三維虛擬仿真實驗室在腫瘤放療教學中的應用探討

徐少杰 彭綱 張盛 胡建莉 楊盛力

[摘 要] 隨著現代科技的迅速發展與普及，國內高校的課堂、實驗教學等均朝著信息化、智能化與互動化的方向發展，因此，虛擬仿真技術應用于高校實驗課得到了廣泛的重視。腫瘤放射治療作為一門理論與實踐緊密聯系的學科，以放射物理學、放射生物學、醫學影像學以及解剖學等學科作為基礎，在學習的過程中不僅需要掌握理論知識基礎，更要注重動手實踐能力的培養。三維虛擬仿真實驗室能夠很大程度上推動實驗教學改革，加快實驗教學的信息化建設，提高醫學實驗教學效率。結合三維虛擬仿真實驗室在腫瘤放療教學中的應用，探析虛擬仿真實驗室建設及在腫瘤放療教學中的效果。

[關鍵詞] 三維虛擬仿真實驗室;腫瘤放療;實驗教學

[基金項目] 2020年度華中科技大學產學合作協同育人項目“仿真實驗室教學在腫瘤教學中的應用”（202002196010）

[作者簡介] 徐少杰（1999—），男，河南漯河人，華中科技大學同濟醫學院第一臨床學院2017級臨床本科生，研究方向為臨床教學和基礎醫學;楊盛力（1982—），男，湖北黃梅人，博士，華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院腫瘤中心主治醫師（通信作者），主要從事腫瘤學研究。

[中圖分類號] G644 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）30-0037-04 ? ?[收稿日期] 2021-03-22

一、概述

近些年，在西方發達國家的科技、工業、交通、航空等領域，三維虛擬仿真技術得到相當的重視[1]。目前，三維虛擬仿真技術已經廣泛應用于各個行業，包括教育行業中的教學培訓及實踐實訓、軍事領域內的訓練及演習、銷售行業內的產品宣傳介紹及試用等[2]。盡管如此，該技術在教育行業的應用仍僅限于教育組織的自發使用，并未形成系統的、完善的，能夠自主循環的應用系統，尤其是在高校教育與高等職業培訓等方面的應用，存在著相當大的缺陷[3]。因此，如何將三維虛擬仿真技術更加完善的應用在高校教育與高等職業培訓中是一個具有重要意義和價值的問題。

虛擬仿真實驗室[4]（The virtual/simulation laboratory，VL）是虛擬現實技術的重要載體，主要指依托各個計算機系統，以構建不同的虛擬實驗環境為目的，使用虛擬仿真技術的集合構建接近真實的實驗環境，使實驗者能夠完成預定的實驗內容。建設醫學虛擬仿真實驗室，首先應以學生為主導進行虛擬實驗操作，其次根據虛擬實驗操作的熟練程度決定是否可以進入后續的實際操作，不僅能夠大大提高實驗效率，也避免了可能因不熟練而造成的資源浪費，其優勢明顯，安全、開放同時資源可共享。

二、三維虛擬仿真實驗在醫學課堂教學中的價值

現階段的醫學實驗教學大部分是教師講解、按部就班操作的“填鴨式”教育，學生往往是被動接受學習內容[5]，缺少機會與動機去主動思考，在培養學生的主觀能動性與創造性方面有一定的不足，因此該教育方式很難激發學生主動思考，很難培養學生學習的興趣，缺少對教學內容進行深刻理解的動力，導致學習效果事倍功半[6]。此種教育方式實際上受到客觀條件的限制，僅采用教師演示學生觀看的教學方法很難讓學生產生參與感，學生無法動手，僅靠眼睛觀看，靠筆記錄，無法參與到臨床操作中去，幾乎沒有機會親手實踐，如此便造成醫學理論與實際的脫節。

三維虛擬仿真實驗室以Virtools平臺為基礎[5]，以虛擬現實操作與仿真等多種方式作為實驗教學及操作的手段。建設應用該實驗室，幫助學生更加迅速全面地熟悉實驗儀器，由于使用計算機進行操作容錯率更高，能夠在不熟練的情況下重復練習，大大提高了實驗教學的效率。虛擬仿真實驗除了在學生學習過程中具有優勢外，本身還具有非常明顯的優勢，如低損耗，零污染，符合教育部建設綠色實驗室標準。綜上所述，三維虛擬仿真實驗室的建立能夠有效解決目前傳統教學中無法解決的多種問題，為解決實驗儀器的不足與日益增加的實驗學生之間的矛盾提供了更大的可能性。

（一）三維虛擬仿真實驗室內容豐富

虛擬現實技術充分利用學生好奇的特點，使用計算機創造具有新意的操作界面，將音樂、動畫、影像等多種元素結合，制作出良好的動態效果[7]。其模擬場景與實際實驗室幾乎完全一致，學生在模擬場景中有身臨其境的真實感。三維虛擬仿真實驗室以強大的涵蓋能力將完整的實驗項目包括其中。以氣相色譜為例，三維虛擬仿真實驗室包含以下內容：實驗用儀器的介紹展示、實驗用樣品的預處理、儀器操作及數據處理等，并帶有具體操作步驟提示，錯誤扣分及實時計時等功能。三維虛擬仿真實驗室除了允許學生自己動手完成醫學實驗儀器相關操作外，還能夠自行根據實驗結果對實驗進行優化，如出現分離不理想或峰型拖尾等現象，學生能夠繼續優化虛擬氣相色譜儀的工作條件以達到理想的實驗結果[8]。

（二）有助于全面了解實驗過程

傳統的醫學儀器在對實驗項目進行分析時，需要考慮的客觀因素很多，包括操作條件、安全性及經費等，因此推廣某些高難度實驗十分困難，實驗項目基本采用教師演示為主的教學模式[9]。以一項小白鼠腦動脈手術實驗為例，這類實驗往往由教師在課堂上以PPT演示方式向學生講述操作步驟及注意事項，與真實的實驗存在明顯的差距。為了突破這種限制，引入三維虛擬仿真實驗室后，學生可以通過三維虛擬仿真實驗室了解小白鼠腦動脈的三維空間位置、形態以及精準的直徑等數據，同時可以操作虛擬儀器，并根據模擬實驗結果對實驗進行優化[ 10 ]，在上課時就能熟練地掌握實驗全流程。

（三）共享性及開放性強

傳統的實驗教學的時間和地點都不易變通，且受到各種客觀因素的影響。三維虛擬仿真實驗室是以網絡為基礎，對實驗時間和地點幾乎毫無影響。學生能夠在三維虛擬仿真實驗室進行無限操作，不停進行練習，實驗成本及安全性等因素幾乎不需要考慮。該實驗室不僅本專業學生可以使用，也為其他相關專業學生提供學習的機會，實現資源的有效利用，極大地提高了教學效率。