虛擬仿真實驗在組織學教學中的應用*

王少蘭 李 濤 范 妤 劉 芳

（陜西中醫藥大學基礎醫學院組織學與胚胎學教研室，咸陽 712046）

虛擬仿真實驗是借助虛擬現實、計算機仿真、多媒體和人機交互等現代技術，通過構建高仿真的實驗環境和對象，讓“網上做實驗”和“虛擬做真實驗”成為現實，實現對傳統實驗資源的遠程訪問和高效共享[1]。開展虛擬仿真實驗教學不受時空限制，并且可以完成真實實驗設備不具備或難以實現的教學內容，因此，虛擬仿真技術已被廣泛地應用于醫學院校的教學和科研領域，成為高等醫學改革的發展方向和未來趨勢[2]。組織學虛擬仿真實驗通過信息技術實現基于顯微鏡下組織結構的真實情景再現，從而實現實驗教學的網絡化、自動化管理，讓學生可以隨時隨地通過網絡在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。為了順應高校信息化教學改革的發展，本校形態實驗中心積極探索建設網絡化實驗教學系統，采用線上、線下相結合的教學方式，將虛實結合的虛擬教學貫穿到整個形態學教學的全過程，2017年獲批陜西省虛擬仿真實驗教學中心。現就本校組織學虛擬仿真實驗教學的實施予以總結。

1 組織學虛擬仿真實驗實施的必要性

課程整合是當今教學改革的一項主要任務[3]，醫學基礎課程之間密切聯系，如泌尿系統腎的知識點涉及各學科的整合交叉（圖1）。隨著高校網絡教學平臺的搭建，實驗課程體系逐漸由分散平行狀態向層次分明的樹狀結構發展，各學科間的實驗通過網絡平臺或共享開放的鏈接在校內或校際之間有機地聯合在一起，有利于開展綜合性實驗。醫學虛擬仿真實驗的建設遵循“從宏觀到微觀，從形態到功能，從正常到異常，從疾病到治療藥物”的原則[4-5]，借助計算機構建高仿真的實驗環境和對象，建立規范化的實驗教學資源數據庫和創新性設計平臺，設置不同學科的虛擬仿真實驗，讓學生自主設計實驗內容，激發學生學習興趣和潛能，提高創新精神和實踐能力。通過不同學科虛擬仿真實驗教學的聯合，學生可以系統全面地對某一知識點掌握并理解。

圖1 基礎醫學多學科間整合交叉

組織學虛擬切片（數字切片）是利用玻片掃描系統采集高分辨率、超大容量的數字化圖片，包含玻片的所有信息。數字切片可以通過網絡在電腦、iPad、智能手機上觀測到玻片上的任何位置，如同使用顯微鏡一樣，可任意縮放和移動[6]。通過虛擬仿真實驗教學方式，不僅可以彌補傳統實驗教學模式和課時的不足，降低切片的損耗，此外實現實驗室實時開放，克服資源限制，極大鼓勵了學生自主學習，同時能激發學生求知欲、培養創造性、提高專業技能等，為獲得良好的教學效果提供了保障。

2 組織學虛擬仿真實驗教學實施

組織學虛擬仿真實驗項目依托本校省級虛擬仿真實驗教學中心，秉承“虛實結合，能實不虛，以虛促實”的實驗教學理念[7]，經過4年多的建設，目前已建成門戶網站，中心網址為http：//xtxn.sntcm.edu.cn/hislab/，擁有用戶權限管理、組織學實驗圖庫、課件學習、虛擬實驗、信息發布統計、上傳題庫、網絡自測、在線答疑等多項功能。現以項目中實驗7消化系統的“胃”做介紹，虛擬實驗教學方法如下：

2.1 實驗目的

①掌握消化系統胃的微細結構。②擴展學習：觀察胃潰瘍病理學虛擬切片，強化正常胃的組織結構特點及提高讀片的實戰能力。

2.2 實驗過程

2.2.1 消化系統胃微細結構的學習 學生通過身份認證，登錄后進入組織學虛擬仿真實驗，點擊“實驗7消化系統”的虛擬切片，選擇胃的微細結構進行學習。

2.2.2 虛擬切片觀察方法 按照說明，結合標本信息中的描述在不同的放大倍數下觀察相關的結構。這一部分至少包含3個步驟：①低倍鏡（觀察胃底由內到外的結構及分層）→②中倍鏡（觀察黏膜層的3層以及胃小凹和胃底腺的縱、橫斷面）→③高倍鏡（觀察胃底腺的細胞組成）依次觀察（圖2A～2C）→④不斷移動標本尋找典型的組織結構，并比較不同斷面的形態差異。

2.2.3 學生對標本重要結構進行標注 繪制折線，標注胃底腺橫縱斷面的輪廓并保存。此標注可保存，可供使用者以后的瀏覽及教師來判斷觀察區域以及標注是否正確。學生通過瀏覽標注與教師標注內容進行對比。

2.2.4 虛擬切片擴展學習 觀察正常胃底的虛擬切片后，同時觀察胃潰瘍病理學虛擬切片（圖2D），學生通過比較病變部位形態、結構的改變，有利于掌握人體的正常組織結構和相關的病理疾病的關系。

圖2 胃底部虛擬切片H-E染色

2.2.5 建立自己的形態學虛擬切片庫 學生可有選擇地收藏并保存虛擬切片，進而選擇地建立自己的形態學虛擬切片庫（可以包含組織學、病理學的虛擬切片以及病理學大體標本）。

2.2.6 實驗考核 實驗完成后學生可進行章節練習和模擬練習。點擊在線練習→章節練習→章節內容，或在線練習→模擬練習→名稱，進行自測，隨后教師發布客觀性試題，學生應在規定的時間完成。另外，學生的實驗報告、分組討論匯報也是考核的一部分。

2.3 實驗結果

學期末學生學科總成績=期末理論成績×70%+實驗成績×30%，結果顯示：采用組織學虛擬仿真實驗教學和往年實體切片實驗教學的學生相比，成績明顯提高。通過比較虛擬實驗與過去實體實驗教學考核結果，顯示學生在無須教師講解下就能更快更準確找出各器官組織的微細結構，大大提高了實驗教學的質量，也拓寬了學生的實驗操作思維。采用雨課堂調查問卷形式評價虛擬仿真實驗教學的效果，結果顯示，學生更傾向于虛擬切片教學，普遍反映提高了自主學習能力和實踐創新能力等（表1）。

表1 學生對虛擬仿真實驗滿意度調查（n=150, %）

3 討論

組織學虛擬仿真實驗教學平臺的建設和應用極大增加了實驗教學資源，緩解了實驗學時的不足。虛擬仿真平臺具有內容擴展性、課程高效性、自主開放性、師生交互性等特點[8-9]，可以鍛煉學生的獨立構思和設計能力，激發其學習興趣，使學生更好地強化實驗技能，并激發其求知欲。另外，形態學虛擬仿真實驗平臺中還包含病理學虛擬仿真實驗，如消化系統的實驗中，添加胃潰瘍、肝硬化等病理學虛擬切片，學生通過比較病變部位形態、結構的改變，有利于掌握人體的正常組織結構和相關的病理疾病的關系，密切聯系臨床，這種潛移默化、循序漸進的實驗教學逐漸地培養了學生的分析創造能力，虛擬仿真實驗教學真正實現了理論教學與實驗教學的融合。由于本校虛擬仿真實驗建設起步晚，在實施過程中也存在較多的問題，而且由于數字化、智能化技術手段還有一定的不足之處，虛擬仿真實驗所營造的虛擬環境、實驗對象及過程雖然逼真，缺乏“實物感”，與學生實際動手操作的效果還是存在一定的差距，此外以虛代實的實驗項目如果過多，將會造成學生避實就虛、眼高手低等弊端，因此虛擬仿真實驗項目還不能完全替代真實的實驗[10]，應當根據實體實驗發展需要，將虛擬實驗與實體實驗緊密結合，提升實體實驗效果，重點要做好以虛促實。

綜上，將虛擬仿真實驗項目與真實的實驗有機結合，做到優勢互補、相輔相成，才能真正提升實驗教學效果，將在以后的工作中，不斷完善組織學虛擬仿真實驗平臺的功能，做到虛實相結合，此外加強基礎醫學各虛擬仿真實驗平臺之間的橫向聯合，構建符合本校特色的醫學虛擬仿真實驗教學新模式。