虚拟实验室在医学实验教学中的应用研究

石新丽，唐飞羽，孙梦雯，刘景利

(1.河北中医学院 基础医学院，河北 石家庄 050200;2.河北医科大学 河北省重大疾病的免疫机制及干预重点实验室，河北 石家庄 050017;3.四川大学 华西基础医学与法医学院，四川 成都 610041； 4.白求恩医务士官学校 医学技术系，河北 石家庄 050081)

1 虚拟实验室的内涵

虚拟实验室的概念是早在1989年由美国弗吉尼亚大学的Wolf教授提出的，用来描述计算机网络化的虚拟实验室环境。虚拟实验室综合利用计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的逼真的三维虚拟环境中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互[1-4]。利用计算机，再加一套虚拟实验软件，实现“以虚代实”、“以软代硬”，就相当于建立了一个拥有先进设备的实验室。用计算机虚拟仪器设备可以进行设备参数测定、操作练习[3]，将冗长枯燥的教学过程改进为“简单虚拟实验—简单实物实验—复杂模拟实验—综合性实物实验”这一循序渐进的过程，不但增强教学趣味、简化知识体系，同时也得以确保教学资源的优化与共享[3]。

2 虚拟实验室在国内外的研究现状

虚拟实验室的研究和应用广受研究机构和软件供应商的重视。早在1995年，互联网上便出现了“虚拟青蛙解剖”实验，“实验者”可以用虚拟手术刀层层分离青蛙，观察它的肌肉和骨骼组织。

目前，国际上具有代表性的生物、医学虚拟实验室有：霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute，HHMI)开发的细菌鉴定实验室、心脏病实验室、免疫实验室、神经生理学实验室等；诺贝尔基金会(Nobel Foundation)开发的虚拟生化实验室[1]。

国内虚拟实验室的建设起步要晚一些，与发达国家还存在一定差距，但发展较快，目前已有部分高校初步建立了虚拟实验室和各类虚拟教学系统[5]。

2003年初，第一军医大学完成了国内首例女虚拟人的数据采集。医生可以为虚拟病人模型进行手术，并可以利用网络远程控制机器人，实施远程手术。手术实际进展的图像也可通过机器人摄像机实时传递并与虚拟病人叠加，以便医生实时掌握手术情况，发出手术指令[6]。

第二军医大学生理学教研室从20世纪90年代开始，对生理学虚拟实验进行初步探索，对“蛙心灌流”、“哺乳动物血压调节”以及“动作电位的产生机制和记录方法”等实验进行了成功的模拟，并先后在国内生理学界的交流会上获得好评。近年来，他们对原有实验进行升级，初步建成了机能学虚拟实验室[1,7]。

3 虚拟实验室在医学实验学教学中的应用

随着对虚拟实验室研究的深入和技术的完善，虚拟实验室在医学实验教学中有了更多的应用，并开始出现在各大研究机构中[8-9]。一些虚拟实验在医学教学中已比较成熟、具有一定代表性并有较高的关注度。

3.1 虚拟解剖

虚拟三维人体解剖学展示系统使用虚拟三维技术进行人体解剖学标本的演示，在清晰度、质感、素材输入难易度上全面超越了常规三维建模方法制作的电子标本。三维动画相对于传统二维图片，具有立体直观、使用方便、无损耗、易扩展等优点，在人体解剖教学及医学科普教育中有良好的应用前景。

3.2 虚拟诊断学

以多媒体编程技术和虚拟现实技术为基础，应用语义识别、TTS发音、动态图形识别和多种音视频素材，构建一个仿真的临床技能培训和诊断思维环境，采取人机交互方式进行实验。虚拟诊断技术具有创新性、交互性、智能性、仿真性、开放性和可扩展性等优点，用于训练和培养医学生、研究生和青年医师，有助于增强诊断学实验教学效果、提高学生的积极性和自主性、培养与学生临床技能和思维能力。

3.3 虚拟切片系统

传统的组织切片存在数量庞大、不易储存和查找不便等弊端，在实际教学过程中很不方便。运用虚拟切片系统，将组织切片转化为数字化的信息，并从中挑选形态学科中结构典型的组织切片信息，即可将制作成的虚拟切片存储在计算机内，按不同学科和章节分库保存，并且建立相应的虚拟切片库。虚拟切片库在方便教学的同时，也在一定程度上实现了资源共享，增进了师生互动。

3.4 虚拟胚胎学教学

胚胎发育过程相对抽象复杂，是医学生理解的难点。应用虚拟胚胎学教学系统，可以实现在课堂上的具体展示，使学生充分认识人胚胎发生与早期发育的全过程，解决因实际教学中对孕妇和胎儿进行跟踪研究不便的教学难点，并且可以在很短的时间内将完整生理过程呈现出来。

3.5 虚拟手术教学系统

虚拟手术是采用虚拟现实技术，利用医学影像数据，利用计算机建立一个虚拟环境，并借助该环境的信息进行手术计划制订、手术演练、手术教学、手术技能训练、术中引导手术、术后康复等工作。学生通过网络可以学习手术前准备、手术全过程以及手术后治疗等。虚拟手术教学系统使教学与临床结合得更紧密，以更高的质量完成教学任务。

4 虚拟实验室在医学教学中的优势

虚拟实验室具有明显的低成本、高效率、功能全等优点，足以弥补真实实验室的不足，因而广受高校和研究机构推崇。

4.1 自由度大

实验教学中往往会因为教学经费短缺、实验场地不足、实验课时限制等原因，使一些实验项目无法开展。学生利用虚拟实验室进行实验，可以不受时间和场所的限制，甚至可以利用网络化手段提高效率[10]，使得以前无法开展的实验项目得以充分开展。学生足不出户便可完成多项操作，丰富感性认识，加深对教学内容的理解，从而大大激发学习的主动性，提高自主学习能力[11]。

4.2 节省投入

节省投入包括2方面：一是可以节省学校在实验室建设方面的投入；二是可以节省实验器材维护方面的投入。目前许多高等院校在实验室建设方面均存在经费投入不足的问题，而虚拟实验室可以实现对现有设备功能的充分发挥。通过网络还可以实现资源共享，避免大型、贵重仪器设备的重复购置[12]。

4.3 安全系数高

在实验进行中，由于操作不当或者其他原因，学生人身安全和仪器设备的安全都受到潜在威胁，甚至有可能造成严重损失。例如：在低压电路实验中，因为元件老化、学生疏忽大意，会发生短路、电流过大的情况而损坏仪器或芯片；在各种较高电压的实验中，也存在设备漏电、学生触电的可能性。采用虚拟仪器进行实验则可以避免此类事故的发生[12]。

4.4 提高了教学效果

虚拟现实技术能实现实验中缓慢过程的快速化或快速过程的缓慢化。相对于传统教学中单一、被动的学习方式，虚拟实验系统能够将每个实验操作最大程度地进行仿真，将实验过程中的图像、文字、声音以及动画等各种因素融为一体，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性。学生通过虚拟实验软件系统可自行设计探索性实验、综合性实验，有利于培养创新能力、实验思维能力和独立解决问题的能力[11]。

4.5 可延续性

根据教学改革的需求，实验课程教学需要不断再设计和补充，其他的计算机技术也可能需要重新开发，而虚拟现实技术良好的二次开发性能够很好地适应这些变化。设计人员只需要将新的实验建模后放入虚拟实验室即可，这在很大程度上解决了重新开发导致的资源浪费问题[13]。

5 虚拟实验室的局限性

虚拟实验室虽具有诸多优点，但是也存在某些局限性，所以在实际教学过程中不可以完全取代真实实验室。虚拟实验室的局限性体现在以下3方面。

(1) 设备参数测试与实物测试有差别，模拟实验不能完全代替实物实验[3]。

(2) 虚拟现实技术属于新兴计算机技术的一种，要求教师具有较专业的计算机技能，而医学专业教师主要侧重于教学能力的培养和教学方法的探索，两者有时不能得到统一。如何实现两种能力的有机组合，又发挥专业技能优势，是当前亟需解决的问题[13]。

(3) 传统的实验教学是在教师的指导下，学生分组进行实验，在实际操作中发现问题并通过合作解决问题。对于较复杂的自主设计实验，要求学生能对课本知识融会贯通，提高动手能力和创新能力；要求多位学生团结协作，明确分工。而虚拟实验室是对现有实验的三维重现，只包含已经建模并输出的实验教学课程，难以模拟具有创新性的自主实验设计[13]。

6 结束语

传统的实验教学通常存在实验保障和仪器维修方面的局限性，且很多学校存在办学基础薄弱、经费不足、实验器材有限、教学方式单一等问题，极大地影响了实验教学质量。虚拟实验室作为新兴的实验教学和科学研究的平台，拥有传统实验室不可比拟的优势，且正在逐步应用于各大研究机构。但关于虚拟医学实验的理论研究基础仍显薄弱，其固有的局限性也使教学效果大打折扣。因此，虚拟实验室的发展需要扬长避短，充分发挥自身优势，辅助完成教学计划、充实信息交流平台，培养更多的有实践能力的创新型人才。

[1] 张伟,张雁容.对医学院校构建虚拟实验室的思考[J].卫生职业教育,2010,28(19):99-101.

[2] 赵靖霞，李育，杨根金，等.虚拟实验室的构建及意义[J].医药教育，2012，2(21):143，156.

[3] 李亚琳,陈小蓉.利用虚拟实验室进行实验教学的研究与实践[J].赣南医学院学报,2008,28(5):727-728.

[4] 陈晶,芮勇宇,王前,等.《临床微生物学检验》虚拟实验室的建设及应用[J].中国实验诊断学，2013,17(3):601-602.

[5] 刘刚,李敏.虚拟实验及其应用研究[J].软件导刊,2012,11(3):22-23.

[6] 钟世镇，原林，唐雷，等.数字化虚拟人中国女性一号(VCH-F1)实验数据集研究报告[J].第一军医大学学报，2003，23(3)：196-200，209.

[7] 夏金辉,韩红,李潇寒,等.生理学虚拟实验室设计建设的几点体会[J].西北医学教育,2008,16(1):109-110.

[8] 崔英善,黄晓鹏,朱俊东,等.虚拟实验室在医学院校教学中的应用研究[J].科技创新导报,2012(31)：177，179.

[9] 袁科理,王晓兰.数字化虚拟实验室在组胚教学中的应用[J].卫生职业教育,2013,31(4):51-52.

[10] 李廷国,姚瑛.高校实验技术队伍建设的研究[J].实验室研究与探索,2008,27(11):150-152.

[11] 张弛,曾勇智,张海涛,等.虚拟实验系统在医学机能实验学教学中的应用[J].教育教学论坛,2013(33):265-267.

[12] 刘泽良.发挥虚拟实验室建设对实验教学的促进作用[J].实验技术与管理,2011,28(7):193-194,197.

[13] 陶清源,王岩,任浩,等.虚拟现实技术在医学实验教学课程中的应用[J].基础医学教育,2012,14(8):627-628.