虛擬仿真平臺在醫學檢驗技術實驗教學中的應用＊

李 侃 楊 輝 龔 權 王 超 聶 浩

（長江大學醫學部，湖北 荊州 434000）

為解決目前醫學實驗教學面臨的實驗條件、實驗成本等問題[1]。長江大學技術與專業科技公司合作開發出來了用于醫學實驗教學的虛擬仿真教學平臺。該平臺結合傳統教學，幫助學生掌握檢驗技術中分析系統、操作流程、技術管理等基礎知識與技能對檢驗專業快速地掌握實驗要點發揮了重要作用。在這里對構建醫學實驗教學平臺的基本狀態及在醫學實驗教學中的使用現狀進行研究，并不斷探索虛擬仿真平臺用于醫學實驗教學中的不足之處，從而進一步去完善教學效果。

一、虛擬仿真實驗教學平臺的構建

1.開發實現與運行環境

構建用于教學的虛擬仿真系統需要利用計算機網絡、SQL SERVER 數據庫、Javascript等編程軟件技術，以圖形工作站為核心進行數學計算和系統運行的，長江大學創建虛擬仿真平臺的開發人員使用actionscript 3.0、javascript1.5等編程語言，在WindowsXP 及以上中文操作系統上運行。它可以通過簡單的用戶界面迅速高效地創建對象、導入外部資源，并通過簡單的拖放動作實現為變量賦值，連接腳本等操作。全新版本的引擎能夠發布支持Windows等在內的多個系統平臺軟件，其操作環境簡單、直觀，且界面運行良好。

細菌藥物敏感試驗虛擬教學軟件是2019年由上海夢之路有限公司協助長江大學編制。該軟件了解基礎培養基制備方法及用途；細菌分離培養技術；觀察細菌在培養基中的生長現象，并掌握紙片擴散法，操作方法及結果判斷；掌握病原微生物對各種抗生素的敏感（或耐受）程度，以指導臨床合理選用抗生素藥物技術特點：利用javascript1.5 編寫動畫和人機交互界面，可以和網絡平臺SQL SERVER 數據庫完美連接。多次根據學校教學的實際反饋進行改進，在學生教學實踐中解決了貴重教學設施不足的問題，教師和學生普遍反映良好，起到了很好的教學效果。

2.虛擬仿真平臺框架的構建

分為虛擬實驗教學軟件操作人機互動接口（操作界面）以及通過真實的設備和藥物進行實驗教學兩大塊。在虛擬教學平臺上設計有供學生進行教學實驗的菜單“實驗目的”“實驗原理”為醫學常識部分，從醫學書上就可以完成資料填充；在“實驗操作視頻”里是根據真實教學實驗時錄制的視頻，當學員需要查看時可以調取相關視頻。當理解實驗操作后，就可以進入“虛擬實驗操作”進行虛擬實驗了。另外，系統設置有“流程出錯停止”和“實驗操作考核”兩種模式，分別用于學生初次學習和實驗考核。

3.虛擬仿真平臺在校園的構建及運行狀態

長江大學虛擬仿真系統的主干帶寬1000Mbps，出口帶寬1040Mbps。經過教學實驗進行檢驗，該校園虛擬仿真平臺能夠安全、穩定地運行。師生都可通過校園網或進入虛擬平臺，注冊的學生可以根據需要進行虛擬實驗。在完成實驗后，學生可以遞交實驗報告。老師隨后就能進行檢查評分；學生可以查看老師的評語以及個人實驗成績。

二、虛擬仿真實驗項目內容的選擇

長江大學對于受藥品或設備資源有限而不能廣泛開展教學的內容作為虛擬仿真平臺研究的實驗項目。如在臨床血液學、臨床檢驗基礎、實驗診斷學等實驗教學中流式細胞儀、全自動血細胞分析儀、全血發光血小板聚集系統、全自動凝血儀等。我們開發了與這些課程有關的虛擬仿真軟件，在里面包含各種設備的原理與外觀、操作演示和操作模擬。學生很快就能夠熟悉并掌握這些虛擬仿真的教學內容。

1.虛擬仿真實驗項目的制作

1.1 教學圖片的搜集與分類

為完成虛擬仿真的制作，首先對實驗室現有的臨床設備、儀器、藥品進行拍照；如果還有部分在實驗室難以獲得（比如：不便于捕捉瞬間的圖片），還可以通過查詢專業醫學網站、動畫制作等方式完成剩余圖片的收集，隨后按照各學科特點進行分類。如在血液細胞形態學、體液形態學中對其涉及的細胞發育各個階段去區分，通過這些便構建了基礎的教學圖片[2]。

1.2 教學視頻的收集與制作

根據傳統教學實驗時錄制符合規范的實驗視頻并保存在數據庫里。對于不便于詳細觀察細節的內容，編輯人員使用軟件進行動畫編輯。再利用“互聯網+”計算機編程技術制作虛擬實驗室，電腦屏幕上展示的各種場景和動畫、讓學生了解實驗室布局以及設備功能、藥品的特性等注意事項，這樣初學者就能夠很快地掌握要點。

1.3 將素材嵌入虛擬仿真平臺

最后為了實現虛擬實驗教學軟件的相關功能，編輯人員將利用計算機根據長江大學醫學實驗教學的需求，編譯成各個模塊的菜單等，并在編輯完成后轉變為可執行文件。隨后教師和學生就可以登錄局域網并運行該可執行文件進行虛擬實驗了。

三、在醫學檢驗專業教學中應用虛擬仿真平臺

1.實驗課堂上應用虛擬仿真平臺的教學

在實驗課堂教學中，教師結合虛擬教學仿真平臺的方法，“虛實互補”，優化教學的步驟和計劃[3]。如臨床血液學中在虛擬實驗電腦屏幕上展示各個方位血細胞的圖片，使學生掌握血細胞來源、組成、增殖、分化的過程，打好了學生實驗診斷學的基礎。為給學生清晰地講解臨床醫學設備的工作原理的結構。我們引入檢驗儀器內部結構的三維動畫模型，不熟悉設備的學生在計算機上就能夠對儀器虛擬拆解成不同的功能部分，這樣學生很快就能夠掌握儀器的原理，各部分的操作要求。類似的還有：半自動生化分析儀數量少，不能滿足學生人人上機動手操作訓練。采用虛實結合的教學辦法，即先由老師在網絡教學系統上講解如何使用操作半自動生化分析儀，學生通過平臺的“人機交互”功能，在電腦上模擬操作半自動生化分析儀；然后讓學生在真實儀器上訓練操作，如此反復多次虛實結合教學。雖然臨床生化檢驗分析檢測項目（血糖、血脂、轉氨酶等）多達數十種；并且檢測方法還有多種方法；每種方法涉及10余種參數設置。但經虛實結合教學，即使半自動生化分析儀數量不足，學生仍能較快掌握儀器的操作技能。即便是難點和重點的連續測定酶活性及K值的計算，在虛擬仿真平臺的幫助下學生也能夠很快的掌握。我們還導入臨床真實病例，學生先按虛擬平臺上提示的說明書要求進行臨床生化試劑盒操作，然后在傳統操作訓練平臺上學習實際的操作訓練，較以前的純理論學習的方法，學生更容易理解新教學方式下的教學內容。可見新的教學模式，有助于學生的操作技能訓練，提高了臨床生化檢驗實驗教學效果[4]。

2.教學方法創新及應用

虛擬實驗教學系統是基于傳統醫學實驗室基礎上的重要輔助教學方式，和原理純傳統的教學模式相比，有很強的趣味性、互動性、可操作性，安全性（沒有生物病毒泄漏的風險）。具體表現為：第一，破除了不同的學科的邊界，比如臨床和病原基礎互相融合，使知識體系變得更加的完整。第二，長江大學和專業的科技公司合作，融合了問題式學習、案例式學習、資源式學習并與醫學網絡實驗教學相互聯系。第三，通過虛擬仿真的互動教學實踐，激發了學生的學習興趣，讓學生能夠自主的將真實傳統的醫學檢驗實驗結合起來學習。第四，可作為科普教育。第五，通過虛擬實驗室平臺對臨床快速檢驗新技術的具體實例進行演示和講解，學生的更容易形成學以致用的思維習慣，將所學的和醫學實例結合，從而在真正參加工作后能夠很快地進入職業的提升過程[5]。

3.自主學習中的應用

學生可以在課下通過網絡，登錄虛擬的醫學實驗平臺，進行課程教學點預習、虛擬實驗等學習內容，還可以在學習完成后做實驗練習題目等，從而幫助學生進行有效率的預習，熟悉實驗的步驟和設備的基本操作方法。學生在沒有真正接觸實驗設備前就能夠充分地掌握實驗目的、實驗原理，基本的實驗操作步驟，關鍵設備的操作要點、注意事項等。從而在真正利用實驗設備和藥物做實驗時能夠很快地進入狀態。減少了藥物的消耗和提高了貴重設備的有效使用率。

四、教學效果

長江大學通過“校—校合作、醫院—學校合作”等多種渠道加速構建實驗教學平臺。目前在校師生可以在需要的時候通過局域網進入虛擬實驗室場景。

1.對象及方法

長江大學選取了兩個檢驗專業班級分別作為實驗組與對照組，作為實驗組的52個學員通過虛擬仿真輔助傳統教學結合的方法進行教學；對照組51個學員，仍然沿用傳統教學模式。通過師生調查問卷和對比不同分組學員的實驗成績兩種方式調研不同的教學方式下的教學效果。之后通過專業統計用軟件對兩組不同的教學方式實驗組的成績結果進行統計分析，由于用于樣本含量較小，樣本檢驗的方法通過t檢驗進行。

2.結果

采用虛擬仿真平臺教學的實驗組進行教學實驗的成績為（85.5±6.7）分，對照組實驗考試成績為（79.5±8.5），實驗組學員的成績結果明顯優于對照組學員，兩組學員的差異具有統計學意義（P＜0.01）調查問卷發放83份，回收有效問卷82份，結果如表1顯示，大多數師生認同采用虛擬仿真平臺開發的虛擬仿真實驗平臺可以引導學員的實驗積極性，對學員快速的掌握實驗要點有很大的幫助。

表1 對實驗組中師生進行問卷調查的結果和評論狀態 人(%）

目前，長江大學基于虛擬仿真用于醫學實驗教學的相關成果已經連續獲得兩屆湖北省大學生虛擬教學比賽一等獎、一項國家軟件著作權、二項省級軟件著作權。

結語

虛擬仿真教學模式由于節約了實驗成本，特別是在貴重實驗設備有限的情況下，能夠利用電腦模擬仿真讓學生在不接觸真實的設備就能夠對相關實驗操作進行形象的操作和理解，從而縮短使用貴重設備的時間，有效地利用有限資源起到很好的教學效果，因此在國內外多個領域內的發展均十分迅速，同時我們也要認識到持久、有效、系統的創新教育，是醫學檢驗教育深化發展的必由之路。雖然長江大學的虛擬仿真教學研究表明該教學模式能夠顯著促進教學效果，但仍然有許多地方值得進一步去完善。比如，目前長江大學的虛擬仿真教學平臺仍然要求學生在大學內安裝了軟件的電腦上操作才能進行教學。在外地學生不能夠到校的情況下，無法進行網上教學，可以考慮繼續改善軟件，讓學生在自己家中就能夠通過上網訪問教學平臺，做到在家中就能夠有效地進行線上教學，減小對教學的影響。