擬實驗室架構的設計與實現[J].計算機教育，2007，（10）：277.

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1671-1246（2010）19-0099-03

注：本文為甘肅省教育廳科研項目（0906-01）