基于多源虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)智慧教室*

楊少龍 王運(yùn)登 王鵬飛 吳陽(yáng) 孫英武

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南鄭州 450000)

1 智慧教室的概念

2008年,IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出了“智慧地球”的概念。2009年溫家寶總理提出要建設(shè)“感知中國(guó)中心”,此后物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)被列入國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),在這樣的背景下智慧城市、智慧交通、智慧社區(qū)、智慧家居、智慧校園等新興概念不斷涌現(xiàn)。教育領(lǐng)域中具有智慧技術(shù)、智慧應(yīng)用、智慧管理等特征的“智慧教室”成為新的信息化建設(shè)熱點(diǎn)[1]。

智慧教室作為課堂教學(xué)的基礎(chǔ)支撐,充分發(fā)揮課堂各要素(人、技術(shù)、資源、環(huán)境和方法等)的作用,實(shí)現(xiàn)智慧化的應(yīng)用服務(wù),達(dá)到最優(yōu)化的教學(xué)效果[2-3]。

2 解剖學(xué)課堂教學(xué)的特征

人的結(jié)構(gòu)和功能極其復(fù)雜,而解剖學(xué)作為研究人體結(jié)構(gòu)和功能的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科,專業(yè)名詞繁難、概念抽象,難以理解記憶。這就需要通過(guò)融合圖像、視頻、音頻、文字等各種形式的信息和媒體形式[4-5]。

解剖學(xué)作為醫(yī)學(xué)的基石,如何在教學(xué)中體現(xiàn)自然學(xué)科和人文社會(huì)學(xué)科的相互交叉和滲透;如何結(jié)合臨床病例,有意識(shí)的加入臨床技能,提高學(xué)生的觀察能力和實(shí)踐能力;如何打破課程間的屏障,實(shí)現(xiàn)不同資源的共享互用;如何強(qiáng)化解剖學(xué)課堂教學(xué)的情境與協(xié)作,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和探索能力[6]。

在解剖學(xué)教學(xué)中推廣智慧教室教學(xué),正是為了解決以上問(wèn)題,為課堂教學(xué)創(chuàng)造互動(dòng)高效的學(xué)習(xí)情境。本文在闡明智慧教室概念和空間架構(gòu)的基礎(chǔ)上,探究在智慧教室中開展解剖學(xué)課堂教學(xué)的方式及難點(diǎn),為智慧教室在其它醫(yī)學(xué)課程教學(xué)的全面應(yīng)用提供參考[7]。

3 解剖學(xué)智慧教室的構(gòu)建

鑒于醫(yī)學(xué)解剖學(xué)課堂教學(xué)的特定需求,智慧教室應(yīng)具備空氣監(jiān)測(cè)和凈化、課堂高清錄像、考勤投票、分組討論、遠(yuǎn)程手術(shù)直播、互動(dòng)教學(xué)等眾多功能,具體到空間部署上,主要包括以下部分。

3.1 智慧空氣監(jiān)測(cè)和凈化系統(tǒng)

智慧空氣監(jiān)測(cè)和凈化系統(tǒng)能有效解決實(shí)驗(yàn)室的空氣污染問(wèn)題,確保師生不受有害氣體的傷害,系統(tǒng)由智能空氣監(jiān)測(cè)及顯示系統(tǒng)、智能物聯(lián)通排風(fēng)系統(tǒng)、有害氣體分解凈化系統(tǒng)、中央空調(diào)等構(gòu)成,能夠多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),克服傳統(tǒng)單一排風(fēng)系統(tǒng)的弊端,并通過(guò)手機(jī)APP、中控器實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、空氣管理凈化系統(tǒng)的自動(dòng)啟停,最大限度的保證室內(nèi)的空氣質(zhì)量,通過(guò)智能空調(diào)系統(tǒng)使實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)溫度保持在:夏季22℃～28℃,冬季16℃～24℃。

智能空氣監(jiān)測(cè)及顯示系統(tǒng),安裝有甲醛、PM2.5、臭氧、TOVC、CO等各種有害氣體及溫度、濕度傳感器,使用ModBus RS-485國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集成通信協(xié)議,可以聯(lián)動(dòng)智能物聯(lián)通排風(fēng)系統(tǒng)、有害氣體分解凈化系統(tǒng)、中央空調(diào),并將空氣質(zhì)量、氣溫、濕度等信息實(shí)時(shí)推送到教室大屏及手機(jī)A P P 上。

智能物聯(lián)通排風(fēng)系統(tǒng)吊頂式集中于教室頂部,集成的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制單元,結(jié)合智能空氣監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)和控制控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。有害氣體分解凈化系統(tǒng)和智能物聯(lián)通排風(fēng)系統(tǒng)緊密相連,包括:初效金屬塵埃過(guò)濾器、HEPA高效空氣過(guò)濾網(wǎng),能夠去除空氣中99%的0.1～0.3μm的塵埃;AIS離子凈化模塊,通過(guò)釋放正負(fù)離子,分解和去除空氣中的病毒和霉菌;臭氧發(fā)生器,能夠釋放臭氧,與空氣中的甲醛發(fā)生反應(yīng),將甲醛分解成水、氧氣和二氧化碳。

3.2 交互式數(shù)字人解剖系統(tǒng)

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)課堂教學(xué)多采用電腦和投影儀組成的多媒體系統(tǒng),缺乏交互性,學(xué)生課堂活動(dòng)參與度較低,使用過(guò)程中缺乏靈活性,無(wú)法滿足多種的教學(xué)需求,學(xué)習(xí)效果不理想[8-9]。

交互式數(shù)字人解剖系統(tǒng)安裝在具有多點(diǎn)觸控電容屏的觸控一體機(jī)上,電容屏有98寸教師端和65寸學(xué)生端兩種型號(hào),具有4K高分辨率的顯示效果,觸控精確,可以進(jìn)行PPT、圖像、視頻的播放,集傳統(tǒng)掛圖、黑板、計(jì)算機(jī)、投影儀等多種功能于一身,兼具多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)黑板的雙重優(yōu)勢(shì),完美的取代投影儀進(jìn)行數(shù)字化教學(xué)。屏幕還可以進(jìn)行電動(dòng)升降、0°～90°的傾斜角度調(diào)整,實(shí)現(xiàn)橫屏和豎屏兩種觀看模式。

系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)字人解剖教學(xué)系統(tǒng),教師和學(xué)生都可以用手直接對(duì)3D數(shù)字解剖人進(jìn)行手動(dòng)拖拽、三維旋轉(zhuǎn)縮放、模擬解剖等操作。系統(tǒng)還可以將師生的操作過(guò)程和批注內(nèi)容保存下來(lái),重構(gòu)后形成新的教學(xué)資源,供日后使用。系統(tǒng)還內(nèi)置了微課視頻、課程PPT、病例庫(kù)、自主學(xué)習(xí)和考試系統(tǒng)等內(nèi)容,方便學(xué)生自學(xué)、分組學(xué)習(xí)與討論。教師可以通過(guò)多塊交互式觸摸屏,將各種資源靈活整合,營(yíng)造一個(gè)多屏顯示的協(xié)同學(xué)習(xí)空間,促進(jìn)小組成員比較、合作開展學(xué)習(xí)活動(dòng)[10-11]。

3.3 智能化解剖臺(tái)及手術(shù)直播系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室配有可升降的不銹鋼冷凍解剖臺(tái),采用電動(dòng)齒輪螺柱升降,可以根據(jù)解剖時(shí)的操作需要,調(diào)節(jié)解剖臺(tái)的高度。解剖臺(tái)下面為標(biāo)本儲(chǔ)藏箱,可以自動(dòng)設(shè)定溫度,最低制冷溫度為-20℃,有效抑制甲醛的揮發(fā),并能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)甲醛濃度并及時(shí)提醒補(bǔ)充,保證了標(biāo)本的新鮮。每個(gè)解剖臺(tái)的上方,都配有吊頂式LED無(wú)影燈,燈頭一體化拉手設(shè)計(jì),可以靈活調(diào)整照明方位,實(shí)現(xiàn)多種手術(shù)照明模式。

無(wú)影燈內(nèi)置高清攝像機(jī),配有32寸液晶顯示器, 解剖過(guò)程可實(shí)現(xiàn)全程高清晰錄像,通過(guò)互動(dòng)軟件完成各路高清視頻的直播、轉(zhuǎn)播及網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播,滿足課堂開放的需要。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)還可以連通其它學(xué)校的智慧教室和醫(yī)院手術(shù)直播室,便捷直觀的觀摩并進(jìn)行教學(xué)互動(dòng),達(dá)到身臨其境的效果,是提高學(xué)生醫(yī)學(xué)技能培訓(xùn)效率的有效途徑。

3.4 課堂教學(xué)全自動(dòng)高清錄播系統(tǒng)

智慧教室的全自動(dòng)高清錄播系統(tǒng),采用多機(jī)位切換的導(dǎo)播策略,即通過(guò)教室中的多個(gè)超聲波感應(yīng)定位球來(lái)進(jìn)行多機(jī)位的切換,全自動(dòng)錄制教師的上課時(shí)的場(chǎng)景,大大的減少了人工錄制的工作量。

全自動(dòng)高清錄播系統(tǒng)有全自動(dòng)錄播操作臺(tái)、全自動(dòng)錄播編輯機(jī)、圖形圖像工作站、自動(dòng)音頻采集降噪系統(tǒng),將錄制的視頻,自動(dòng)生成教學(xué)資源,達(dá)到教學(xué)應(yīng)用常態(tài)化、教學(xué)資源價(jià)值化的目的。

3.5 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的實(shí)時(shí)智慧信息管理系統(tǒng)

解剖學(xué)智慧教室多系統(tǒng)的大量設(shè)備,借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和連接,形成一個(gè)簡(jiǎn)潔、高效、人性化的使用環(huán)境。智能遠(yuǎn)端控制和安防系統(tǒng),通過(guò)PC端或手機(jī)APP,對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管、控制、預(yù)警、保修、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。在實(shí)驗(yàn)室門口設(shè)置智慧物聯(lián)終端,可以通過(guò)指紋識(shí)別、人臉考勤等方式,控制人員的進(jìn)出,并通過(guò)手機(jī)和電腦端進(jìn)行監(jiān)控和考勤[12]。

平板電腦或手機(jī)移動(dòng)學(xué)習(xí)終端,可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)觀看線上直播和點(diǎn)播、課堂實(shí)時(shí)簽到、文獻(xiàn)檢索、發(fā)起投票,實(shí)現(xiàn)師生之間、生生之間的高效互動(dòng),形成交互開放自然的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)校教學(xué)管理人員也可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò),參與和了解教學(xué)的過(guò)程和進(jìn)展[13]。

圖1 基于解剖學(xué)智慧教室的理想教學(xué)模式示意圖

4 基于智慧教室,探索醫(yī)學(xué)教學(xué)新模式

智慧化教室對(duì)于學(xué)習(xí)環(huán)境軟硬件的提升,起到了翻天覆地的作用,可以進(jìn)行講授性教學(xué)、體驗(yàn)式教學(xué)、情景式教學(xué)、遠(yuǎn)程協(xié)同教學(xué)等模式,為進(jìn)行醫(yī)學(xué)教學(xué)改革,探索和實(shí)踐前沿和先進(jìn)的教學(xué)模式,提供了可能性及良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。基于智慧教室的教學(xué)模式更加注重學(xué)生自身主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力和過(guò)程,為了使智慧教室發(fā)揮出最佳的效果,我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中遵循以下教學(xué)理念[14],如圖1所示。

4.1 注重學(xué)習(xí)的個(gè)性化

解剖學(xué)智慧教室是一個(gè)去中心化的課堂環(huán)境,教學(xué)形式更加的開放和靈活。因?yàn)槊總€(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)習(xí)慣的差異,課堂教學(xué)充分利用各種教學(xué)手段,課后通過(guò)課堂視頻回放,分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)計(jì)劃和引導(dǎo)。

4.2 強(qiáng)化社會(huì)化學(xué)習(xí)能力

解剖學(xué)是臨床醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ),而未來(lái)將要成為醫(yī)護(hù)人員的學(xué)生,更加重視知識(shí)與技能在臨床工作的運(yùn)用,自身的協(xié)作精神和醫(yī)學(xué)人文素養(yǎng)。社會(huì)化學(xué)習(xí)就是要強(qiáng)化通過(guò)團(tuán)隊(duì)和組織協(xié)作,獲取和共享知識(shí)的行為及習(xí)慣。

4.3 提倡開放式的學(xué)習(xí)新模式

開放式學(xué)習(xí)是人類學(xué)習(xí)的基本形式,是最自然、最基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)形態(tài)。開放式學(xué)習(xí)更加注重學(xué)生學(xué)習(xí)的自由性和自主性,思維更加的開放靈活,創(chuàng)造性更強(qiáng);學(xué)習(xí)不受物理空間和時(shí)間的限制,隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí);不受學(xué)習(xí)資源的限制,緊跟科技和社會(huì)熱點(diǎn),根據(jù)學(xué)習(xí)目的需要,自主靈活的選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。這種回歸本質(zhì)的學(xué)習(xí)模式,使學(xué)習(xí)像吃飯、睡覺(jué)一樣,成為一種必須和習(xí)慣,效率最高,效果最持久。

5 結(jié)語(yǔ)

課堂教學(xué)是學(xué)生獲取知識(shí)最重要的環(huán)節(jié),智慧教室作為一種新型的現(xiàn)代化教學(xué)手段,必然會(huì)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式、評(píng)價(jià)模式、教學(xué)內(nèi)容和管理模式等教育環(huán)節(jié)提新的出挑戰(zhàn)。我們會(huì)在今后的課堂教學(xué)中不斷摸索和完善,讓智慧教室發(fā)揮出更大的作用。