動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)與應(yīng)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(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院建設(shè)動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，圍繞網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)和利用，對動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)中相關(guān)問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：動物醫(yī)學(xué);虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)平臺

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院于2013由原鄭州牧業(yè)工程高等專科學(xué)校和原河南商業(yè)高等專科學(xué)校合并組建而成，建校以來一直致力于應(yīng)用型本科的建設(shè)。農(nóng)學(xué)學(xué)科是我校傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科，尤其是動物醫(yī)學(xué)及動物科學(xué)更是自建校以來不斷發(fā)展壯大的龍頭學(xué)科。動物醫(yī)學(xué)是我國農(nóng)業(yè)科學(xué)的重要組成部分，也是醫(yī)學(xué)的一個(gè)分支。其主要任務(wù)是在“一個(gè)世界、一個(gè)健康”的理念下[1]，運(yùn)用專業(yè)知識，對食品動物、農(nóng)場動物、實(shí)驗(yàn)動物、伴侶動物、野生動物以及外來動物等進(jìn)行流行病學(xué)分析、疾病檢查、診斷與治療，對疫病進(jìn)行檢疫和防控。其根本任務(wù)目標(biāo)是保障畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)動物健康和動物福利，提高動物源性食品質(zhì)量，維護(hù)公共衛(wèi)生和生態(tài)環(huán)境安全，保護(hù)人類健康[2]。

一、動物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)體教學(xué)中存在的主要問題

動物醫(yī)學(xué)職業(yè)性強(qiáng)、涉及面廣、知識更新快。其相關(guān)課程涵蓋了動物醫(yī)學(xué)、動物科學(xué)、動物藥學(xué)、動植物檢疫、食品質(zhì)量與安全等本科專業(yè)，以及獸醫(yī)、畜牧獸醫(yī)、中獸醫(yī)、獸藥、寵物養(yǎng)護(hù)、生物制藥、草食動物、養(yǎng)禽等專科專業(yè)學(xué)生大量的必修課程，包括動物解剖學(xué)、動物組織胚胎學(xué)、動物生理學(xué)、獸醫(yī)藥理學(xué)、獸醫(yī)毒理學(xué)、獸醫(yī)病理生理學(xué)、獸醫(yī)傳染病學(xué)、獸醫(yī)寄生蟲學(xué)、獸醫(yī)微生物學(xué)、獸醫(yī)免疫學(xué)、分子生物學(xué)、獸醫(yī)外科學(xué)、獸醫(yī)內(nèi)科學(xué)、獸醫(yī)產(chǎn)科學(xué)等，這些課程均包含有大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，對學(xué)生后期從事臨床生產(chǎn)實(shí)踐和科研工作的能力影響很大。但是鑒于動物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，有些實(shí)驗(yàn)在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生開展的難度較大，在一定程度上影響了高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[3]，因此迫切需要開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，與實(shí)體教學(xué)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充，以彌補(bǔ)實(shí)體教學(xué)的不足。目前動物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在主要問題包括[4-6]：

1. 有些實(shí)驗(yàn)的教學(xué)時(shí)間比較長，比如觀察反芻動物瘤胃內(nèi)微生物的菌群變化，需要長期觀察動物并反復(fù)取樣檢查，鑒于學(xué)生其他課程安排較多，很難連續(xù)安排這樣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，導(dǎo)致學(xué)生不能很好的理解實(shí)驗(yàn)過程。

2. 存在部分高危實(shí)驗(yàn)。比如一些高致病性的人畜共患病原微生物實(shí)驗(yàn)、涉及放射性元素的免疫性實(shí)驗(yàn)，一方面受到相關(guān)監(jiān)管部門的管制，另一方面需要具有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室和管理人員才能開展。學(xué)生無法獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)操作。

3. 教學(xué)經(jīng)費(fèi)和設(shè)備不足。一些實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和耗材昂貴，例如電子顯微鏡、質(zhì)譜儀、流式細(xì)胞儀等，無法做到讓每個(gè)學(xué)生都親手操作并熟悉儀器設(shè)備。

4. 受制于動物福利和動物倫理。動物解剖學(xué)、動物生理學(xué)、獸醫(yī)藥理學(xué)、獸醫(yī)病理生理學(xué)、獸醫(yī)外科手術(shù)學(xué)等課程的實(shí)驗(yàn)消耗的動物數(shù)量巨大，不符合替代（replacement）、減少（reduction）、優(yōu)化（refinement）“3R”動物保護(hù)原則。

5. 部分實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，學(xué)生掌握難度大。比如動物生理學(xué)的電生理實(shí)驗(yàn)、離體蛙心灌流實(shí)驗(yàn)等，操作難度很大，學(xué)生要通過反復(fù)的練習(xí)才能夠掌握。

6. 實(shí)驗(yàn)考核的難度比較大。很多實(shí)驗(yàn)都需要在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后對學(xué)生進(jìn)行考核，但是受制于實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和時(shí)間，很難對每一名學(xué)生都進(jìn)行準(zhǔn)確的考核。

二、動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)

為了解決上述這些問題，河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院在2016年開始嘗試構(gòu)建動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺（下簡稱平臺），平臺的建設(shè)隨著動物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革而建立和發(fā)展，依托河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院“省級動物科學(xué)與動物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”，堅(jiān)持“以虛補(bǔ)實(shí)，能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的建設(shè)原則[7]，圍繞學(xué)生自主學(xué)習(xí)平臺和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺建設(shè)，構(gòu)建了動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。目前該平臺包括平臺管理后臺以及豐富的教學(xué)資源內(nèi)容兩大部分。

（一）動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺架構(gòu)

動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、虛擬仿真教學(xué)平臺為依托，集實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動批改和教學(xué)管理于一體，具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性。平臺架構(gòu)如下：

1. 基礎(chǔ)層

平臺以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為基礎(chǔ)，采用學(xué)校教育網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，讓學(xué)生隨時(shí)隨地可以訪問服務(wù)器上的虛擬課件。服務(wù)器采用刀片式，托管于校園網(wǎng)管中心，提供7×24小時(shí)的服務(wù)，具有安全性，可靠性。

2. 平臺層

平臺層是進(jìn)行教學(xué)管理的核心框架，是完成與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無縫對接的重要手段。平臺包括：身份認(rèn)證、課件管理、班級管理、考試管理、學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交和批閱、師生互動等功能。

學(xué)生登錄該平臺后，可以對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)習(xí)小測驗(yàn)，閱讀教學(xué)課件ppt，完成虛擬課件的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告和老師布置的課后測驗(yàn)。教師可以通過該平臺查看學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)情況，批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，布置作業(yè)和互動答疑。平臺可保證和維護(hù)整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的正常進(jìn)行。

3. 仿真層

仿真層主要采用主流的Adobe Flash仿真動畫技術(shù)，結(jié)合3DMax三維場景建模工具，利用數(shù)學(xué)模型完成對實(shí)驗(yàn)波形的實(shí)時(shí)仿真，實(shí)現(xiàn)各虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中儀器、場景、實(shí)驗(yàn)操作的可視化，通過知識點(diǎn)設(shè)計(jì)，利用提問，選擇題等多種方式實(shí)現(xiàn)互動操作，強(qiáng)化知識點(diǎn)學(xué)習(xí)，符合教學(xué)大綱要求。

4. 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括學(xué)生可以學(xué)習(xí)的所有教學(xué)材料，主要按照基礎(chǔ)獸醫(yī)、臨床獸醫(yī)和預(yù)防獸醫(yī)三個(gè)二級學(xué)科為骨架搭建。

（二）動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺資源

目前，我們已經(jīng)按照不同教學(xué)材料屬性，建成了動物機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群、動物形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群、獸醫(yī)病原學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群、實(shí)驗(yàn)動物項(xiàng)目群。

1. 動物機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群

動物機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群主要涵蓋動物生理學(xué)、獸醫(yī)藥理學(xué)、獸醫(yī)病理生理學(xué)等方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)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(diào)節(jié)、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(yùn)動的調(diào)節(jié)、胸膜負(fù)壓的觀察、家兔肺水腫、刺激強(qiáng)度與肌肉收縮反應(yīng)的關(guān)系、神經(jīng)干動作電位引導(dǎo)、減壓神經(jīng)放電、胃腸運(yùn)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(dǎo)麻醉作用等項(xiàng)目。

2. 動物形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群

動物形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群包含動物組織胚胎學(xué)、獸醫(yī)病理學(xué)數(shù)字化切片，截至目前已建有263張數(shù)字化切片，依托數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)瀏覽技術(shù)，可查看相應(yīng)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(jìn)行無級連續(xù)變倍觀察;可按標(biāo)注方式導(dǎo)航瀏覽切片，方便學(xué)習(xí)、教學(xué)和交流，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立讀片技能;可進(jìn)行數(shù)字切片網(wǎng)上評論交流，發(fā)表不同見解，進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)或?qū)W習(xí)。

3. 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(jī)的使用操作、冷凍離心機(jī)的使用操作、恒溫?fù)u床的使用操作、電子天平的使用操作、分光光度計(jì)的使用操作、恒溫水浴鍋的使用操作、PH計(jì)的使用操作、總RNA提取及熒光定量PCR、質(zhì)粒DNA提取、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)——PCR、DNA瓊脂糖凝膠電泳、DNA的純化、感受態(tài)細(xì)胞的制備、酶聯(lián)免疫吸附反應(yīng)、SDS-PAGE聚丙烯酰氨凝膠電泳等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

4. 獸醫(yī)病原學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群

獸醫(yī)病原學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群包括日本血吸蟲實(shí)驗(yàn)、自然沉淀集卵法、飽和鹽水浮聚法、固體培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌、液體培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌、革蘭氏染色法等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

5. 實(shí)驗(yàn)動物項(xiàng)目群

實(shí)驗(yàn)動物項(xiàng)目群包括實(shí)驗(yàn)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(xué)特性，生理常數(shù)及實(shí)驗(yàn)應(yīng)用）、動物倫理學(xué)（動物倫理、動物福利、應(yīng)激和痛苦、3R原則、仁慈終點(diǎn)、具體福利要求等）、哺乳類手術(shù)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(shù)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(shù)器械的簡介及三維仿真展示（保護(hù)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(shù)剪、手術(shù)鑷、眼科剪、支架等器械）、實(shí)驗(yàn)動物的捉拿方法（蟾蜍、小鼠、家兔、豚鼠等）、實(shí)驗(yàn)動物的插管技術(shù)（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(shí)驗(yàn)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(fā)、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(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的應(yīng)用及成效

（一）建立了豐富的教學(xué)資源

目前我校動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺已建設(shè)有上述豐富的教學(xué)資源內(nèi)容，2018年依托該平臺，我校取得了省級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的立項(xiàng)。

（二）建立了嶄新的教學(xué)模式

動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的搭建，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)教學(xué)模式，改革了現(xiàn)有的教學(xué)手段和方法，切切實(shí)實(shí)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、做到“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合”，開展了多個(gè)專業(yè)、同一時(shí)間、多種方式的校內(nèi)綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)教學(xué)，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的考試系統(tǒng)，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行了全面細(xì)致的考核，做到了每一名學(xué)生都能被考核、每一個(gè)項(xiàng)目都能被考核，扭轉(zhuǎn)了以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)孤立、不系統(tǒng)無法精準(zhǔn)考核的局面，實(shí)現(xiàn)了“教”與“學(xué)”的有機(jī)結(jié)合。

（三）提高了學(xué)生綜合能力

通過動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，學(xué)生自主觀看每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)簡介、實(shí)驗(yàn)原理，動手操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程，結(jié)合高清的實(shí)驗(yàn)視頻，學(xué)生自主探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化，進(jìn)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(shí)驗(yàn)錄像、隨時(shí)隨地的可不限次數(shù)的完成模擬仿真操作，大大提高了實(shí)體實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)質(zhì)量。輔助于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，更好的理解了相關(guān)的知識點(diǎn)，更加深刻的熟悉和掌握了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，大大提高學(xué)生的科研思維能力和設(shè)計(jì)能力。

（四）提高了師資隊(duì)伍水平

動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建立了“知識探究+能力建設(shè)+科研實(shí)訓(xùn)”三位一體的動物醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)體系。我們將學(xué)生考核重點(diǎn)放在學(xué)習(xí)能力、解決問題能力和獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ⒛苄纬梢欢ǖ目蒲兴季S能力方面。同時(shí)，由于動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺內(nèi)容全面，涵蓋了動物解剖學(xué)、動物組織胚胎學(xué)、動物生理學(xué)、獸醫(yī)藥理學(xué)、獸醫(yī)病理學(xué)、獸醫(yī)診斷學(xué)、獸醫(yī)內(nèi)科學(xué)、獸醫(yī)外科學(xué)、獸醫(yī)寄生蟲病學(xué)、獸醫(yī)傳染病學(xué)、分子生物學(xué)、實(shí)驗(yàn)動物學(xué)等知識，所以，隨著本平臺的應(yīng)用與推廣，逐漸建立和培養(yǎng)了一支知理論、懂技術(shù)、會應(yīng)用、能創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍。

（五）產(chǎn)生了顯著的社會效益

我校動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺除了為我校相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)提供了有力保障，同時(shí)也鑒于該平臺在建設(shè)理念和設(shè)備技術(shù)等方面具有一定的先進(jìn)性，在省內(nèi)外處于同類院校較領(lǐng)先地位，為兄弟院校動物醫(yī)學(xué)類專業(yè)教育提供了共享平臺，有效的降低了辦學(xué)成本，節(jié)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(xùn)，為區(qū)域動物生產(chǎn)、動物疾病防治、藥品生產(chǎn)、食品檢驗(yàn)檢疫提供技術(shù)服務(wù)，提高了相關(guān)企業(yè)管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。

四、結(jié)束語

動物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺良好的支撐了我校應(yīng)用型專業(yè)技能人才培養(yǎng)，產(chǎn)生了顯著的社會效益，未來我們將繼續(xù)擴(kuò)充資源內(nèi)容，擴(kuò)大資源共享范圍，以期取得更好的效益。

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