虛擬實驗室在醫學實驗教學中的應用研究

石新麗，唐飛羽，孫夢雯，劉景利

(1.河北中醫學院 基礎醫學院，河北 石家莊 050200;2.河北醫科大學 河北省重大疾病的免疫機制及干預重點實驗室，河北 石家莊 050017;3.四川大學 華西基礎醫學與法醫學院，四川 成都 610041； 4.白求恩醫務士官學校 醫學技術系，河北 石家莊 050081)

1 虛擬實驗室的內涵

虛擬實驗室的概念是早在1989年由美國弗吉尼亞大學的Wolf教授提出的，用來描述計算機網絡化的虛擬實驗室環境。虛擬實驗室綜合利用計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計算機生成的逼真的三維虛擬環境中，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互[1-4]。利用計算機，再加一套虛擬實驗軟件，實現“以虛代實”、“以軟代硬”，就相當于建立了一個擁有先進設備的實驗室。用計算機虛擬儀器設備可以進行設備參數測定、操作練習[3]，將冗長枯燥的教學過程改進為“簡單虛擬實驗—簡單實物實驗—復雜模擬實驗—綜合性實物實驗”這一循序漸進的過程，不但增強教學趣味、簡化知識體系，同時也得以確保教學資源的優化與共享[3]。

2 虛擬實驗室在國內外的研究現狀

虛擬實驗室的研究和應用廣受研究機構和軟件供應商的重視。早在1995年，互聯網上便出現了“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：霍華德休斯醫學研究所(Howard Hughes Medical Institute，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(Nobel Foundation)開發的虛擬生化實驗室[1]。

國內虛擬實驗室的建設起步要晚一些，與發達國家還存在一定差距，但發展較快，目前已有部分高校初步建立了虛擬實驗室和各類虛擬教學系統[5]。

2003年初，第一軍醫大學完成了國內首例女虛擬人的數據采集。醫生可以為虛擬病人模型進行手術，并可以利用網絡遠程控制機器人，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遞并與虛擬病人疊加，以便醫生實時掌握手術情況，發出手術指令[6]。

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，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交流會上獲得好評。近年來，他們對原有實驗進行升級，初步建成了機能學虛擬實驗室[1,7]。

3 虛擬實驗室在醫學實驗學教學中的應用

隨著對虛擬實驗室研究的深入和技術的完善，虛擬實驗室在醫學實驗教學中有了更多的應用，并開始出現在各大研究機構中[8-9]。一些虛擬實驗在醫學教學中已比較成熟、具有一定代表性并有較高的關注度。

3.1 虛擬解剖

虛擬三維人體解剖學展示系統使用虛擬三維技術進行人體解剖學標本的演示，在清晰度、質感、素材輸入難易度上全面超越了常規三維建模方法制作的電子標本。三維動畫相對于傳統二維圖片，具有立體直觀、使用方便、無損耗、易擴展等優點，在人體解剖教學及醫學科普教育中有良好的應用前景。

3.2 虛擬診斷學

以多媒體編程技術和虛擬現實技術為基礎，應用語義識別、TTS發音、動態圖形識別和多種音視頻素材，構建一個仿真的臨床技能培訓和診斷思維環境，采取人機交互方式進行實驗。虛擬診斷技術具有創新性、交互性、智能性、仿真性、開放性和可擴展性等優點，用于訓練和培養醫學生、研究生和青年醫師，有助于增強診斷學實驗教學效果、提高學生的積極性和自主性、培養與學生臨床技能和思維能力。

3.3 虛擬切片系統

傳統的組織切片存在數量龐大、不易儲存和查找不便等弊端，在實際教學過程中很不方便。運用虛擬切片系統，將組織切片轉化為數字化的信息，并從中挑選形態學科中結構典型的組織切片信息，即可將制作成的虛擬切片存儲在計算機內，按不同學科和章節分庫保存，并且建立相應的虛擬切片庫。虛擬切片庫在方便教學的同時，也在一定程度上實現了資源共享，增進了師生互動。

3.4 虛擬胚胎學教學

胚胎發育過程相對抽象復雜，是醫學生理解的難點。應用虛擬胚胎學教學系統，可以實現在課堂上的具體展示，使學生充分認識人胚胎發生與早期發育的全過程，解決因實際教學中對孕婦和胎兒進行跟蹤研究不便的教學難點，并且可以在很短的時間內將完整生理過程呈現出來。

3.5 虛擬手術教學系統

虛擬手術是采用虛擬現實技術，利用醫學影像數據，利用計算機建立一個虛擬環境，并借助該環境的信息進行手術計劃制訂、手術演練、手術教學、手術技能訓練、術中引導手術、術后康復等工作。學生通過網絡可以學習手術前準備、手術全過程以及手術后治療等。虛擬手術教學系統使教學與臨床結合得更緊密，以更高的質量完成教學任務。

4 虛擬實驗室在醫學教學中的優勢

虛擬實驗室具有明顯的低成本、高效率、功能全等優點，足以彌補真實實驗室的不足，因而廣受高校和研究機構推崇。

4.1 自由度大

實驗教學中往往會因為教學經費短缺、實驗場地不足、實驗課時限制等原因，使一些實驗項目無法開展。學生利用虛擬實驗室進行實驗，可以不受時間和場所的限制，甚至可以利用網絡化手段提高效率[10]，使得以前無法開展的實驗項目得以充分開展。學生足不出戶便可完成多項操作，豐富感性認識，加深對教學內容的理解，從而大大激發學習的主動性，提高自主學習能力[11]。

4.2 節省投入

節省投入包括2方面：一是可以節省學校在實驗室建設方面的投入；二是可以節省實驗器材維護方面的投入。目前許多高等院校在實驗室建設方面均存在經費投入不足的問題，而虛擬實驗室可以實現對現有設備功能的充分發揮。通過網絡還可以實現資源共享，避免大型、貴重儀器設備的重復購置[12]。

4.3 安全系數高

在實驗進行中，由于操作不當或者其他原因，學生人身安全和儀器設備的安全都受到潛在威脅，甚至有可能造成嚴重損失。例如：在低壓電路實驗中，因為元件老化、學生疏忽大意，會發生短路、電流過大的情況而損壞儀器或芯片；在各種較高電壓的實驗中，也存在設備漏電、學生觸電的可能性。采用虛擬儀器進行實驗則可以避免此類事故的發生[12]。

4.4 提高了教學效果

虛擬現實技術能實現實驗中緩慢過程的快速化或快速過程的緩慢化。相對于傳統教學中單一、被動的學習方式，虛擬實驗系統能夠將每個實驗操作最大程度地進行仿真，將實驗過程中的圖像、文字、聲音以及動畫等各種因素融為一體，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性。學生通過虛擬實驗軟件系統可自行設計探索性實驗、綜合性實驗，有利于培養創新能力、實驗思維能力和獨立解決問題的能力[11]。

4.5 可延續性

根據教學改革的需求，實驗課程教學需要不斷再設計和補充，其他的計算機技術也可能需要重新開發，而虛擬現實技術良好的二次開發性能夠很好地適應這些變化。設計人員只需要將新的實驗建模后放入虛擬實驗室即可，這在很大程度上解決了重新開發導致的資源浪費問題[13]。

5 虛擬實驗室的局限性

虛擬實驗室雖具有諸多優點，但是也存在某些局限性，所以在實際教學過程中不可以完全取代真實實驗室。虛擬實驗室的局限性體現在以下3方面。

(1) 設備參數測試與實物測試有差別，模擬實驗不能完全代替實物實驗[3]。

(2) 虛擬現實技術屬于新興計算機技術的一種，要求教師具有較專業的計算機技能，而醫學專業教師主要側重于教學能力的培養和教學方法的探索，兩者有時不能得到統一。如何實現兩種能力的有機組合，又發揮專業技能優勢，是當前亟需解決的問題[13]。

(3) 傳統的實驗教學是在教師的指導下，學生分組進行實驗，在實際操作中發現問題并通過合作解決問題。對于較復雜的自主設計實驗，要求學生能對課本知識融會貫通，提高動手能力和創新能力；要求多位學生團結協作，明確分工。而虛擬實驗室是對現有實驗的三維重現，只包含已經建模并輸出的實驗教學課程，難以模擬具有創新性的自主實驗設計[13]。

6 結束語

傳統的實驗教學通常存在實驗保障和儀器維修方面的局限性，且很多學校存在辦學基礎薄弱、經費不足、實驗器材有限、教學方式單一等問題，極大地影響了實驗教學質量。虛擬實驗室作為新興的實驗教學和科學研究的平臺，擁有傳統實驗室不可比擬的優勢，且正在逐步應用于各大研究機構。但關于虛擬醫學實驗的理論研究基礎仍顯薄弱，其固有的局限性也使教學效果大打折扣。因此，虛擬實驗室的發展需要揚長避短，充分發揮自身優勢，輔助完成教學計劃、充實信息交流平臺，培養更多的有實踐能力的創新型人才。

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