大鼠腦關鍵核團精準定位與快速取材虛擬仿真實驗項目的建設及應用*

侯俊林 楊麗萍△ 曹 珊 李曉冰 趙培源 劉喜紅 劉 征 陳四清

虛擬仿真實驗是智能環境下教育發展的必然選擇[1]。與傳統教學模式相比,它能節約教學資源[2],改善實驗可視感,充分調動學生的學習積極性[3]。上世紀九十年代中國虛擬仿真實驗開始起步[4],2013年—2015年教育部在全國范圍內建成了300個國家級虛擬仿真實驗教學中心[5]。2017年教育部啟動了國家虛擬仿真實驗教學項目的認定工作[6]。因此各級各類院校都在積極建設虛擬仿真實驗并將其應用于教學[7-9]。

大鼠腦組織是醫學研究中常用的動物組織,大鼠腦組織關鍵核團的精準定位和準確快速取材是醫學各專業學生必備的實驗技能。由于大鼠腦組織結構復雜、核團眾多且細小,不易準確識別,且組織柔軟易損傷,新陳代謝旺盛,耐缺血缺氧能力差,操作時間過久組織容易液化。因此要求大鼠腦組織關鍵核團的定位必須精準,取材必須快速準確。在實驗演示中,由于可暴露創口小,本實驗又屬于操作復雜的實驗,因此演示效果不佳[10,11]。而學生直接實驗成功率低、實驗成本較高,多數醫學院校本科教學難以開設。依據一流學科創新人才培養計劃要求,河南中醫藥大學醫學綜合設計性實驗課程中為本科生開設了大鼠海馬組織精準定位與快速取材實驗,但主要以演示實驗為主,關鍵步驟需要老師代做,難以讓學生獨立操作完成整個實驗過程,也很難支撐后續其他實驗課程的開展及科研工作需求。因此,亟需建設大鼠腦關鍵核團精確定位與快速取材虛擬仿真實驗。

1 實驗教學目標

實驗教學目標為:①掌握大鼠海馬、垂體、杏仁核等關鍵核團的形態結構及位置關系。②了解腦立體定位儀技術原理,掌握腦圖譜的使用方法及精確定位大鼠腦某一關鍵核團的操作方法。③掌握大鼠腦關鍵核團的快速取材方法,培養學生的探索創新和實踐能力。

2 實驗教學過程與方法

將虛擬仿真實驗與傳統授課相結合具有良好的應用效果[12]。本實驗采用“以虛補實、虛實結合”的原則,采用線上線下混合式教學模式,共設置6個學時,線上虛擬仿真實驗3個學時,線下實際操作3個學時。

將實驗課程資源上傳到網絡教學平臺,學生可以通過網絡教學平臺了解實驗項目。在該實驗項目中會呈現出實驗的基本要求和實驗資源,以讓學生預先了解實驗原理、實驗目的和實驗內容,掌握核心步驟操作要領、注意事項等。具體實施過程包括:①學生網上注冊,獲取聽課資質,點擊演示學生可以觀看圖片學習大鼠腦組織各關鍵核團的形態結構及解剖關系,觀看視頻掌握正確的操作過程及其要領。②學生通過“模擬”模塊進行仿真訓練,隨意通過透視、旋轉、拆裝、拼接等虛擬化轉換關鍵核團位置,使復雜結構間位置關系直觀化,直至深刻理解,快速掌握。通過學習實驗原理、反復進行虛擬演練,熟悉操作要領和關鍵參數直至胸有成竹、游刃有余。③學生通過“測評”模塊中試題考核和操作考核兩部分內容,系統自動記錄完成質量和完成時間,并給予客觀分值。滿分同學可進入真實實驗室完成整個實驗過程。

3 交互性操作步驟簡介

產生人機交互和計分點的操作類實驗課程,在信息化教學中具有更好的便利性與沉浸式體驗感[13-15]。因此,項目設置了學生交互性操作步驟的要求及賦分。見表1。

表1 交互性操作步驟要求及賦分

4 實驗教學特色

4.1 教學方法創新大鼠腦組織解剖操作難度大,動物消耗多。為減少實驗動物消耗和環境污染、避免意外咬傷和感染等危險情況,采用計算機模擬虛擬仿真實驗方式,可給學生提供環境好、消耗低、安全可靠的實驗體驗。通過以虛補實的實驗方式,在盡量不增加人力財力物力的情況下為學生提供重復進行大鼠腦組織解剖實驗的機會,加深學生對知識的理解和應用,讓學生在模擬操作過程中用心體會操作要領和關鍵步驟的成功秘訣,切實提高實驗操作技能。

4.2 評價體系創新大鼠腦組織解剖虛擬仿真實驗對學生進行在線操作的跟蹤,實時記錄學生使用情況,并實現在線測試和及時反饋。采取分步計分、最終出成績的方式進行考核,最終成績附扣分說明,讓學生知道哪些步驟操作錯誤,便于再次操作時加強練習。最終成績未獲滿分者需要重新進行虛擬實驗操作,在反復學習過程中強化對知識點的掌握,提升操作技能。

5 小結

大鼠腦組織關鍵核團的精準定位和準確快速取材是醫學實驗常用技術,也是醫學綜合設計性實驗課程的標志性實驗之一。近年來在5+3一體化中醫學、5+3一體化中醫兒科學、中西醫臨床、中醫學、中醫養生學等專業廣泛開展,受益學生5000余人。

實驗采用人機交互、三維建模、虛擬現實等多種數字化、智能化技術手段,搭建3D動畫虛擬仿真教學平臺,將抽象核團轉化為直觀的三維仿真圖像,讓學生通過透視、旋轉、拆分、拼裝等方式加深對海馬、垂體、杏仁核等關鍵核團形狀、位置、毗鄰關系的認識,并對實驗的關鍵步驟進行虛擬仿真,讓學生反復演練,理解掌握關鍵步驟操作要領,可真實還原大鼠腦關鍵核團精準定位與快速取材的核心實驗操作步驟。三維虛擬仿真軟件和虛擬課堂系統相結合,打破了時空局限性,為學生提供了真正的模擬實驗室環境。虛擬仿真教學模式可使學生通過人機交互,掌握大鼠海馬、垂體、杏仁核等關鍵核團的形態結構及位置關系,了解腦立體定位儀技術原理,掌握大鼠腦某些關鍵核團的精確定位和快速取材方法,培養學生的探索創新和實踐能力。整個過程生動直觀、可重復、實驗成本低,具有高度的仿真性和很強的操作性,充分體現以虛促實、虛實互補的教學理念,可有效提高實驗教學的吸引力和教學效果。學生可以選擇練習模塊反復練習、自行評價,實驗無需特定的場地和實驗耗材,學生可隨時隨地進行練習,從而有利于充分調動學生參與實驗的積極性和主動性,保證了教學效果和教學質量的提升。

當下,信息化教學處于互聯網普及時代[16,17],虛擬仿真實驗已成為信息化教學和“金課”建設的重要助力[18]。上述項目的實施可為醫學本科生開展大鼠腦組織取材提供技術支持,為醫學綜合設計性實驗課程的開設提供保障,為大學生創新研究提供重要的實踐平臺。