基于虛實結合的基礎醫學虛擬仿真實驗教學平臺構建與應用

章喜明， 李錦新， 朱曉琴， 戴建威， 宣愛國， 馬長玲， 周麗芬， 魏悅姿

(廣州醫科大學 基礎醫學院 基礎醫學實驗教學中心，廣州 511436)

0 引 言

國家教育信息化“十三五”規劃的建設目標是基本建成“人人皆學、處處能學、時時可學”的教育信息化體系，依托信息技術營造信息化教學環境，促進教學理念、教學內容和教學模式改革，推進信息技術在日常教學中的廣泛應用，著力提升學生的綜合能力和素質?？梢姡t學院校應順應“十三五”規劃的目標和要求，更新教育教學理念，大力推進信息化教學，特別是探索現代信息技術與醫學教育內容的深度融合，打造匯聚一批優質教學資源的網絡化教學平臺，并依托平臺構建線上與線下相結合的教學模式，致力于學生自主學習與創新實踐能力、信息素養的培養[1-2]。

醫學實驗教學是培養醫學生自主學習、創新實踐能力的重要途徑，但在教學實施過程中由于受制于實驗特殊條件、教學成本和教學資源等因素，有些實體實驗開展不了，不利于學生的能力培養[3-6]。而構建開放共享的虛擬仿真實驗教學平臺，線上與線下教學相結合，可有效解決這些不足，如解決珍稀標本和病種來源以及高危險性、高耗材、實驗周期長等問題[7-9]?；A醫學實驗教學中心從2006年起，與知名公司聯合研發原創性的虛擬仿真實驗軟件，在此基礎上逐步構建了基礎醫學虛擬仿真實驗教學平臺，并作為傳統實驗的輔助教學與自主學習平臺。自2013年起，在實體實驗的基礎上,依托該平臺創新實驗教學模式，在臨床醫學1～2年級本科生探討虛實結合實驗教學模式，線上與線下教學有機結合，既拓展學習時空、提高學習興趣[10-11]，也強化了自主學習、創新實踐能力和臨床思維能力的培養，有利于提高人才培養質量和教學效果。

1 基礎醫學虛擬仿真實驗教學平臺的構建

1.1 基礎醫學虛擬仿真實驗教學平臺的構建

該教學平臺包括機能學、形態學、病原生物與免疫學、細胞與分子醫學、虛擬生命博物館5個虛擬仿真實驗教學模塊。

(1) 機能學虛擬仿真實驗模塊。該模塊包括虛擬機能實驗操作系統、VBL-100醫學機能虛擬實驗室、虛擬標準化病人PBL教學系統以及自主研制的原創性虛擬仿真實驗軟件，虛擬仿真實驗項目共100多項，其中自主研發的項目30多項，包括原創性的特色虛擬仿真實驗項目18項，如“溺水后人體生理病理變化與搶救方法”“辛伐他汀對抗H2O2所致的動脈內皮急性損傷”“高端綜合模擬人教學系統”等虛擬軟件。這些教學軟件的使用,可讓學生早期接觸臨床情景,有利于啟迪學生開展設計性實驗。

(2) 形態學虛擬仿真實驗模塊。該模塊包括數字人解剖系統、全息三維解剖虛擬實驗教學系統、形態學數字切片系統以及自主研制的原創性虛擬仿真實驗軟件。其中“形態學數字切片系統”可在虛擬環境下，模擬顯微鏡的操作和觀察，完成虛擬切片的教學過程，在倍率轉換、結構測量、地圖漫游和知識點標注等方面突破了顯微鏡本身的功能限制，學生可按章節系統對正常與病理組織結構進行比較，并可實現正常與病理組織切片的自測與考試。

(3) 病原生物與免疫學虛擬仿真實驗模塊。該模塊包括醫學微生物學、免疫學、寄生蟲學3個子模塊，共有虛擬實驗項目近30項，其中，包括與附屬醫院聯合研發的“高致病性病原體患者采樣及檢測”“華支睪吸蟲病的檢測與防治”“血吸蟲感染誘導的免疫細胞反應”等虛擬實驗項目。通過該模塊的教學，可避免學生因使用高致病性病原體所帶來生物安全的危害、縮短病原體培養時間以及拓展低成功率、高成本的病原體感染動物模型綜合性實驗項目。

(4) 細胞與分子醫學虛擬仿真實驗模塊。該模塊包括虛擬基本技能訓練、綜合實驗、創新實驗3個子模塊，共有30多個虛擬實驗項目，包括自主研發的虛擬實驗項目，如“肝癌的檢測方法與防治”“PM2.5對血管內皮細胞損傷”“染色體制備與分析診斷”等虛擬實驗軟件。利用3D游戲引擎、處理因素數據庫、體感交互技術等手段虛擬實驗過程及模擬結果，可模擬細胞培養、外源基因細胞轉染及定量分析基因分型等實驗，可調用虛擬化的儀器設備、實驗用品開展自主設計實驗。該模塊解決了分子醫學實驗所涉及的高成本、高消耗和實驗周期長等問題。

(5) 虛擬生命博物館。目前已建成“醫學形態學數字化標本館”，力爭實現網絡化、低成本、寬輻射的科普教育目標。數字化標本館界面分為目錄區、標注列表區、功能區、中央展示區和縮略圖區域，現建有2 000多張數字化的正常人體標本、各期正常與異常胚胎標本、大體病理標本及致病性寄生蟲標本。該模塊既可作為傳統實驗教學的拓展項目，也可兼顧科普教育之功用。

1.2 基礎醫學虛擬仿真實驗教學平臺的特點

(1) 基礎醫學實驗教學與虛擬實驗教學體系互補。中心圍繞“夯實基礎、強化能力、突出創新”的教學理念，本著虛實結合的原則，以能力培養為核心，以“建設優質共享實驗教學資源、研發特色虛擬仿真實驗軟件、創新教學內容和教學模式”為目標，探索基礎醫學虛擬仿真實驗教學體系與教學模式改革。構建了5個模塊的虛擬仿真實驗教學系統，自主研發或合作開發了虛擬實驗項目近300項，涵蓋了基礎醫學所有實驗教學內容，形成了與實驗課程對應、功能互補、內容拓展的基礎醫學虛擬仿真實驗教學體系。

(2) 自主研發特色虛擬仿真實驗項目。自主研發20多款原創性的虛擬仿真實驗項目，包括科研成果轉化為實驗教學項目、基礎與臨床結合項目、高端科研設備的虛擬化項目等虛擬仿真實驗軟件，這些軟件在實驗教學中應用情況良好。①科研成果轉化為原創性的虛擬實驗項目。科研成果轉化為原創性的虛擬實驗項目并應用于教學，既拓展學生視野,也培養學生的創新意識和創新性思維能力。目前，已研制成原創性的虛擬實驗軟件6項，如將教育部獲獎成果—“辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及機制”轉化為“辛伐他汀對抗H2O2所致的動脈內皮急性損傷”虛擬實驗項目，啟發學生進行機能學設計性實驗；衛生部獲獎成果-AFP酶標對流電泳測定法轉化為“肝癌的檢測方法與防治”虛擬實驗軟件，解決了實體實驗中特殊試劑配置難的問題，也利于開展肝癌防治的科普工作。②研發基礎與臨床結合的特色虛擬實驗項目。中心與附屬醫院聯合研發基礎與臨床結合的虛擬實驗項目5項，如開發“椎間盤的解剖與臨床”“溺水后人體生理病理變化與急救”“高致病性病原體患者采樣及檢測”“華支睪吸蟲病的檢測與防治”等虛擬實驗軟件，作為拓展性特色項目應用于實驗教學。如以椎間盤為中心，圍繞其解剖學基礎和臨床應用的核心知識進行整合，研發“椎間盤的解剖與臨床”的虛擬實驗軟件，通過三維大體標本、影像學圖片、動畫、視頻及人機交互等模塊，逐層遞進式幫助學生梳理知識點，引導學生更好地理解和掌握椎間盤的相關知識，也讓學生了解基礎學科相關知識在臨床上的應用，培養運用多學科知識解決實際問題的臨床思維能力。

(3) 醫學教育與科普教育并用。線上與線下科普教育有機結合,虛擬生命博物館既作為實體實驗的拓展內容，也兼顧科普教育之功用。該模塊為廣州地區大專院校、中小學及社會人士提供了一個在線了解人體結構、胚胎發育、寄生蟲病以及正常與異常器官變化的科普教育平臺。目前受眾已達5萬多人次，受益人群將逐年遞增。

2 虛實結合的實驗教學模式

虛實結合的實驗教學模式是當前實驗教學模式改革的方向之一[12-13]。為充分發揮傳統實驗與虛擬仿真實驗教學各自的優勢,探索線上與線下相結合的新型實驗教學模式，中心在臨床醫學1～2年級本科生試行“虛實結合”實驗教學模式改革，包括虛擬實驗與實操、模擬實驗與實操相結合，線上與線下教學有機結合，取得了良好的教學效果[14-15]。

2.1 虛擬實驗與實操相結合

自2013年起，中心在機能實驗學、形態實驗學等模塊的實驗教學中，嘗試開展虛擬實驗與實操相結合的教學模式，即在實體實驗的基礎上，將平臺網站的優質虛擬實驗資源有效應用于各實驗課程的課前預習、課中教學、課后鞏固提高，線上與線下實驗教學有機結合。在教學實踐中，研究團隊發現該模式有如下優勢：①方便學生在網絡自主開展課前實驗預做、課后鞏固提高。學生通過操作相關虛擬實驗，預習實驗內容及操作流程，為實體實驗操作做好充分的準備，而對于實驗過程中沒有完全掌握的操作，可通過課后開展虛擬實驗項目來鞏固提高；②加深學生對實驗原理和難點內容的深入理解,如機能實驗學綜合實驗，有些實體實驗看不到的結構和給藥途徑，通過相應的虛擬實驗作為有效的補充，加深學生對這些難點內容的理解；③開展比對學習、提高學習效果，如"數字人解剖系統"直觀顯示人體3D立體結構，既可進行多維的解剖斷層學習，也可與真實的斷層標本進行比對學習，通過“虛實結合”來提高學習效果；④對于一些有必要開展但因條件限制暫時開展不了的實體實驗，可通過拓展性的虛擬仿真實驗項目來補充，如“溺水后人體生理病理變化及搶救方法”“華支睪吸蟲病的檢測與防治”等虛擬實驗。

2.2 模擬實驗與實操相結合

從2006年開始，中心率先將高端綜合模擬人系統應用于臨床醫學等本科生的機能實驗教學中，自主研發了15個虛擬仿真實驗項目，如心臟因素對血壓的影響—甲亢并發高血壓、綜合因素對肺通氣和肺換氣的影響—II型呼吸衰竭和失血性休克等。以高端綜合模擬人(ECS)為載體，按照“臨床病例-計算機編程語言-ECS演示其體征-動物實驗”方式開展模擬與實操相結合的教學，讓學生早期接受臨床思維訓練。通過ECS演示臨床病例，學生從病情的演變過程獲取相關信息，然后教師引導學生獨立思考如何應用相關基礎知識解釋臨床現象以及疾病的發生機制。在教學實踐中，研究團隊發現該模式有如下優勢：①補充了動物機能學所不能觀察到的部分病理生理變化現象，也拓展了在動物和人體不能實現的實驗；②實現了基礎與臨床的深度融合，有利于學生早期接觸臨床情景和培養臨床思維能力。在學校2007年接受教育部組織的本科教學水平評估的專家現場考察中，該模式受到了評估專家的高度肯定。

3 建設成效與實施效果

3.1 教學平臺建設成效與應用效果

(1) 建成一個開放共享的虛擬仿真實驗教學平臺?；A醫學虛擬仿真實驗教學中心于2015年被評為國家級虛擬仿真實驗教學中心。中心通過自主研發及與企業的合作研發，目前已建有虛擬實驗項目近300項，充分滿足了同學們的自主學習和能力培養的需要。建成的教學平臺網站開放共享，既對校內全部本科專業學生開放，也對我校附屬醫院以及廣東省12所聯盟高校開放共享。師生可隨時登陸校內外網絡終端訪問學習，目前登陸訪問人數已達10萬多人次，廣大師生獲益良多。

(2) 構建了一個開展自主學習的平臺。與知名公司合作對原來的平臺網站進行升級改造，優化各教學模塊及平臺管理功能，新增在線作業與考試、學習進度與學習情況統計、在線互動交流等功能。升級改造后的學習平臺，通過問答環節、題目自測、學習進度與學習情況統計等，既能開展形成性評價，也可以綜合考評學生在線開展虛擬實驗情況及學習成績。平臺網站對本科生開放共享，打破了時空限制，學生可隨時聯網自學、討論并進行虛擬實驗，實現了線上自主學習。

(3) 自主研發一批有特色的虛擬仿真實驗教學軟件。中心自主研發55項虛擬實驗教學項目，其中有自身特色的原創性虛擬實驗項目28項，包括科研成果轉化實驗項目6項、基礎與臨床結合項目4項、高端科研設備虛擬化項目3項，基于高級智能綜合模擬人的虛擬仿真實驗項目15項。這些自研的特色虛擬仿真實驗項目應用于教學，既開闊了視野，拓展實驗教學內容，也提升了自主學習、創新實踐能力和臨床思維能力，取得了良好的教學效果。

(4) 實現原創性的虛擬實驗教學軟件轉化。為發揮優質教學資源開放共享與示范引領作用，中心還將自主研發的原創性虛擬仿真實驗軟件通過合作公司轉化到山西醫科大學、鄭州大學基礎醫學院、長江大學醫學院、廣州中醫藥大學、山東中醫藥大學等20所大學使用，目前已有15個原創性虛擬仿真軟件被上述高校購買并使用，產生了良好的社會效益和經濟效益。

3.2 虛實結合實驗教學模式的實施成效

在實體實驗的基礎上，依托教學平臺在臨床醫學1～2年級本科生試行虛實結合實驗教學模式改革，經過5年多的教學實踐，取得了良好的教學效果。該模式既提高了學生的學習興趣，也有效提升了學生的自主學習、創新實踐能力和創新性思維能力的培養，人才培養質量逐年提升:近5年來，學生獲得各類課外科研項目351項；開發創新性實驗項目500多項；公開發表論文116篇；獲國家專利7項；獲“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生臨床技能大賽等學科大賽獎項100多項。此外，在學校2016年接受教育部臨床醫學專業認證的專家現場考察中，該教學模式受到了評估專家的肯定與贊揚。

在試行該模式的學生評價反饋中，大多數學生認為該模式提高了學習興趣、實驗成功率以及開闊視野,也有利于培養自主學習能力、創新實踐能力和臨床思維能力。同時，學生認為通過虛擬仿真實驗，可加深對實驗原理、關鍵環節以及一些實體實驗看不到的結構等難點內容的理解，而對于改進建議，學生認為還須進一步解決好實體實驗與虛擬仿真實驗的深度融合。

4 結 語

綜上，在基礎醫學實踐教學中，構建基于虛實結合的基礎醫學虛擬仿真實驗教學平臺作為實體實驗的輔助教學與自主學習平臺,線上與線下教學相結合，是實現現代信息技術與醫學教育內容深度融合的有益嘗試。而摸索以學習者為中心的虛實結合實驗教學模式，雖然在實踐中取得了一定成效，但如何進一步發揮虛實結合的疊加效應，持續提高教學效果和人才培養質量，還須進一步探討。