血管收縮效能測定和評價虛擬仿真實驗項目的建設

龍 瑤，盧研宇，李紅芳，胡 燕，高飛云，王 燕

（1. 蘭州大學 基礎醫學實驗教學中心，甘肅 蘭州 730000；2. 成都泰盟軟件有限公司，四川 成都 610100）

隨著信息化技術水平的不斷提高，教育信息化已成為教育改革發展的必然趨勢[1-5]。醫學機能實驗是一門以綜合性、設計性實驗為主要內容的實驗課程[6]，對培養醫學生的實踐操作能力和科研創新能力具有重要作用，但目前很多綜合性強、融合度高的實驗內容由于受到課時、設備、操作難度、生物安全等各種因素的限制，難以開展實體實驗教學[1,6-9]。血管收縮效能測定和評價虛擬仿真實驗項目是一項涵蓋醫學本科生理學和藥理學多個知識點的綜合性實驗項目，其實體實驗手術分離血管難度大，藥物量效曲線測定耗時長，實驗操作要求高，無法在本科生中大規模開展。而且，該實驗中涉及多個理論知識的重點和難點，相應的實驗操作技術在學生科研創新訓練中經常用到。因此，項目組設計、制作、開發了該虛擬仿真實驗項目，幫助學生理解相關理論知識，掌握實驗操作技能；結合實驗拓展啟發學生設計思路，延伸課堂教學，提高學生的學習效率和科研創新能力。

1 實驗項目的建設方案

1.1 實驗項目的設計思路

將血管收縮效能測定和評價虛擬仿真實驗涉及的所有內容制作為中英文雙語版，一方面使學生在學習專業知識和技能的同時提升專業英語水平，達到事半功倍的效果，另一方面可用于留學生教學，既滿足了醫學教育國際化的需求，又可進一步擴大教學資源共享范圍。實驗項目的設計框架如圖1 所示，主要分為實驗簡介、實驗模擬、思考題和實驗拓展4 大部分。

圖1 血管收縮效能測定和評價虛擬仿真實驗設計框架結構示意圖

1.1.1 實驗簡介

實驗簡介主要以文字、圖片、表格等形式向學生展示實驗目的、原理、器械、藥品、數據分析、參考文獻等內容。學生通過這部分可了解本實驗所涵蓋的知識點，學習實驗中使用藥品的配制方法、藥物量效曲線的繪制過程以及親和力指數（pD2）的計算方法等。

1.1.2 實驗模擬

實驗模擬部分是本虛擬仿真實驗的核心，共設置了“實驗學習”和“實驗考核”兩個模塊。學生通過點擊相應實驗器械、藥品、回答選擇題或填空題等人機交互操作，逐步完成實驗。

在虛擬實驗過程中，學生可自主學習血管摘取與螺旋肌條制備的實驗操作方法、肌條張力測定及去甲腎上腺素量效曲線繪制過程、血管內皮和腎上腺素受體阻斷藥對血管收縮效能的影響及pD2的計算等內容，并完成對學習效果的自測。

1.1.3 思考題

針對本虛擬仿真實驗涉及的關鍵知識點及實驗操作注意事項，項目組在實驗項目建設中設置了思考題部分，引導學生對實驗關鍵點進行思索，達到不僅知其然，且知其所以然的教學目的。

1.1.4 實驗拓展

實驗拓展部分的設置意在進一步延伸本虛擬仿真實驗的教學內容，引導學生根據本項目所學實驗方法，自主設計與平滑肌藥物量效反應相關的實驗，啟發學生的設計思路，指導學生進行實驗設計，提高學生科研創新能力。

1.2 實驗項目的實現途徑

血管收縮效能測定和評價虛擬仿真實驗項目采取校企合作的模式進行建設。學校撰寫實驗腳本，企業將腳本轉化為虛擬實驗劇本，交于軟件開發人員進行制作。整個項目的開發制作過程主要涉及以下4 個方面。

1.2.1 素材的繪制

對于本虛擬仿真實驗項目的開發，首先要對實驗中使用的各種儀器、實驗器械等素材進行原圖繪制，不同的實驗素材根據功能需求采用不同的軟件工具分別繪制為二維素材和三維素材。其中二維素材要根據動態效果和實驗過程繪制成不同的體位和角度，如采用Adobe Animate CC 繪制不同的靜態手勢，用于實驗過程中拿取或者托舉各種實驗器械。實驗器械需要將其部件拆解開進行繪制，如家兔麻醉中使用的注射器，需將針管、活塞以及針頭分別繪制，在后期動畫制作過程中才能完成注射器吸取和注射藥物的動作。為了進一步提高虛擬實驗的沉浸感和仿真度，實驗中使用的恒溫水浴槽、離體組織恒溫灌流系統等實驗儀器采用3DMax、MAYA 等軟件進行三維建模和渲染，同時綁定儀器動態節點，還原儀器外觀，模擬真實儀器的操作使用方法。

1.2.2 界面的設計

虛擬仿真實驗界面的設計首先使用 Adobe Photoshop CC 軟件進行可視化界面設計，優化界面視覺布局，調整圖片大小、位置、文字排版等。隨后采用Html、CSS 以及JavaScript 等語言進行頁面的呈現和組裝，要求整個虛擬仿真實驗過程中的各個界面美觀、易讀、易操作。

1.2.3 動畫的制作

虛擬仿真實驗中的動畫通過Adobe Animate CC軟件進行制作開發，主要涉及動畫布局、動作規劃以及知識點考核的交互性設計。要求設計布局美觀合理，實驗操作邏輯嚴謹，學生學習交互性強，具有考核評分功能等。對于動作規劃和知識點考核的交互性設計，采用CreateJs 高級語言編寫程序，用代碼控制整個虛擬仿真實驗模塊的動作和交互流程，記錄實驗中各個知識點的考核結果，最后采用Html5 技術對整個交互式動畫進行封裝。

1.2.4 波形的模擬

在本虛擬仿真實驗涉及的藥物量效曲線的波形制作中，運用了Html5 Canvas 技術。將原始BL-420 信息化生物信號采集與處理系統中的波形數據，轉化為數據點，采用計算機高級語言和算法實時反演，并通過Adobe Animate CC 設計波形界面和交互操作，從而實現由學生自主確定加藥時機的功能，逼真還原實體實驗中藥物量效曲線的繪制過程。

2 實驗項目的應用共享

本虛擬仿真實驗已作為我校機能學實驗課程的線上必修內容，應用于臨床醫學、醫學影像學、麻醉學、預防醫學專業40 多個班級的實驗教學中，在我校研究生選修課“平滑肌生理和藥理”中也進行了初步應用。學生反饋實驗內容豐富、實驗步驟詳細、呈現形式新穎、具有良好的體驗感和操作感，但在網絡穩定性和交互形式多樣化上仍需進一步提高。此外，項目已通過“實驗空間”國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺在全國范圍開放共享。根據項目網站后臺統計數據，截至2020 年2 月，已有2 974 人次訪問本虛擬仿真實驗項目，累計學習時間超過10 000 h。

3 實驗項目的建設意義

3.1 以虛補實，拓展實驗內容的廣度與深度

本虛擬仿真實驗項目通過動畫形式，將血管平滑肌的收縮特點及調節機制、平滑肌前負荷與收縮效能的關系、內皮細胞在血管平滑肌收縮活動中的作用、腎上腺素受體激動藥和阻斷藥的作用及其機制、藥物劑量與效應關系等教學大綱和醫師資格考試大綱要求掌握的重點難點以生動、形象、直觀的方式呈現出來，彌補了實體實驗無法大規模在本科教學中開展這一不足，拓展了學生學習的廣度與深度。

3.2 突破時空限制，提高學習效率

學生不再受時間和實驗室空間的限制，可根據自己的需求，在任何互聯網覆蓋的區域，通過各類移動終端進入虛擬仿真實驗進行學習[10]，驗證所學的基礎理論知識，熟悉實驗操作技能。本項目實驗模擬部分的“實驗學習”模塊，特意設計為學生可根據自己的需求直接跳轉到想要學習的內容進行反復練習與操作，使碎片化時間可以得到充分、有效的利用，從而提高學生的學習效率。

3.3 教學手段新穎，激發學生的學習興趣和主動性

虛擬仿真技術為學生提供了一個逼真的實驗學習環境，通過文字、圖片、動畫、聲音、人機交互操作等途徑調動學生多感官參與學習，幫助學生更好地記憶、理解、掌握知識和技能。本項目中的藥物量效曲線測定環節高度仿真實體實驗過程，由學生自行判斷加藥時機。加藥時機的掌握是藥物量效曲線測定至關重要的一步，加藥過早或過遲都會導致整條量效曲線測定失敗。學生反饋每次到達這個步驟都既興奮又緊張，良好的沉浸感和互動性有效地激發了學生的學習興趣，使學生樂于學習、想要學習，提升了學生的學習主動性。

3.4 輔助雙語教學，擴大共享范圍

實施雙語教學，適應了醫學高等教育國際化趨勢發展的需要，對于更新教育理念，提高學生素質，培養具有國際合作意識、國際交流與競爭能力的復合型醫學人才具有重要意義[11]。本中英文雙語版實驗項目，為我校機能學實驗課程在2020 年全面開展雙語教學提供了豐富的教學資源。此外，中英文雙語版的設計使項目通過互聯網走出國門、走向世界，在全球范圍實現共享成為可能。

4 結語

血管收縮效能測定和評價虛擬仿真實驗項目的實驗方法取材于我校傳統科研優勢領域，項目組成員基于多年的教學經驗積累，精心設計制作了這一知識內容覆蓋面廣、操作技能精細度高的雙語版虛擬仿真實驗項目。該項目在一定程度上解決了傳統醫學機能實驗教學模式手段單一、教學資源不足、大型綜合實驗成功率低、教學效果欠佳等問題[7-8]，為進一步實現虛實結合、線上線下、混合教學新模式奠定了基礎。由于這是本項目組開發的第1 個虛擬仿真實驗項目，在各方面還存在諸多不足。項目組在應用和推廣過程中，將持續收集使用者的反饋意見和建議，對項目進行以下改進和完善：

（1）從實驗內容、操作便捷度、交互多樣化、網絡穩定性等方面對項目進行不斷的改進和提升；

（2）不斷完善英文版本的語言使用，力爭用純正的專業英語表達實驗中所涉及的內容；

（3）通過舉辦會議、接待參訪、承辦培訓等途徑，與國內外兄弟院校、相關機構進行廣泛交流與推廣，充分發揮項目示范、引領、輻射作用，擴大虛擬仿真實驗教學的受益面，共享虛擬仿真實驗項目建設成果。