醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用※

王宏寶 劉慧萍 喻 嶸 葛金文 張國民 肖 藝 黃姍姍 陽力爭 莫 莉 盧麗麗

（湖南中醫(yī)藥大學(xué)，長沙410208）

醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用※

王宏寶 劉慧萍*喻 嶸*葛金文 張國民 肖 藝 黃姍姍 陽力爭 莫 莉 盧麗麗

（湖南中醫(yī)藥大學(xué)，長沙410208）

隨著國內(nèi)各高校教育改革的深入，各高校都非常重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，如何在有限的條件下強(qiáng)化醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果呢？虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為我們提供了一個(gè)很好的輔助教學(xué)平臺(tái)。本文介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用，對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用進(jìn)行了初步探討，對(duì)于如何進(jìn)一步提高醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了一些合理的建議。

虛擬實(shí)驗(yàn)；機(jī)能學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等醫(yī)藥學(xué)教育的重要組成部分，是一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)和提高學(xué)生基本技能、綜合能力、創(chuàng)新能力。醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程主要包括觀察生物的正常生理生化反應(yīng)、研究疾病發(fā)生機(jī)制、分析干擾因素的影響及藥物的作用與效應(yīng)三大方面。醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，大部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是需要使用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物來完成的，但受到教師人數(shù)、課時(shí)安排、儀器數(shù)量、耗材費(fèi)用、動(dòng)物經(jīng)費(fèi)、生物安全性等因素的制約，不能完全滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求。利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)等多種技術(shù)結(jié)合而建立的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)操作有機(jī)地結(jié)合在一起［1］，為醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)全新的可以獲得各種知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的輔助教學(xué)平臺(tái)。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用

國外較早出現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室有用來提高計(jì)算機(jī)圖形藝術(shù)表現(xiàn)及仿真的VSL虛擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、用于化學(xué)工程的VRICHEL虛擬實(shí)驗(yàn)室等。1989年，美國的威廉·沃爾夫教授首先提出了“虛擬實(shí)驗(yàn)室”的概念，因?yàn)槠鋸V闊的應(yīng)用前景在各國得到了大力開發(fā)。1992年美國東卡羅來納州立大學(xué)等大學(xué)共同創(chuàng)建了VREL實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室倡導(dǎo)把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域。目前，國外許多院校已在工程學(xué)、航空航天學(xué)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)［2］。

國內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)起步較晚，但近10年來發(fā)展速度很快。目前在清華大學(xué)、北京大學(xué)等高校和科研單位陸續(xù)開展了虛擬實(shí)驗(yàn)方面的研究，開發(fā)了虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、物理虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)等各類虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還有虛擬汽車設(shè)計(jì)系統(tǒng)、虛擬外課手術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、虛擬工程原型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等，各類虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已投入市場，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用［3］。一些學(xué)者對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)所具有的潛在能力進(jìn)行了研究，認(rèn)為與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┚_的測量，達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

雖然國內(nèi)外有大量的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于各學(xué)科的教學(xué)與研究，但與醫(yī)學(xué)相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在國內(nèi)并不多，國內(nèi)現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)類虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只有診斷學(xué)、機(jī)能學(xué)、顯現(xiàn)形態(tài)學(xué)這三種，隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展這類擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)均需不斷完善。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

2011年我校醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)室購置了一套醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在日常教學(xué)中發(fā)揮了很大的作用。

首先，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成為理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。學(xué)校安排實(shí)驗(yàn)課時(shí)通常會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排一些實(shí)驗(yàn)方法經(jīng)典、實(shí)驗(yàn)簡單且用時(shí)不長（一般不超過4個(gè)學(xué)時(shí)）、實(shí)驗(yàn)效果好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，許多科研中常用的步驟復(fù)雜、用時(shí)較長、需要用到特殊設(shè)備的實(shí)驗(yàn)方法并沒有做為常規(guī)實(shí)驗(yàn)面向全校學(xué)生開設(shè)［4］。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前可以在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，這樣能夠提高學(xué)生在實(shí)際操作中的手術(shù)成功率、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，提升實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及各類材料的利用率。同學(xué)們也可以選擇虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的任一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目觀看演示、進(jìn)行虛擬手術(shù)操作，學(xué)會(huì)設(shè)備的使用，了解許多實(shí)驗(yàn)相關(guān)的原理與應(yīng)用。

其次，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用為實(shí)驗(yàn)室節(jié)約了部分經(jīng)費(fèi)。掌握一定量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法是醫(yī)學(xué)研究的必要手段，也是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課的一個(gè)主要目的，但是，要熟練掌握動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法，勢必需要用到大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。因?qū)嶒?yàn)教學(xué)時(shí)間有限、次數(shù)有限、學(xué)生操作不熟練，為保證實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)室在制定實(shí)驗(yàn)動(dòng)物計(jì)劃時(shí)增加少量的備用動(dòng)物。實(shí)驗(yàn)室將虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是希望今后學(xué)生的操作技術(shù)有所提高。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)的仿真現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物手術(shù)的仿真。學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)課安排或依據(jù)自己的興趣選擇生理、藥理、病理生理等學(xué)科，點(diǎn)擊進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)虛擬的動(dòng)物進(jìn)行手術(shù)，就像是在進(jìn)行一場真實(shí)的手術(shù)，還可以反復(fù)練習(xí)、反復(fù)修改，如此教學(xué)，在節(jié)省了人力、物力、財(cái)力同時(shí)，還可為學(xué)生提供更多的操作機(jī)會(huì)，使他們熟練掌握實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)，了解實(shí)驗(yàn)操作的每一個(gè)步驟，在進(jìn)行真實(shí)的動(dòng)物手術(shù)時(shí)能一次性完成實(shí)驗(yàn)既定目標(biāo)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

另外，可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)創(chuàng)造一個(gè)自由靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分利用實(shí)驗(yàn)室資源。學(xué)會(huì)了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作方法以后，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作有興趣的學(xué)生可以在課余時(shí)間向?qū)嶒?yàn)室提出申請(qǐng)，在虛擬實(shí)驗(yàn)室空閑時(shí)到實(shí)驗(yàn)室選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)、操作，學(xué)生能夠在輕松自由的環(huán)境里建立自主學(xué)習(xí)技能的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生可以把虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)到的知識(shí)和技能運(yùn)用于實(shí)踐，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)豐富的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料、設(shè)計(jì)方案，也可以為學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供幫助。作為實(shí)驗(yàn)室的教師也非常歡迎學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，這樣即滿足了同學(xué)們的學(xué)習(xí)需求，又提高了實(shí)驗(yàn)室、儀器設(shè)備的使用率［5］。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)尚需完善的幾點(diǎn)建議

經(jīng)過兩年多的使用，醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起到了很好的教學(xué)輔助作用，但在使用中我們也發(fā)現(xiàn)了一些需要改進(jìn)的地方。

3.1需要增加更多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和物理、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)一樣，醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要用到各種動(dòng)物，相同藥物應(yīng)用于不同的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物會(huì)產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因而實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中應(yīng)多收錄一些針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及了解剖學(xué)、生理學(xué)、病理生理學(xué)、藥理學(xué)等多門學(xué)科，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括了動(dòng)物的血壓、呼吸、心電、行為學(xué)、藥效對(duì)比、藥物間的相互作用等實(shí)驗(yàn)，還應(yīng)該補(bǔ)充一些較先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法，尤其是科研實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容，例如：動(dòng)物無創(chuàng)或微創(chuàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)動(dòng)物各項(xiàng)生理指標(biāo)的觀察、電生理實(shí)驗(yàn)原理與操作、各類動(dòng)物模型的造模方法等。

3.2增加失誤應(yīng)急處理方法醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在操作時(shí)都是理想化效果，給人一種過于完美的感覺，而缺少了真實(shí)感。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會(huì)因?yàn)椴皇炀毘霈F(xiàn)操作失誤。例如：抓拿大鼠時(shí)如果部位不正確，大鼠會(huì)扭動(dòng)、無法給藥，甚至反咬操作者；進(jìn)行頸部手術(shù)操作血管破裂發(fā)生出血。一旦出現(xiàn)這些情況老師會(huì)迅速針對(duì)不同的操作失誤告訴學(xué)生采用正確的處理方式。在醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中如果加入這些元素，將會(huì)使操作者感到更加真實(shí)，增加醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的帶入感。

3.3虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無法完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)很多，但與實(shí)物操作之間還是存在一定的差異，虛擬實(shí)驗(yàn)的過程是看不到、摸不著的，實(shí)際操作過程中出現(xiàn)的各種復(fù)雜情況也是虛擬實(shí)驗(yàn)中無法完全復(fù)制的，因此虛擬實(shí)驗(yàn)不能完全取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。比如在兔動(dòng)脈血壓實(shí)驗(yàn)中：麻醉前的抓拿、稱重，麻醉給藥時(shí)同學(xué)間的相互配合，通過觀察動(dòng)物體征確認(rèn)麻醉程度，頸總動(dòng)脈分離過程的規(guī)范化操作等等，這些都需要學(xué)生通過實(shí)際操作親身體驗(yàn)才能掌握各步聚中的細(xì)節(jié)、要點(diǎn)及注意事項(xiàng)［6］。

醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，是一種非常好的輔助教學(xué)手段。醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相較于國內(nèi)其他較成熟的虛擬教學(xué)系統(tǒng)而言尚處于起步階段，并且因其實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、實(shí)驗(yàn)方法、儀器設(shè)備的多樣性，還需要我們進(jìn)行深入的研究與探索，并跟據(jù)醫(yī)、藥學(xué)的發(fā)展不斷擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使之更加完善，進(jìn)一步提高我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量［7］。

［1］劉慧中，周金娥，李月琴，等．虛擬實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，16（1）：98-100．

［2］高宏遠(yuǎn)，文福安，李建偉．虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)的分析與探討［J］．中國教育技術(shù)裝備，2012，24：37-38．

［3］賈文華．基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目的建設(shè)與探討［J］．中國科教創(chuàng)導(dǎo)刊，2013，2：25．

［4］李超彥，李德恒，張志國．機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用探討［J］．中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2012，10（24）：85．

［5］單菊芬．淺析虛擬實(shí)驗(yàn)與教學(xué)應(yīng)用［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，35：178．

［6］劉慧萍，張國民，葛金文，等．構(gòu)建立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)培養(yǎng)創(chuàng)新型中醫(yī)藥人才［J］．中外健康文摘，2012，9（27）：39-41．

［7］劉慧萍，喻嶸，張國民，等．專業(yè)學(xué)位研究生中醫(yī)素質(zhì)與技能養(yǎng)成教育模式改革與實(shí)踐［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013，（1）：188-190．

Vir t ual Ex p e rime n t Sy s te m in Ex p e rimen t Tea c hin g o f Me dic al Fu n c tio n t o t h e Ap plica tio n

W ang Hongbao Liu Huiping?Yu Rong?Ge Jinw en Zhang Guomin Xiao Yi Huang Shanshan Yang Lizheng M o Li Lu Lili
（Hunan University of traditional Chinesemedicine，Changsha，410208，China）

Along with the development of the domestic various universities education reform，universities are very attaches importance to the development of experiment teaching，how to strengthening medical function experiment teaching effect in limited conditions？Virtual experiment system provides us with a good auxiliary teaching platform．This paper simply introduces the application of virtual experiment system，both at home and abroad．For virtual experiment system in experiment teaching of medical function role has carried on the preliminary discussion，for how to improve the medical function to improve step of virtual experimental teaching put forward some reasonable suggestions．

Virtual experiment；Functional；Experiment teaching

10.3969／j.issn.1672-2779.2014.07.060

：1672-2779（2014）-07-0084-02

楊 杰 本文校對(duì)：師振予

2013-12-17）

湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題［No：2013-131，203，204］；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目［No：2011-508，2012-205］；湖南省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目［No：JG2011B028］；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心資助項(xiàng)目；湖南省重點(diǎn)學(xué)科中西醫(yī)結(jié)合基礎(chǔ)資助項(xiàng)目；湖南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目［No：15］湖南中醫(yī)藥大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目［No：2011-JG039，2011-JG004，2011-JG001，2011-JG037，2012-JG034］；湖南中醫(yī)藥大學(xué)病理學(xué)與病理生理學(xué)重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目

*通訊作者