基礎醫學虛擬仿真實驗教學的實踐應用

陳獻雄　林桂淼　雷明軍　翟鵬　王曉梅　高俊輝

【摘 要】隨著計算機普及和網絡技術的發展，虛擬仿真技術越來越多應用于實驗教學中。借助虛擬仿真技術，可以展現傳統實驗難以展現的學科前沿技術。建設虛擬仿真實驗中心不僅是高校實驗教學的一個發展大趨勢，也是基礎醫學實驗教學所迫切需要的。本文針對基礎醫學虛擬仿真實驗教學平臺的特點和實踐應用進行了詳盡的探討，目的在于促進虛擬仿真實驗在本校的推廣使用，實現教學資源共享，揭示了基于網絡的虛擬仿真實驗的發展前景和對未來醫學教學領域的重要作用。

【關鍵詞】虛擬仿真；基礎醫學；實驗教學

中圖分類號： G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0021-002

【Abstract】With the popularization of computer and the development of network technology， more and more virtual simulation technology is used in experiment teaching. With the help of virtual simulation technology， it can show the cutting-edge technology that traditional experiment can not show well. The construction of virtual simulation experiment center is not only a trend of development of experimental teaching in colleges and universities， but also an urgent need of basic medical experimental teaching. The purpose of this paper is to promote the use of virtual simulation experiment in our school and realize the sharing of teaching resources， and to reveal the development prospect of network-based virtual simulation experiment and the application of virtual simulation experiment teaching platform. The future of medical teaching an important role.

【Key words】Virtual simulation；Basic medicine；Experimental teaching

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》精神，根據《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》，國家教育部早在2013年8月就已下發通知，要求各高校積極開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。之后全國各地高校紛紛開始著手此項工作，2014年03月教育部高等教育司對全國各高校申報材料進行遴選后確定了100家普通本科高等學校和軍隊高等學校作為首批“國家級虛擬仿真實驗教學中心”，其內容涵蓋地理信息、醫藥醫學、電力能源、工業制造、軍事戰場等各個領域，旨在通過這些虛擬仿真實驗教學中心的示范、引領作用的，持續推進實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學改革與創新[1]。乘著這個東風，我們購買了上海夢之路數字科技有限公司的虛擬仿真實驗教學平臺，借助他們強大的技術力量和支持服務體系，初步構建了可用于基礎醫學實驗教學的網絡平臺——《深圳大學醫學部基礎醫學虛擬仿真實驗教學中心》（網址http：//xnfz.szu.edu.cn/），并逐步在我校基礎醫學實驗教學中推廣使用。

1 虛擬仿真實驗教學的優勢

建立“虛實結合”實驗教學模式，是當前實驗教學改革的方向之一[2]。借助虛擬仿真技術，我們可以展現傳統實驗難以展現的學科前沿技術，對受場地、資源、倫理等條件限制較難開設的醫學類實驗和教學尤其必要。它依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建了高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，使學生可以在虛擬的實驗環境中體驗同樣的實驗過程和結果，達到教學大綱所要求的教學效果。其突出的優勢如下：

1）突破了時間、空間和儀器套數的限制。虛擬實驗打破了傳統實驗的模式，學生不再受時間、空間的制約，可實行網絡遠程教學，師生可隨時、隨地進入虛擬仿真實驗室進行

虛擬實驗操作，瞬間觀察到一些需要幾十年甚至上百年才能觀察到的變化過程，還可以進入大到宇宙宏觀物體，小到原子分子層面內部觀察現象[3]，這是電視錄像和多媒體無法達到的。

2）避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。醫學基礎實驗操作中，不可避免的涉及到部分對人體有毒有害微生物菌種和毒品，利用虛擬技術進行實驗，可避免人體直接接觸危險的或對人體健康有害的實驗，還可以降低傳統實驗教學中大量廢棄試劑排放所造成的環境污染[4]。

3）實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。涉及高危或極端環境，不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，虛擬仿真實驗可以真實、全面的展示教學內容，從而提供給學生更多學習實踐機會。

4）大幅降低教學成本。虛擬實驗減少了教學實驗耗材的實際使用量，尤其對于醫學院校的實驗教學中需要使用大量的實驗動物和人體標本，如能采用虛擬實驗進行輔助教學，可大大減少實驗耗材經費的支出，大幅降低實驗教學的耗材成本。endprint

2 虛擬仿真實驗教學平臺的模塊結構：

上海夢之路數字科技有限公司所開發的虛擬仿真實驗平臺系統采用了J2EE技術和B/S構架模式，二維和三維技術，結合程序控制，實現虛擬仿真的實驗操作。該教學平臺分為前臺操作系統和后臺管理系統兩大模塊，前臺操作系統主要包括學生實驗模塊和教師教學模塊，后臺管理系統主要包括學校管理、實驗管理、考核管理、公告答疑管理、系統管理等模塊，每個模塊下面包括3-4個不同的功能。該平臺具備豐富的題庫系統，提供在線自測自評功能，為學生的自我鞏固學習提供一個良好的平臺。教師可以在本平臺開展實驗教學活動，還可以上傳個人教學資源、布置批改實驗報告、網上考試、答疑等；學生可通過平臺進行成績查詢和實驗報告的在線提交和查看批閱情況。這些功能的設置實現了教學資源的共享，減少教師們的重復勞動，促進師生的互動交流，提高實驗教學效果。

3 虛擬仿真實驗教學平臺建設的內容

虛擬仿真實驗教學資源建設主要針對以下三類教學資源：一是，真實實驗無法開展或高危實驗；二是，大型綜合的虛擬實驗資源；三是，成本高、資源（包括能源和實驗原材料）消耗大、污染嚴重的實驗教學資源。

我校虛擬仿真實驗教學平臺包括機能學、生化與分子生物學、病原生物學和臨床醫學PBL教學六大類共73個虛擬仿真實驗項目。其中機能學14個、生化與分子生物學28個、病原生物學28個（包含微生物學12、病毒學3和寄生蟲學13）和臨床醫學PBL教學3個虛擬仿真實驗。每個虛擬仿真實驗里包含有實驗目的、實驗原理、實驗視頻、虛擬實驗操作、思考題等內容。實驗目的可使學生在虛擬實驗前充分了解虛擬實驗操作所需達到的要求；實驗原理通過文字或動畫形式全面生動的描述；實驗視頻真實呈現實驗操作全過程；思考題涵蓋實驗中可能會遇到的各類問題；虛擬實驗操作首先進入虛擬實驗項目所需的儀器、設備和器材頁面，讓學生對實驗項目有總體概念。通過虛擬的動畫演示和互動操作，依靠虛擬仿真技術準確還原真實實驗的操作步驟，具有實驗操作提示功能。實驗內容在計算機上進行，實驗流程完全模擬實驗室中的操作過程。實驗可以反復操作，使學生有更多的嘗試與實踐的機會，減少實驗資源的耗費。實驗過程中穿插相關知識點考核以及操作要點提示。

在虛擬實驗操作環節還配備相應的知識庫，里面可查到與該實驗相關的知識點，或者在每一個實驗步驟配有文字提示，選錯了可按提示糾正實驗操作，實驗全過程有語音解說或文字解說，尤其適合學生實驗前的預習或課后的復習，比如在《生化與分子生物學》這門虛擬實驗課程中，醫學細胞培養綜合實驗、移液槍基本操作、電泳基本操作等都是醫學生必須掌握的最基本的實驗，學生做這些真實實驗前，隨時可以登陸本平臺進行自由學習，學生預習中遇到某個實驗環節不明白的可以反復重播，反復操作練習，直到熟練并完全掌握為止。熟練全部實驗步驟后，再回到實驗課堂開始真實操作，既可減少課堂中教師的講解和演示實驗時間，又可縮短學生實驗摸索的時間，大大提高了實驗的準確率和學習效果。

4 虛擬仿真實驗教學平臺后臺管理：

4.1 管理員后臺管理系統的功能：

后臺管理系統分管理員、教師個人和學生個人三個管理模塊，管理員后臺管理系統包括個人資料管理、公告管理、賬戶管理、課程管理、學習統計和系統管理六個模塊，個人資料管理里可以修改用戶個人密碼；公告管理可發布各類公告通知新聞等；賬戶管理可以導入或刪除教師和學生用戶，可以對學生進行分班管理等。在課程管理中，既可以對已有的課程進行設置管理，也可以通過“導入課程”新添加用戶所需的課程；可以對每一門課程進行個性化的設置，比如添加課程學習課件圖片，知識點，考試題庫，實驗報告，是否允許學生加入為助教，是否允許訪客瀏覽等等；通過“用戶管理”，不僅可將已有的用戶添加到這個課程中，還可以對已申請參與課程的用戶進行審核。學習統計可以查看課程內所有學生的學習進度、學習成績和時間，并可以通過設置計算規則以學習進度、成績和時間作為評分依據來生成每位學生的最終實驗課成績。

4.2 教師用戶系統的功能：

教師用戶系統包括個人信息資料管理、教師個人教學管理和課程申請三個管理模塊。在人信息資料管理中可以添加或修改個人資料和密碼，在個人資源區可上傳各類教學資源，公共資源區可以查閱系統中其他老師共享的教學資源，在日程表中可以記錄或標記某日的教學活動（類似備忘錄）；在教學管理中可以查閱個人課程所有學生的學習詳細情況，可以給學生進行分組管理，可以上傳實驗作業和考試卷并在網上進行批改，可以進行學生答疑等。在課程申請中教師可以查閱已有的課程和申請添加新的課程。

4.3 學生用戶系統的功能：

學生用戶系統包括個人信息資料管理、學生個人學習管理兩個管理模塊。個人管理部分的功能跟教師的模塊功能相似；在個人學習管理模塊中，學生可以選課學習，可以向任何教師提問并查閱老師答疑的回復，查閱本班或本小組同學，還可以在系統中完成老師布置的作業和批改情況，或查閱測驗或考試成績等。

5 虛擬仿真實驗教學平臺使用反饋

虛擬實驗作為一種新型的信息化教學方式，它的出現將有效緩解實驗經費、場地、器材等方面普遍面臨的困難和壓力，能夠突破傳統實驗的“時空”限制，無論是學生還是教師，都可以自由地、隨時隨地登錄。但是我們也要看到虛擬實驗不足的一面。我們曾對14、15級臨床專業共109名學生進行了一次問卷調查，結果顯示學生們普遍認為，虛擬實驗占傳統實驗比例在20-40%左右比較合適，他們認為虛擬實驗更多的適用于拓展性實驗而不是教學大綱（下轉第73頁）（上接第22頁）內的實驗；超過半數的學生認為實驗課前預習和實驗考前復習更適合使用虛擬實驗，隨時都可以進行學習，方便省時。盡管學生普遍反映真實實驗和虛擬實驗相結合的模式可以加深他們對實驗原理、步驟、實驗細節的掌握和理解，提高學習興趣和學習效果，但他們普遍認為虛擬實驗不能替代真實實驗，“虛擬”不叫實驗，因為虛擬實驗無法鍛煉動手能力，沒有實際操作就無法積累實踐經驗等等。由此可見，虛擬實驗最適宜作為傳統實驗課程的輔助和補充，應用于學生的課前預習和課后復習；或者用于彌補現實教學中內容的不足，豐富實驗內容，拓寬學生學術視野。對于很多受現有教學條件所限無法正常開展的基礎醫學類實驗（如人體器官的活動、病毒實驗等等），則可借助虛擬實驗讓學生親臨其境開展相關實驗，擴大了實驗教學的覆蓋范圍。

6 虛擬仿真實驗的展望

我國虛擬實驗系統的開發和應用剛剛開始，一些理工科院校如清華大學、華中理工大學、復旦大學等高校走在前列。從各地高校在不同學科開展的虛擬實驗教學改革[5]中可以看出，虛擬實驗技術作為一個新型的教學媒體，以其自身強大的功能，在醫學院校的基礎醫學實驗教學和臨床技能訓練中起著廣泛應用，具有傳統實驗無可替代的優點，然而虛擬仿真實驗與實物操作之間仍然存在一定的差異，虛擬實驗的過程是看不到、摸不著實物的，實際操作過程中出現的各種復雜情況也是虛擬實驗中無法完全復制的，因此虛擬實驗只能作為實驗教學的一種輔助手段，它不能完全取代傳統的實驗教學。此外，從技術上還可以進一步開發個人移動終端版本，讓學生能隨時隨地應用虛擬實驗；在實驗項目設計方面，還可以增加基于知識點的微視頻、微動畫、微考核，拆分冗繁的實驗過程，設計問答式提示以引起學生對實驗過程的思考和知識點的回顧等。總之，基于網絡的虛擬仿真實驗其優缺點都是顯而易見的，它對未來醫學教學領域發揮著重要作用，而且隨著技術的逐漸成熟還能使虛擬技術進一步應用于醫學其它領域，如遠程手術、合作治療、醫療救護等緊急醫務處理等方面，具有廣闊的發展和應用前景。

【參考文獻】

[1]王森，李平.2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心分析[J]. 實驗室研究與探索，2016，（04）：82-86.

[2]孫建林，贠冰，姜偉.實驗教學示范中心與虛擬仿真實驗教學中心相互融合協同發展[J].實驗技術與管理，2016，（09）：208-210+214.

[3]李莉，張英，成軍，李占軍.分子生物學虛實結合實驗教學模式的初探[J].實驗室研究與探索，2016，（10）：225-227.

[4]劉俐，劉平安，李玲，劉璐，向琴，胡立娟.虛擬仿真實驗技術在醫學微生物學實驗教學中的應用研究[J].中國中醫藥現代遠程教育，2017，（06）：1-2.

[5]呂震，李響，李報，吳強，賈雪梅.虛擬仿真技術在形態學實驗教學中的應用[J].解剖科學進展，2017，（02）：223-224.endprint