動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用

宋予震 郭素琴 史洪濤 劉玲玲 王坤麗 胡佩佩 董青

摘 ?要：文章對河南牧業經濟學院建設動物醫學虛擬仿真實驗教學中心的經驗進行歸納總結，圍繞網絡教學資源建設和利用，對動物醫學虛擬仿真實驗教學中心建設中相關問題進行了探討。

關鍵詞：動物醫學;虛擬仿真;實驗教學;教學平臺

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）21-0079-03

Abstract： This paper sums up the experience in establishing veterinary medicine experimental teaching centers of virtual simulation in Henan University of Animal Husbandry and Economy.Centering on the construction and utilization of network teaching resources， the related problems in the construction of virtual simulation experiment teaching center of veterinary medicine were discussed.

Keywords： veterinary medicine; virtual simulation; experiment teaching; teaching platform

河南牧業經濟學院于2013由原鄭州牧業工程高等專科學校和原河南商業高等專科學校合并組建而成，建校以來一直致力于應用型本科的建設。農學學科是我校傳統優勢學科，尤其是動物醫學及動物科學更是自建校以來不斷發展壯大的龍頭學科。動物醫學是我國農業科學的重要組成部分，也是醫學的一個分支。其主要任務是在“一個世界、一個健康”的理念下[1]，運用專業知識，對食品動物、農場動物、實驗動物、伴侶動物、野生動物以及外來動物等進行流行病學分析、疾病檢查、診斷與治療，對疫病進行檢疫和防控。其根本任務目標是保障畜牧業可持續發展，促進動物健康和動物福利，提高動物源性食品質量，維護公共衛生和生態環境安全，保護人類健康[2]。

一、動物醫學實驗實體教學中存在的主要問題

動物醫學職業性強、涉及面廣、知識更新快。其相關課程涵蓋了動物醫學、動物科學、動物藥學、動植物檢疫、食品質量與安全等本科專業，以及獸醫、畜牧獸醫、中獸醫、獸藥、寵物養護、生物制藥、草食動物、養禽等專科專業學生大量的必修課程，包括動物解剖學、動物組織胚胎學、動物生理學、獸醫藥理學、獸醫毒理學、獸醫病理生理學、獸醫傳染病學、獸醫寄生蟲學、獸醫微生物學、獸醫免疫學、分子生物學、獸醫外科學、獸醫內科學、獸醫產科學等，這些課程均包含有大量的實驗教學內容，對學生后期從事臨床生產實踐和科研工作的能力影響很大。但是鑒于動物醫學實驗的復雜性，有些實驗在實體實驗室對學生開展的難度較大，在一定程度上影響了高素質應用型人才的培養[3]，因此迫切需要開展虛擬仿真實驗，與實體教學和真實實驗相互補充，以彌補實體教學的不足。目前動物醫學實驗教學存在主要問題包括[4-6]：

1. 有些實驗的教學時間比較長，比如觀察反芻動物瘤胃內微生物的菌群變化，需要長期觀察動物并反復取樣檢查，鑒于學生其他課程安排較多，很難連續安排這樣的實驗進行，導致學生不能很好的理解實驗過程。

2. 存在部分高危實驗。比如一些高致病性的人畜共患病原微生物實驗、涉及放射性元素的免疫性實驗，一方面受到相關監管部門的管制，另一方面需要具有資質的實驗室和管理人員才能開展。學生無法獨立開展實驗操作。

3. 教學經費和設備不足。一些實驗所需的實驗儀器設備和耗材昂貴，例如電子顯微鏡、質譜儀、流式細胞儀等，無法做到讓每個學生都親手操作并熟悉儀器設備。

4. 受制于動物福利和動物倫理。動物解剖學、動物生理學、獸醫藥理學、獸醫病理生理學、獸醫外科手術學等課程的實驗消耗的動物數量巨大，不符合替代（replacement）、減少（reduction）、優化（refinement）“3R”動物保護原則。

5. 部分實驗操作復雜，學生掌握難度大。比如動物生理學的電生理實驗、離體蛙心灌流實驗等，操作難度很大，學生要通過反復的練習才能夠掌握。

6. 實驗考核的難度比較大。很多實驗都需要在實驗結束之后對學生進行考核，但是受制于實驗教學資源和時間，很難對每一名學生都進行準確的考核。

二、動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺的建設

為了解決上述這些問題，河南牧業經濟學院在2016年開始嘗試構建動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺（下簡稱平臺），平臺的建設隨著動物醫學實驗教學改革而建立和發展，依托河南牧業經濟學院“省級動物科學與動物醫學實驗教學示范中心”，堅持“以虛補實，能實不虛，虛實結合”的建設原則[7]，圍繞學生自主學習平臺和數字化網絡教學資源平臺建設，構建了動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺。目前該平臺包括平臺管理后臺以及豐富的教學資源內容兩大部分。

（一）動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺架構

動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺以網絡技術、計算機仿真技術、虛擬仿真教學平臺為依托，集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體，具有良好自主性、交互性和可擴展性。平臺架構如下：

1. 基礎層

平臺以網絡服務器為基礎，采用學校教育網和互聯網，讓學生隨時隨地可以訪問服務器上的虛擬課件。服務器采用刀片式，托管于校園網管中心，提供7×24小時的服務，具有安全性，可靠性。

2. 平臺層

平臺層是進行教學管理的核心框架，是完成與傳統實驗教學無縫對接的重要手段。平臺包括：身份認證、課件管理、班級管理、考試管理、學習統計、實驗報告提交和批閱、師生互動等功能。

學生登錄該平臺后，可以對實驗項目進行預習小測驗，閱讀教學課件ppt，完成虛擬課件的實驗項目，提交實驗報告和老師布置的課后測驗。教師可以通過該平臺查看學生對該實驗項目的學習情況，批改實驗報告，布置作業和互動答疑。平臺可保證和維護整個虛擬實驗教學項目的正常進行。

3. 仿真層

仿真層主要采用主流的Adobe Flash仿真動畫技術，結合3DMax三維場景建模工具，利用數學模型完成對實驗波形的實時仿真，實現各虛擬實驗項目中儀器、場景、實驗操作的可視化，通過知識點設計，利用提問，選擇題等多種方式實現互動操作，強化知識點學習，符合教學大綱要求。

4. 應用層

應用層包括學生可以學習的所有教學材料，主要按照基礎獸醫、臨床獸醫和預防獸醫三個二級學科為骨架搭建。

（二）動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺資源

目前，我們已經按照不同教學材料屬性，建成了動物機能學實驗項目群、動物形態學實驗項目群、分子生物學實驗項目群、獸醫病原學實驗項目群、實驗動物項目群。

1. 動物機能學實驗項目群

動物機能學實驗項目群主要涵蓋動物生理學、獸醫藥理學、獸醫病理生理學等方面的實驗教學內容，主要包括：離體蛙心灌流、期前收縮與代償間歇、家兔血壓的調節、蛙心起搏及起源分析、家兔失血性休克、心律失常、心律失常、家兔呼吸運動的調節、胸膜負壓的觀察、家兔肺水腫、刺激強度與肌肉收縮反應的關系、神經干動作電位引導、減壓神經放電、胃腸運動的觀察、藥物對離體腸的作用、影響尿生成因素及利尿藥的作用、胰島素的低血糖搶救、普魯卡因的傳導麻醉作用等項目。

2. 動物形態學實驗項目群

動物形態學實驗項目群包含動物組織胚胎學、獸醫病理學數字化切片，截至目前已建有263張數字化切片，依托數字切片網絡瀏覽技術，可查看相應切片附加信息，如大體圖像、文件附件說明等;可按不同倍率（2x，4x，10x，20x，40x）瀏覽切片，也可進行無級連續變倍觀察;可按標注方式導航瀏覽切片，方便學習、教學和交流，培養學生獨立讀片技能;可進行數字切片網上評論交流，發表不同見解，進行教學指導或學習。

3. 分子生物學實驗項目群

分子生物學實驗項目群包含PCR儀的使用及其基本操作、微量移液器的使用操作、普通高速離心機的使用操作、冷凍離心機的使用操作、恒溫搖床的使用操作、電子天平的使用操作、分光光度計的使用操作、恒溫水浴鍋的使用操作、PH計的使用操作、總RNA提取及熒光定量PCR、質粒DNA提取、聚合酶鏈式反應——PCR、DNA瓊脂糖凝膠電泳、DNA的純化、感受態細胞的制備、酶聯免疫吸附反應、SDS-PAGE聚丙烯酰氨凝膠電泳等實驗項目。

4. 獸醫病原學實驗項目群

獸醫病原學實驗項目群包括日本血吸蟲實驗、自然沉淀集卵法、飽和鹽水浮聚法、固體培養基培養大腸桿菌、液體培養基培養大腸桿菌、革蘭氏染色法等實驗項目。

5. 實驗動物項目群

實驗動物項目群包括實驗動物介紹（貓、狗、猴、豚鼠、黃金地鼠、小鼠、大鼠、裸鼠、兔、蟾蜍等動物的生物學特性，生理常數及實驗應用）、動物倫理學（動物倫理、動物福利、應激和痛苦、3R原則、仁慈終點、具體福利要求等）、哺乳類手術器械的簡介及三維仿真展示（動脈插管、靜脈插管、動脈夾、顱骨鉆、氣管插管、三通管、手術刀、輸尿管插管、兔盒、兔臺、壓力傳感器、止血鉗、注射器等器械）、蛙類手術器械的簡介及三維仿真展示（保護電極、金屬探針、普通電極、蛙板、蛙釘、蛙心夾、鋅桐弓、張力傳感器等器械）、常用器械簡介及三維仿真展示（玻璃分針、粗剪、縫合針、手術剪、手術鑷、眼科剪、支架等器械）、實驗動物的捉拿方法（蟾蜍、小鼠、家兔、豚鼠等）、實驗動物的插管技術（蛙心插管、家兔頸總動脈插管、家兔氣管插管、家兔尿道插管）、實驗動物的注射給藥（小鼠、大鼠、豚鼠、兔、貓等的腹腔注射、家兔耳緣靜脈注射等）、動物的分組（分組的原則、建立對照組）、動物編號（掛牌法、打號法、針刺法、染毛發、剪毛法、打孔/剪缺口法）、動物的品系與分類、動物的選擇及性別識別等。

三、動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺的應用及成效

（一）建立了豐富的教學資源

目前我校動物醫學虛擬仿真實驗平臺已建設有上述豐富的教學資源內容，2018年依托該平臺，我校取得了省級虛擬仿真實驗教學項目的立項。

（二）建立了嶄新的教學模式

動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺的搭建，轉變了傳統教學模式，改革了現有的教學手段和方法，切切實實以學生為主體、教師為主導、做到“以虛補實，虛實結合”，開展了多個專業、同一時間、多種方式的校內綜合實驗、實訓、實習教學，通過虛擬仿真實驗項目的考試系統，對學生的實驗操作進行了全面細致的考核，做到了每一名學生都能被考核、每一個項目都能被考核，扭轉了以往的實驗教學孤立、不系統無法精準考核的局面，實現了“教”與“學”的有機結合。

（三）提高了學生綜合能力

通過動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺，學生自主觀看每個實驗項目的實驗簡介、實驗原理，動手操作虛擬仿真實驗過程，結合高清的實驗視頻，學生自主探索實驗結果，觀察實驗結果變化，進行虛擬仿真的模擬考試，并且記錄筆記和向老師提出疑問反饋。高清的實驗錄像、隨時隨地的可不限次數的完成模擬仿真操作，大大提高了實體實驗的學習質量。輔助于虛擬仿真的實驗平臺，學生在理論學習的基礎上，更好的理解了相關的知識點，更加深刻的熟悉和掌握了整個實驗過程，大大提高學生的科研思維能力和設計能力。

（四）提高了師資隊伍水平

動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺建立了“知識探究+能力建設+科研實訓”三位一體的動物醫學人才培養體系。我們將學生考核重點放在學習能力、解決問題能力和獨立設計實驗能力，并能形成一定的科研思維能力方面。同時，由于動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺內容全面，涵蓋了動物解剖學、動物組織胚胎學、動物生理學、獸醫藥理學、獸醫病理學、獸醫診斷學、獸醫內科學、獸醫外科學、獸醫寄生蟲病學、獸醫傳染病學、分子生物學、實驗動物學等知識，所以，隨著本平臺的應用與推廣，逐漸建立和培養了一支知理論、懂技術、會應用、能創新的實驗教師隊伍。

（五）產生了顯著的社會效益

我校動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺除了為我校相關專業的實驗、實習、實訓提供了有力保障，同時也鑒于該平臺在建設理念和設備技術等方面具有一定的先進性，在省內外處于同類院校較領先地位，為兄弟院校動物醫學類專業教育提供了共享平臺，有效的降低了辦學成本，節約了社會資源;部分校企合作單位依托該平臺開展員工培訓，為區域動物生產、動物疾病防治、藥品生產、食品檢驗檢疫提供技術服務，提高了相關企業管理水平和經濟效益。

四、結束語

動物醫學虛擬仿真實驗教學平臺良好的支撐了我校應用型專業技能人才培養，產生了顯著的社會效益，未來我們將繼續擴充資源內容，擴大資源共享范圍，以期取得更好的效益。

參考文獻：

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[7]張宏穎，孫藝平，曹婧，等.基礎醫學國家級實驗教學示范中心的建設實踐[J].實驗技術與管理，2015，32（12）：150-154.