計算機仿真在醫學細胞生物學教學中的應用

醫學細胞生物學是基礎醫學和臨床醫學之間的橋梁學科，是醫學各專業的一門重要的基礎醫學課程，它是以細胞生物學和分子生物學為基礎，研究人體細胞的形態與結構、發生與發展、增殖與分化、遺傳與變異、興奮與運動、信息傳遞、衰老與死亡等生命活動規律以及疾病的發生機制和防治的科學。其內容抽象、微觀結構多，這就決定了醫學細胞生物學教學內容以描述為主，直觀、形象、生動是其顯著特點。在過去的教學中主要靠講授的同時配合多媒體等教學手段，能達到一定的教學效果，但有些內容就難以處理，學生不好掌握，計算機仿真技術可謂是雪中送炭。

一計算機仿真技術概述

1定義

“仿真”一詞譯自英文Simulation，另一個曾用的譯名是“模擬”。1961年G·W·Morgenthler[1]首次對仿真一詞作了技術性的解釋，認為“仿真”是指在實際系統尚不存在的情況下，對系統或活動本質的復現。而計算機仿真(Computer Simulation)[2]又稱計算機模擬(Computer Analogy)[3]或計算機實驗。所謂計算機仿真是指在實體尚不存在或者不易在實體上進行實驗的情況下，先通過對考察對象進行建模，用數學方程式表達出其物理特性，然后編制計算機程序，并通過計算機運算出考察對象在系統參數以及內外環境條件改變的情況下，其主要參數如何變化，從而達到全面了解和掌握考察對象特性的目的。

計算機仿真技術是一種分析和研究系統運行行為、揭示系統動態過程和運動規律的一種重要手段和方法。近年來，隨著系統科學研究的深入，控制理論、計算技術、計算機科學與技術的發展，計算機仿真技術已發展成一門新的學科。信息處理技術的突飛猛進，更使得仿真技術得到迅速發展。

2特點

計算機仿真是利用計算機科學和技術的成果建立被仿真的系統的模型，并在某些實驗條件下對模型進行動態實驗的一門綜合性技術。它具有高效、安全、受環境條件的約束較少、可改變時間比例尺等優點，已成為分析、設計、運行、評價、培訓系統（尤其是復雜系統）的重要工具。

（1）模型參數任意調整

模型參數可根據要求通過計算機程序隨時進行調整、修改或補充，使人們能夠掌握各種可能的仿真結果，為進一步完善研究方案提供了極大的方便。

（2）系統模型快速求解

借助于先進的計算機系統，人們在較短時間內就能知道仿真運算的結果(數據或圖像)，從而為人們的實踐活動提供強有力的指導。這是通常的數學模型方法所無法實現的。

（3）運算結果準確可靠

只要系統模型、仿真模型和仿真程序是科學合理的，那么計算機的運算結果一定準確無誤(除非機器有故障)。因此，人們可毫無顧慮地應用計算機仿真的結果。

（4）實物仿真形象直觀

把仿真模型、計算機系統和物理模型及實物聯結在一起的實物仿真(有些還同時是實時仿真)，形象十分直觀，狀態也很逼真。

3應用

計算機仿真技術是以數學理論、相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一門綜合性技術。它集成了計算機技術、網絡技術、圖形圖象技術、面向對象技術、多媒體、軟件工程、信息處理、自動控制等多個高新技術領域的知識。

計算機仿真的用途非常廣泛，已經滲透到社會的各個領域。如在核領域，未來的核試驗不用核彈而是用計算機仿真模擬來進行。1996年9月10日聯合國通過了《全面禁止核試驗條約》，但是條約只是說明核試驗在實爆方面的結束，俄羅斯軍事專家說：“許多西方發達國家，即使不進行核試驗，也能運用高速大規模計算機，在三維空間對核爆炸全過程進行全方位模擬。”這是目前的現實。據外界估計，到目前為止，能進行計算機模擬仿真核試驗的國家和地區有：美國、俄國、英國、法國、中國、日本及臺灣地區。

在我國已經實現了計算機仿真技術在生命科學領域中的應用，主要是通過建立人體模型或動物模型來進行一些參數的研究。例如：一些醫學研究室通過建立神經網絡系統模型來研究藥物的行進或者通過建立人體膝關節模型并設定參數來研究它的力的承受范圍。

二醫學細胞生物學教學

醫學細胞生物學教學所采用的方法一般是理論教學法，主要依據課本來進行講授；更進一步可將課本上的知識與多媒體等技術結合起來，或者采用PBL教學法提高學生學習的主動性[4]。

1PBL教學法的應用

PBL是指在臨床前期或臨床課中，以病人問題為基礎，以學生為中心的小組討論式教學。討論中，學生圍繞問題進行思維、推理和分析，教師不直接回答學生的問題，只起導向作用，維持小組學習向既定的教學目標行進。其特點是打破學科界限，圍繞問題編制綜合課程；教師為引導，學生為中心；以獲得基本知識培養有效運用已有的知識，去理解獲取新知識，解決新問題的能力作為教學目標。其教學過程大致分為：提出問題—自學解疑—重點講授和總結歸納。它是近年來國內外醫學教育改革的熱點。傳統的教學法具有傳授信息量大、進展速度容易掌握、系統性強的特點，但不能很好地激發學生的學習主動性，而PBL教學法能提高學生學習的主動性，培養其創造性思維的能力。

2多媒體教學的應用

醫學細胞生物學的教學普遍存在教材內容多、課時安排少的矛盾，多媒體技術通過感官綜合刺激獲取的信息量比僅聽教師的講解要多得多；再者，它還具有靈活多變的形式，把圖片、動畫等媒體素材呈現出來，激發了學生學習的興趣，同時節約了教師大量的板書時間，極大地提高了教學效率[5]。

三計算機仿真與醫學細胞生物學的結合

計算機仿真技術是作為分析和研究系統運行行為、揭示系統動態過程和運動規律的一種重要手段和方法。近年來，隨著系統科學研究的深入，控制理論、計算技術、計算機科學與技術的發展，計算機仿真技術已發展成一門新的學科。信息處理技術的突飛猛進，更使得仿真技術得到迅速發展。

計算機仿真技術所具備的模型參數可任意調整、快速準確、動畫顯示實物形象直觀等這些不受環境、時間和空間限制的優點若與醫學細胞生物學結合起來將產生巨大的影響。尤其是基于視景仿真和視景三維建模技術等從眾多方面對人體細胞的各系統進行模擬并以動畫的方式顯現出來，通過參數的設定而將暫時看不到結果或影響的例證通過高科技手段顯現出來，這些對于細胞各組分與疾病關系的探討將非常有幫助。比如對“蛋白質合成的信號假說”和“G蛋白介導的第二信使信號通路”相關內容講述時，單純的動畫展示和講述的結合很生硬，如果用上仿真技術則會讓學生身臨其中，整個接受過程會變得流暢而簡單，這部分對于學生來說曾晦澀難懂、抽象的內容就會變得生動形象起來，在過程中改變一些參數，效果將更加直觀。當然，個人來實現比較困難，但在整個學科中推廣開來則會變得簡單，大家可資源共享。

科研的進步可以激發教學的進步，通過對一些病理和病例及復雜的組織和結構的仿真，如內質網和高爾基體的復雜結構，知識會更加容易理解和接受。有了新的研究成果就會進一步促進醫學細胞生物學的教學，將相應的教學方法再加上配套的教學手段、哪章內容更適合如何呈現給學生[6-7]，把這些都融會貫通到一起，相信我們對醫學本科生的培養會更上一個臺階。

參考文獻

[1]李書臣，趙禮峰.仿真技術的現狀及發展[J].自動化博覽，2000(1).

[2]Law A M，Kelton w D.Simulation?modeling and analysis[M].McGraw HiU，Inc，1991.[3]Drago Matko.Simulation?and?Modeling of Continuous? System[M].Prentice Hall，1992.

[4]于海濤，岳麗玲，樸賢玉，王玉.PBL教學法在醫學細胞生物學教學中的實踐和探索[J].醫學研究雜志，2006(2).

[5]彭琬昕，龔愛華，金潔，邵根寶.關于醫學細胞生物學中多媒體課件運用的幾點體會[J].考試周刊，2010(25).

[6]胡建國，鮑明升，唐寶定，廖亞平，等.醫學細胞生物學.教學方法實踐與探討[J].蚌埠醫學院學報，2011(7).

[7]曾杰，羅玥佶，禹華旭，李廣意，等.醫學細胞生物學教學方法實踐與探討[J].基礎醫學教育，2011(12).