虚拟实验室与组织胚胎学实验教学

2013-04-10刘胜兵王鑫泉曹利仙郭燕君沈忠飞

实验室研究与探索 2013年2期

刘胜兵，王鑫泉，曹利仙，郭燕君，沈忠飞，徐营

（嘉兴学院医学院人体解剖与组织胚胎学教研室，浙江嘉兴 314001）

0 引言

1989年，美国William Wulf教授提出了虚拟实验室概念。虚拟实验室中使用虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，综合了各种计算机技术和网络技术，是现代仿真技术的延伸［1-2］。其由计算机模拟真实的环境，参与人员通过相应的设备对虚拟环境中的目标进行操控，进行交流，从而产生同真实环境相同或相近的体验［3］。而通过VR技术教学，对教学内容进行仿真模拟，也在很多学科中得到了较好的应用。通过VR模式教学，学生和虚拟空间的互动形成无形课堂，使得教学活动的时间和空间得到最大限度的扩大［4］，在网络普及的今天，这种互动也很容易得到实现。

组织学与胚胎学作为一门医学基础课程，其容量大，内容抽象［5-6］，虽然现在教学中采用多媒体教学，同时很多内容配有动画，但这些教学手段也有很大的局限性，有些内容学生仍然很难理解［7］。在原有的教学技术和手段下，合理应用虚拟实验室，通过虚拟环境替代或互补传统的实验模式。有助于学生对内容的理解和掌握，也是一种全新的尝试。

1 虚拟实验室在组织胚胎学实验教学上应用的必要性

组织胚胎学实验内容主要分组织学实验和胚胎学实验。组织学实验中主要通过显微镜观察相关组织结构，传统的显微镜观察对刚接触组织学的同学来说，难度较大。从立体结构到光学显微镜下平面结构的思维转换，需要一个很长的适应过程，而且作为医学一年级的学生，在理论课上知识的积累和掌握主要是依赖于机械性的记忆来完成，没有形成完整的理论知识体系。实验课上，学生对结构的直观感觉来源于显微镜，显微镜下观察的结构比较固定，因此大部分学生会感到抽象、枯燥和不容易理解而失去学习的兴趣和热情。VR技术提供的虚拟实验室通常不受时间和空间的约束，同时VR提供的实验环境和现实接近［8］，易于学生理解和操作，学生参与其中，通过人机对话，成为虚拟环境中的参与者和主导者，这样容易激发学生的学习兴趣，也有助于对内容的理解。VR技术可以虚拟组织或细胞的立体结构，配合声音和动画，然后从不同的角度演示立体到平面的演变，使初学者从不同的角度去理解这样的转换，对平面结构有直观的感觉。传统的胚胎学实验，都是以观察标本和模型为主，现在由于多媒体技术的发展，实验课中通常可以配合相应的动画，帮助理解胚胎发育过程中的变化，但是标本、模型和简单的动画，很难体现胚胎发育过程中的结构变化，很难立体的再现各个组织和器官发生的过程以及位置的变化。而VR技术充分利用多媒体技术，大量应用实验照片、视频、音频素材并配合逼真的动画，可以为学生创造虚拟真实的实验环境，充分达到清晰、美观的视觉效果［9］，因此可以通过VR技术模拟从受精到胎儿分娩过程中的关键事件，多角度、立体的直观展示胚胎发生的变化过程，使学生从各个角度去观察胚胎发生的过程，可以加深对理论上内容的理解。

2 虚拟实验室可以承接解剖学和组织胚胎学

人体解剖学和组织胚胎学同作为重要的医学基础课程，两门课程之间联系密切，这两门课程的开设时间并不在同一学期。很多同学在学习组织胚胎学时，通常很难去联系先前所学的解剖学知识。事实上，解剖学和组织胚胎学在内容上有很多承接，通过回顾解剖学的内容而引入组织胚胎学的知识，有助于同学的理解。从大体结构到微细结构的顺利过渡，普通的多媒体教学，很难做到这一点。而通过VR技术，可以把解剖学和组织学的相关知识进行串联，形成一个系统的形态学知识体系。在解剖学的教学上，VR技术已有应用。德国汉堡Eppendorf大学医学院就曾建立了一个的虚拟的人体系统［10］，运动系统、心血管系统和神经系统等许多器官是三维可视的，学生可以自行模拟解剖过程［11］。现在可以对各个器官的解剖结构进行进一步的延伸，从器官到组织再到具体的细胞，形成一个体系。通过虚拟实验室，可以实现从器官到组织和细胞，让学生从大体结构到微观结构进行逐步观察，形成一个循序渐进的体系，有助于学生对微观结构的理解和掌握。

3 虚拟实验室可以有效模拟不同知识情景

VR技术可以模拟各种不同的疾病和系统症状，通过一些疾病的发生过程和症状的场景模拟，让学生更直观地理解细胞的结构和功能。例如，在讲述肥大细胞的结构和功能的时候，可以通过虚拟实验室，设计一个过敏反应的病例，虚拟显现出从过敏原进入机体到肥大细胞脱颗粒这样一个过程，再现过敏反应的一般症状，使学生在疾病的发生过程的场景模拟中，自然地掌握了相关细胞和组织的机构和功能。通过VR技术，应用虚拟实验构建合适疾病情景，这样的知识情境不但有助于增强学生对知识的理解，也能激发学生学习的动机，为知识有效迁移提供有力支持，拓展了教学与学习内容，为学生搭建理论与实践紧密联系的桥梁。对于组织胚胎所涉及的实验操作，有些实验可以让学生动手操作，有些由于各种条件的局限性，不能由学生自己动手完成。而通过VR技术来模拟相关的实验过程，使学生可以比较系统的了解组织胚胎学相关的实验技术，拓宽知识面，增加对所学内容的理解。建立虚拟实验室，可以利用数据库技术、网络技术等建立与现实实验室功能相似的、可视化的三维实验环境［12］。在此环境中的学生，有自己的操控自由，可以实现各种实际的甚至现实实验中不能完成的实验以及想象的实验场景。这样突破了实验教学的时间与空间的限制，降低了实验教学对现有实验条件的依赖性。VR技术可以使一些枯燥的、或现实实验条件中难于完成的实验，得以虚拟重现，这样有利于学生对知识的全面掌握，培养学生的学习兴趣，提高学生的创新能力，为以后的临床和科研工作打下坚实的基础。

4 虚拟实验室在实验教学应用中的局限性

虚拟实验室单纯依赖电脑，学生对虚拟环境中的实验设备和各种试剂没有直观的体验［13］，因而无法获得和现实实验操作相同的体验。VR技术主导的虚拟实验对学生来说，只能起到过程的重现和一些的实验技术的演示，学生只有在现实中才能得到训练。而且学生在现实实验操作过程中经常会出现的一些不规范方法和一些容易疏忽的细节，在VR技术中，往往得不到实际的操作体验和明显的体现［14］。VR技术还不能系统显现实验操作和实验教学中的系统性，对学生分析问题和解决问题能力上的培养还有所欠缺［15］。因此，我们在应用VR技术的同时，还是要结合传统实验模式，取长补短，提高实验课的效果，让学生更好、更多的去接触和掌握实验内容。任课教师也应该充分熟悉和了解VR技术，充分利用VR技术，发挥虚拟实验的优势。