虛擬實驗室與組織胚胎學實驗教學

劉勝兵， 王鑫泉， 曹利仙， 郭燕君， 沈忠飛， 徐 營

（嘉興學院醫(yī)學院人體解剖與組織胚胎學教研室，浙江嘉興 314001）

0 引言

1989年，美國William Wulf教授提出了虛擬實驗室概念。虛擬實驗室中使用虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術，綜合了各種計算機技術和網(wǎng)絡技術，是現(xiàn)代仿真技術的延伸［1-2］。其由計算機模擬真實的環(huán)境，參與人員通過相應的設備對虛擬環(huán)境中的目標進行操控，進行交流，從而產(chǎn)生同真實環(huán)境相同或相近的體驗［3］。而通過VR技術教學，對教學內(nèi)容進行仿真模擬，也在很多學科中得到了較好的應用。通過VR模式教學，學生和虛擬空間的互動形成無形課堂，使得教學活動的時間和空間得到最大限度的擴大［4］，在網(wǎng)絡普及的今天，這種互動也很容易得到實現(xiàn)。

組織學與胚胎學作為一門醫(yī)學基礎課程，其容量大，內(nèi)容抽象［5-6］，雖然現(xiàn)在教學中采用多媒體教學，同時很多內(nèi)容配有動畫，但這些教學手段也有很大的局限性，有些內(nèi)容學生仍然很難理解［7］。在原有的教學技術和手段下，合理應用虛擬實驗室，通過虛擬環(huán)境替代或互補傳統(tǒng)的實驗模式。有助于學生對內(nèi)容的理解和掌握，也是一種全新的嘗試。

1 虛擬實驗室在組織胚胎學實驗教學上應用的必要性

組織胚胎學實驗內(nèi)容主要分組織學實驗和胚胎學實驗。組織學實驗中主要通過顯微鏡觀察相關組織結構，傳統(tǒng)的顯微鏡觀察對剛接觸組織學的同學來說，難度較大。從立體結構到光學顯微鏡下平面結構的思維轉(zhuǎn)換，需要一個很長的適應過程，而且作為醫(yī)學一年級的學生，在理論課上知識的積累和掌握主要是依賴于機械性的記憶來完成，沒有形成完整的理論知識體系。實驗課上，學生對結構的直觀感覺來源于顯微鏡，顯微鏡下觀察的結構比較固定，因此大部分學生會感到抽象、枯燥和不容易理解而失去學習的興趣和熱情。VR技術提供的虛擬實驗室通常不受時間和空間的約束，同時VR提供的實驗環(huán)境和現(xiàn)實接近［8］，易于學生理解和操作，學生參與其中，通過人機對話，成為虛擬環(huán)境中的參與者和主導者，這樣容易激發(fā)學生的學習興趣，也有助于對內(nèi)容的理解。VR技術可以虛擬組織或細胞的立體結構，配合聲音和動畫，然后從不同的角度演示立體到平面的演變，使初學者從不同的角度去理解這樣的轉(zhuǎn)換，對平面結構有直觀的感覺。傳統(tǒng)的胚胎學實驗，都是以觀察標本和模型為主，現(xiàn)在由于多媒體技術的發(fā)展，實驗課中通常可以配合相應的動畫，幫助理解胚胎發(fā)育過程中的變化，但是標本、模型和簡單的動畫，很難體現(xiàn)胚胎發(fā)育過程中的結構變化，很難立體的再現(xiàn)各個組織和器官發(fā)生的過程以及位置的變化。而VR技術充分利用多媒體技術，大量應用實驗照片、視頻、音頻素材并配合逼真的動畫，可以為學生創(chuàng)造虛擬真實的實驗環(huán)境，充分達到清晰、美觀的視覺效果［9］，因此可以通過VR技術模擬從受精到胎兒分娩過程中的關鍵事件，多角度、立體的直觀展示胚胎發(fā)生的變化過程，使學生從各個角度去觀察胚胎發(fā)生的過程，可以加深對理論上內(nèi)容的理解。

2 虛擬實驗室可以承接解剖學和組織胚胎學

人體解剖學和組織胚胎學同作為重要的醫(yī)學基礎課程，兩門課程之間聯(lián)系密切，這兩門課程的開設時間并不在同一學期。很多同學在學習組織胚胎學時，通常很難去聯(lián)系先前所學的解剖學知識。事實上，解剖學和組織胚胎學在內(nèi)容上有很多承接，通過回顧解剖學的內(nèi)容而引入組織胚胎學的知識，有助于同學的理解。從大體結構到微細結構的順利過渡，普通的多媒體教學，很難做到這一點。而通過VR技術，可以把解剖學和組織學的相關知識進行串聯(lián)，形成一個系統(tǒng)的形態(tài)學知識體系。在解剖學的教學上，VR技術已有應用。德國漢堡Eppendorf大學醫(yī)學院就曾建立了一個的虛擬的人體系統(tǒng)［10］，運動系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等許多器官是三維可視的，學生可以自行模擬解剖過程［11］。現(xiàn)在可以對各個器官的解剖結構進行進一步的延伸，從器官到組織再到具體的細胞，形成一個體系。通過虛擬實驗室，可以實現(xiàn)從器官到組織和細胞，讓學生從大體結構到微觀結構進行逐步觀察，形成一個循序漸進的體系，有助于學生對微觀結構的理解和掌握。

3 虛擬實驗室可以有效模擬不同知識情景

VR技術可以模擬各種不同的疾病和系統(tǒng)癥狀，通過一些疾病的發(fā)生過程和癥狀的場景模擬，讓學生更直觀地理解細胞的結構和功能。例如，在講述肥大細胞的結構和功能的時候，可以通過虛擬實驗室，設計一個過敏反應的病例，虛擬顯現(xiàn)出從過敏原進入機體到肥大細胞脫顆粒這樣一個過程，再現(xiàn)過敏反應的一般癥狀，使學生在疾病的發(fā)生過程的場景模擬中，自然地掌握了相關細胞和組織的機構和功能。通過VR技術，應用虛擬實驗構建合適疾病情景，這樣的知識情境不但有助于增強學生對知識的理解，也能激發(fā)學生學習的動機，為知識有效遷移提供有力支持，拓展了教學與學習內(nèi)容，為學生搭建理論與實踐緊密聯(lián)系的橋梁。對于組織胚胎所涉及的實驗操作，有些實驗可以讓學生動手操作，有些由于各種條件的局限性，不能由學生自己動手完成。而通過VR技術來模擬相關的實驗過程，使學生可以比較系統(tǒng)的了解組織胚胎學相關的實驗技術，拓寬知識面，增加對所學內(nèi)容的理解。建立虛擬實驗室，可以利用數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術等建立與現(xiàn)實實驗室功能相似的、可視化的三維實驗環(huán)境［12］。在此環(huán)境中的學生，有自己的操控自由，可以實現(xiàn)各種實際的甚至現(xiàn)實實驗中不能完成的實驗以及想象的實驗場景。這樣突破了實驗教學的時間與空間的限制，降低了實驗教學對現(xiàn)有實驗條件的依賴性。VR技術可以使一些枯燥的、或現(xiàn)實實驗條件中難于完成的實驗，得以虛擬重現(xiàn)，這樣有利于學生對知識的全面掌握，培養(yǎng)學生的學習興趣，提高學生的創(chuàng)新能力，為以后的臨床和科研工作打下堅實的基礎。

4 虛擬實驗室在實驗教學應用中的局限性

虛擬實驗室單純依賴電腦，學生對虛擬環(huán)境中的實驗設備和各種試劑沒有直觀的體驗［13］，因而無法獲得和現(xiàn)實實驗操作相同的體驗。VR技術主導的虛擬實驗對學生來說，只能起到過程的重現(xiàn)和一些的實驗技術的演示，學生只有在現(xiàn)實中才能得到訓練。而且學生在現(xiàn)實實驗操作過程中經(jīng)常會出現(xiàn)的一些不規(guī)范方法和一些容易疏忽的細節(jié)，在VR技術中，往往得不到實際的操作體驗和明顯的體現(xiàn)［14］。VR技術還不能系統(tǒng)顯現(xiàn)實驗操作和實驗教學中的系統(tǒng)性，對學生分析問題和解決問題能力上的培養(yǎng)還有所欠缺［15］。因此，我們在應用VR技術的同時，還是要結合傳統(tǒng)實驗模式，取長補短，提高實驗課的效果，讓學生更好、更多的去接觸和掌握實驗內(nèi)容。任課教師也應該充分熟悉和了解VR技術，充分利用VR技術，發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢。

5 結語

虛擬實驗室涉及到多學科多領域的交叉和融合［16］，在醫(yī)學形態(tài)學實驗教學上，其可以提高實驗教學效果：有效的對相關學科進行承上啟下;更方便地結合基礎與臨床;讓學生系統(tǒng)的接觸本學科的實驗操作過程。雖然VR技術優(yōu)點很多，但在現(xiàn)時的教學情況下，還應該結合部分的傳統(tǒng)實驗教學，以彌補虛擬實驗室所面臨的不足。

（References）：

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