基礎醫學虛擬仿真實驗教學現狀分析與展望

樊守艷 王繼浩

摘 要：文章分析基礎醫學虛擬仿真實驗的現狀與發展前景，為虛擬實驗教學與基礎理論教學提供思路與方向。通過對國家政策的解讀，對開展基礎醫學虛擬仿真實驗教學的必要性和現有技術手段分析闡述開展虛擬實驗教學的可行性。通過虛擬仿真實驗未來發展預測，分析虛擬仿真實驗教學的可發展性。基礎醫學虛擬仿真實驗可借助于現代信息技術手段，更好的為基礎醫學教育提供助力。

關鍵詞：基礎醫學；虛擬仿真；實驗教學

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）02-0088-02

基礎醫學課程如生理學、藥理學等，是連接基礎課程如生物化學、解剖學等與臨床醫學學習的橋梁，在理論學習的同時應加強實踐練習，許多醫學院校因此提出“多實踐，早臨床”的教學理念。傳統教學方式是在理論學習的同時加入相應的實驗教學，隨著學生人數的增加，設備和教學場地的限制，很多高校把所有基礎醫學實驗綜合在一起，成立機能實驗課程，即學生的理論學習和實驗操作不再同步進行，而是分學期完成。然而，教學的規律性決定理論知識的學習需要通過實驗教學來加強知識要點的把握，理論與實驗分開的教學模式不利于學生觀察問題、解決問題和創新性思維的培養。

虛擬仿真實驗是在計算機的支持下，在虛擬實驗界面模擬實驗流程的實驗方法，在這種實驗過程中不需要實驗動物、實驗試劑、實驗器械的準備，也不局限于實驗場所的選擇，同時迎合了現代學生學習模式的計算機化、網絡化的特點。基礎醫學虛擬仿真實驗教學可成為常態化的教學方式。

一、基礎醫學虛擬仿真實驗教學的現狀分析

1.教育部為開展醫學虛擬仿真實驗提供了政策支持

教育部發出通知，要求有關高校要高度重視實驗教學與信息化的深度融合，支持虛擬仿真實驗教學中心建設工作，并且鼓勵不同學校、不同地區甚至更廣泛的實驗教學資源共享。2015年教育部批準建設了100個國家級虛擬仿真實驗教學中心[1]，其中基礎醫學虛擬仿真實驗中心有3所，分別設在廣州醫科大學、安徽醫科大學和南京醫科大學。基礎醫學相關虛擬仿真實驗中心有7所，分別設在第四軍醫大學、第二軍醫大學、廣西醫科大學、南方醫科大學、武漢大學、濰坊醫學院和南昌大學。其他各高校也根據實際情況，從校情出發，大力建設虛擬仿真實驗教學。如浙江大學基礎醫學部，開展基礎醫學仿真實驗教學，形成完整的一套教學秩序，包括專門的虛擬仿真實驗室、相關教材、教學大綱、專題討論等內容。長沙醫學院、山東大學、廈門大學等也都在積極開展基礎醫學虛擬仿真實驗教學。良好的政策支持及導向，勢必會使虛擬仿真實驗教學快速發展，更加完善。

2.醫學教育的發展使開展基礎醫學虛擬仿真實驗教學成為必然

醫學院校教學規模擴大，招生人數大幅提高，不可避免地存在實驗場地面積和實驗設備的相對不足。同時由于學生課程增多，基礎醫學實驗教學的時間和空間安排受到限制，導致教學秩序矛盾頻發。另外，教學設備的更新隨著技術的發展加快了節奏，然而經費的短缺使得實驗設備老化的矛盾日益突出。這些矛盾短時間無法解決。與傳統實驗教學相比，虛擬仿真實驗教學可以降低實驗室改造、建設和維護的資金，節省時間和空間成本。

傳統基礎醫學實驗受到研究條件的限制，把實驗按器官系統分為獨立的實驗，單次實驗只能接觸某個單獨器官組織的部分內容，而虛擬實驗把不同器官系統的實驗放在一起，有助于學生對有機整體的把握，解決了傳統教學模式無法解決的認知片面性問題，推進了醫學教學整體化的進程。

3.以學生為主體的教育理念推動基礎醫學虛擬仿真實驗的發展

信息時代的學生接觸信息量大，思維活躍，需要更多的手段和渠道來獲取知識。隨著多種技術相融合的新型軟件的開發[2]，加上客戶端的開發，使學生在手機上就能完成操作，便于隨時隨地學習，充分調動其學習積極性。

基礎醫學學習內容豐富，知識點瑣碎，學習起來比較枯燥，虛擬仿真實驗可以構建生動逼真的實驗環境，并日趨精細化，極大的激發了學生的學習興趣。在興趣學習的推動下，也促使學生從課程內容的單一接受者向創造者和設計者轉變，培養學生的創新性。

4.信息技術學的發展，為開展虛擬仿真實驗提供了技術手段

隨著信息技術的發展，虛擬現實技術得到迅速發展。第二代Web語言VRML2.0 的開發應用，使得虛擬境況從靜態3D進化到動態、交互性和具有鏈接功能的高級展現，為基礎醫學虛擬實驗的進一步開發提供了技術支持。Java這種面向對象編程語言的產生，把復雜的編程簡單化，可以大大提高虛擬實驗的智能化，使得基礎醫學虛擬實驗更接近實體實驗的操作。在虛擬實境技術上，Quicktime VR可以把收集到的圖像動態化，實驗者可以通過鍵盤和鼠標進入虛擬空間，而不再局限于特制的眼鏡。Cult3D 因其文件體積小，跨平臺性能好，軟硬件要求低而得到迅速發展。逼真的畫質，復雜的動畫，為物體添加交互性創造了條件，近來被廣泛應用于虛擬仿真系統的開發[3]。

在制作軟件方面，Maya 軟件具有 3D 建模、動畫、特效和高效的渲染功能，可以細膩地構建基礎醫學虛擬實驗中所需的各種模型，創建逼真的三維影像。Photoshop 可以對已有圖像進行編輯加工處理，還可運用一些特殊效果使圖片設計符合自己的構思創意與視覺創意[4]。Flash系列軟件的開發，為制作質量優良的動畫提供了成熟的手段，在基礎醫學虛擬實驗的開發中發揮著重要作用。Virtools軟件是一種新型的人機交互系統，可以給參與者一種身臨其境的感覺，使參與者生成視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種感官信息，其應用于基礎醫學虛擬實驗的開發，無疑會使得實驗真實性大大提高。王春波等[5]采用Authorware 6.5 作為開發工具，使用了Flash 8.0制作片頭動畫效果和文字效果，采用Web Xtra控件把PPT嵌入軟件中，平面設計采用Photoshop 7.0，開發了系列機能學虛擬實驗項目。

二、基礎醫學虛擬仿真實驗教學的未來進展

基礎醫學虛擬仿真實驗在空間、時間上給學習者帶來了方便，在視覺、操作中激發了學生的學習興趣，但目前還存在諸多問題，未來虛擬實驗應完善下列需求：

1.較強的個體操作差異

基礎醫學的實驗學習，最終是為臨床實際操作做準備，應有實驗者與被實驗者的個體差異。目前虛擬實驗不論操作規范與否，得到的結果都是一樣的，例如在生理學虛擬仿真實驗“尿生成的影響因素”操作中，給虛擬實驗大鼠進行呋塞米滴注，只要點擊該藥物進行靜脈滴注，都會使大鼠尿量從 0.8mL/min 增加至 6mL/min ，沒有量的差異。目前虛擬仿真實驗項目的開發側重實驗場景的逼真，但由于醫學實驗的特殊性，未來實驗應該精確化，不同藥物的劑量、不同操作的手法乃至不同操作的順序，應出現不同的結果，且能及時反饋信息，這樣更貼近實際操作情況，便于學生對實驗結果進行準確的討論分析從而掌握相關知識點。

2.提高操作人員的可合作性

目前虛擬實驗，打開界面后，都是單獨操作即可完成，缺少實際實驗操作中成員之間的合作與交流，未來虛擬實驗應朝著加強各操作成員的合作性方向發展，這樣，可以加強組內合作與組間合作，有助于成員之間的學習交流，提高學習能動性。

3.構建基礎醫學虛擬仿真實驗教學一體化平臺

目前基礎醫學虛擬仿真實驗教學只局限于在實驗課中分解出來的小部分學時，所占比重較少，缺乏必要的實驗指導手冊、相關學習教材，學生的自學也難以反饋和進行評價。未來，應在網絡平臺的支持下，學校教學改革的推動下，形成教學大綱、教材、理論與實驗融合的教學安排、學生學習與教師評價、學生實驗創新一體化的教學模式，充分發揮基礎醫學虛擬仿真實驗的優勢。

參考文獻：

[1]教高廳函[2015]24號.教育部辦公廳關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].

[2]王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015，34（5）：214-219.

[3]郭靜，朱學江，袁藝標. Unity3D在基礎醫學虛擬仿真實驗教學中的運用[J].科技視界， 2016（24）：48-49.

[4]金儉，范楊慧.應用型本科高校計算機基礎課程教學改革探討[J].計算機時代，2016（3）：72-74.

[5]王春波，韓彥弢，夏蘊秋等.醫學技能學虛擬實驗系統的建設與應用[J].中國藥理學通訊，2012，29（4）：22-23.

（編輯：魯利瑞）