基础医学虚拟仿真实验模式探究

杨丹聃, 王志飞, 王艳玲, 施雨露, 申耀楠, 赵静霞

(1. 吉林大学 基础医学院, 吉林 长春 130021； 2. 吉林大学 实验室与设备管理处,吉林 长春 130012； 3. 吉林大学 护理医学院, 吉林 长春 130021)

基础医学虚拟仿真实验模式探究

杨丹聃1, 王志飞2, 王艳玲1, 施雨露1, 申耀楠1, 赵静霞3

(1. 吉林大学 基础医学院, 吉林 长春 130021； 2. 吉林大学 实验室与设备管理处,吉林 长春 130012； 3. 吉林大学 护理医学院, 吉林 长春 130021)

为实现实验教学信息化,探索了构建基础医学虚拟仿真实验平台的可行性和实现方法。以基础医学实验教学为研究对象,将虚拟仿真技术与教学结合,综合相关文献及医学院校建设虚拟平台的现状,将虚拟平台应用于医学教学,解决了功能模块的组成和技术支撑等建设问题。通过虚拟教学,在基础医学实验领域不断地探索实践,提升了教学质量、拓展了教学空间,增强了学生自主学习和创新能力。

虚拟仿真； 实验教学； 基础医学教学

随着科技的不断进步,特别是信息化技术手段的不断创新,国内外医学教育水平不断提高,医学教育与信息化的高度结合已成为新世纪医学教育的必然趋势。我国高度重视高等教育的信息化建设,教育部作出了进一步建设国家级虚拟仿真实验教学中心的部署[1]。基础医学是现代医学的基础,是应用科学,对基础医学专门人才的培养,需要有更先进的教学理念和教学方法。基于虚拟环境的新型实验教学给基础医学教育提供了全新的教育思维模式和更便利的学习条件。

1 虚拟仿真实验建设的现状

虚拟仿真技术是以计算机软件、硬件为基础,采用相关技术手段,通过对已知或未知世界的仿真,使人获得真实感受的一种先进的计算机应用技术[2]。虚拟仿真实验是应用计算机仿真技术,模拟真实实验情境、创设高度仿真的实验操作环境,操作者可以真实感受到预定实验环境的氛围,确保训练和实验效果[3-4]。它是虚拟现实实验技术应用于研究的重要载体。虚拟仿真实验始于1989年,William Wolf教授首次提出构建一种基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台[5]。随后,国内外众多机构对虚拟仿真实验进行了探索,很多高校组建了不同学科的虚拟实验室,优化和创新了新型人才培养模式,为社会输送了更多、更优秀的创新型人才。

世界科技发达国家推动了实验教学改革向信息化教育方向发展,使虚拟仿真实验技术成为实验教学不可或缺的重要手段。他们创造了虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等多种先进技术结合的虚拟实验模式。例如英国开放大学基于互联网的三维世界“第二人生”(Second Life)教学,加拿大维多利亚大学建设的3D实验室和人类学创客实验室等[6],都代表了先进科技的虚拟开放实验教学形式。

在医学教学方面,美国和日本的学者最早启动了虚拟化人体解剖的工作,并创建了一套可以交互提取各种器官的解剖资料的虚拟3D人体解剖图系统,该系统已经可以让操作者在进行虚拟手术的同时感受到触觉反馈[7]。国外很多优秀的虚拟仿真实验教学手段值得国内高校借鉴。

自20世纪90年代后期,我国高校虚拟仿真实验教学建设开始迅速发展[8],探索性地增设了一些虚拟实验教学内容。2013年,教育部评审出首批100个国家级虚拟仿真实验教学中心[9]。截至2015年9月,全国已建设200个国家级虚拟仿真实验教学中心,分布在全国155所普通本科院校,其中一些高校建有2个以上国家级虚拟仿真实验教学中心[10]。2015年问卷调查显示,已有高达78.48%的高校有支持和培育虚拟仿真实验教学中心的计划和投入[9]。虚拟仿真实验教学已经越来越受到高校的重视,在实验教学中发挥了重要的作用。

2 基础医学虚拟仿真实验建设特点

在基础医学的实践教学中,利用计算机网络为学习者提供自主式、交互式、开放式的实验环境,已成为医学现代教育技术应用的一种趋势[11]。与传统实验教学模式相比,虚拟仿真实验技术有着自己独特的优势特点。

2.1 虚实结合,丰富立体

基础医学实验教学是基于实验原理、内容等基础理论知识的操作性教学,旨在培养学生综合实验技能、科研思维和创新能力。虽然普通的实验操作过程培养了学生的动手操作能力,但是由于实验设备条件的限制、实验动物伦理限制以及实验学生的技能局限等诸多因素制约,使学生在学习过程中不能反复、灵活进行实验操作,实验效果不够理想。

利用虚拟仿真实验平台进行仿真实验,可以使学生通过实验灵活地学习课程内容,再结合实验操作,达到融会贯通。一些日常较难开展的大型综合实验,也可以用虚拟实验代替,以虚补实、虚实结合,显著提高基础医学的教学质量。

2.2 自主学习,积极灵活

以往医学实验教学主要是以教师为主导的程序化教学,表现为教师讲授、学生接受的单向知识传输状态[12-13]。学生要按照既定的实验步骤操作,在设定的时间内完成实验任务,缺乏主观能动性与创造性。

虚拟教学平台可以提供全天开放的网络实验环境,学生可以自选实验项目、自主学习,最大限度地发挥学习的主动性。通过实验平台的开放式学习和反复实践,学生可以更好地强化基本实验技能并激发求知欲。

2.3 生物安全,节约成本

传统的基础医学实验存在以下问题:

(1) 病理切片标本消耗量大,重复利用率低；

(2) 存在被实验动物咬伤、高致病性微生物感染、剧毒性药品中毒、放射性污染等不确定风险；

(3) 实验用动物及试剂购置费用上涨,大型仪器设备购置、运行、维护费用开销大而实验教学经费不足。

生物安全问题和昂贵的实验教学成本,困扰着一些高校基础医学的实验教学；而虚拟仿真技术可以避开这些问题,为学生搭建起一个低成本、无风险、可调控的实验技能训练平台,实现基础医学实验教学新模式的转变。

3 基础医学虚拟仿真实验建设内容

综合国内医学院校基础医学虚拟仿真实验教学平台的建设情况,虚拟仿真实验教学内容都与实际开展的实验项目紧密结合、息息相关,大致分为机能科学、人体解剖学、生物化学分子生物学、形态学、病原免疫学等模块。

3.1 机能科学实验模块

虚拟仿真实验教学平台的机能科学实验模块,设定生理、病理生理、药理等机能科学学科内容,进行知识模块划分及知识点安排。在计算机系统中应用Flash、Director、数据库等技术,开设动物实验的操作规范、手术器械及实验仪器的使用、生理测定的过程等虚拟实验[14]。实验目的和实验原理使用文字介绍并搭配Flash展示,实验过程可交互式操作[15],使实验者可以像在真实环境中那样,运用虚拟技术对实验动物或标本进行虚拟操作,完成预定实验项目。学生可以在虚拟平台上反复模拟实验操作,不受实验动物、试剂、场地等的制约。

这种灵活的实验操作,使得机能科学一些高难度的综合实验项目——例如心力衰竭、急性呼吸衰竭、失血性休克、有机磷酸酯类中毒等实验项目能够实际操作、反复实践,使学生有更好的实验认知和基本技能的掌握。

3.2 人体解剖学实验模块

人体解剖学实验模块主要由3D虚拟解剖系统组成,虚拟实验对象可以任意角度旋转、移动或缩放,可以分解或组合显示,也可以类似用解剖刀由浅入深选择剖析,每层显示不同的颜色并添加详细标注[16]。该系统的图像清晰、解剖结构准确,采用区域参数改变的方式突出显示,解决了标本缺乏、学生难以理解和辨认的问题。教学过程也可加入声音文件、三维动画演示辅助教学,使抽象问题具体化,增加了趣味性,加深学生对人体形态结构的学习和理解[17]。

3.3 生物化学分子生物学实验模块

开发常用的分子生物学实验模块,如RNA提取、凝胶电泳、PCR等作为一级界面,点击进入实验目的、原理、步骤、注意事项、操作等二级界面,如点击操作可进入三级工作台界面。学生依据操作提示,通过鼠标完成实验仪器移动、添加样品等实验操作[18]。高度仿真的实验操作过程让学生能完整掌握和熟悉整个操作过程,提高学生的实践操作能力。

3.4 形态学模块

形态学模块的虚拟项目建设是在没有真实显微镜的情况下,模拟显微镜进行形态学切片观察、标本三维展示、虚拟读片等虚拟实验操作,突破了显微镜本身的功能限制[2]。精选各种病理学切片、组织学切片、寄生虫学切片等,完成标本的录入和数字化处理,建立丰富的图片数据库,实现了将难以采集的标本数据运用于实验教学实践。

3.5 病原免疫学模块

应用形象的三维微观模型动画,直观免疫学的原理及过程。病原免疫学模块知识链条丰富、模型精致、沉浸感强,增加了知识的趣味性。结合模拟实验,为学生增加多操作的实验训练平台,提高学生的科研探索能力。

4 虚拟仿真实验平台运行机制

计算机技术的发展对虚拟仿真实验教学的技术支持非常充分。计算机和网络的普及,为虚拟仿真实验平台的普及提供了便利的硬件条件；虚拟仿真软件已可以进行复杂的虚拟实验开发并且支持升级。

多媒体素材制作软件包括图像图形处理软件Photoshop、CorelDRAW和freehand等；动画制作软件3ds MAX、Maya、Flash等；声音处理软件ulead media studio、sound forge、cool edit、wave edit等；视频处理软件包括ulead media studio、adobe premiere等；多媒体程序语言包括Flash actionscript、director Shockwave等[8]。

在基础综合实验模块下包含多个子实验,子实验中均包含基础知识点、视频动画、模拟操作、测试考试等模块。人体生物形态模拟和实验操作模拟是医学虚拟实验平台的最重要组成部分,它依靠三维软件的灵活建模技术实现。3ds MAX、Maya 是主流的虚拟仿真建模软件,Zbrush、Rhino、AutoCAD和Mudbox等也是常用的辅助建模软件,还有MakeHuman 等人体、生物形态数据的专用软件。多种软件的结合运用,可以创建出高效、逼真、科学的动态生物及医学相关模型,为虚拟仿真实验的开展奠定基础。

5 结语

虚拟仿真平台以其丰富、灵活、可控等优点,显著拓展了基础医学实验教学资源,提高了教学质量,对实验教学改革有重要意义,在医学教育领域具有广阔的应用前景。随着科学探索的不断深入,基础医学仿真实验教学必将不断完善,为具有科研能力、实践能力、创新能力的高素质人才培养搭建更好的平台。

References)

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Research on experimental mode of basic medicine virtual simulation

Yang Dandan1, Wang Zhifei2, Wang Yanling1, Shi Yulu1, Shen Yaonan1, Zhao Jingxia3

(1. College of Basic Medical Sciences, Jilin University, Changchun 130021, China; 2. Department. of Laboratory & Equipment Management, Jilin University, Changchun 130012, China; 3. School of Nursing, Jilin University, Changchun 130021, China)

The aim is to achieve experimental teaching informatization, and explore the feasibility and practicality of basic medical virtual simulation platform. The experimental teaching of basic medical science acts as the research object. Combining teaching with virtual simulation technology, associating the related literature with the present situation in medical colleges, the virtual platform is applied to solve the problems of functional modules and technical support. Through the continuous exploration and practice of virtual teaching in the field of basic medical experiment, it greatly improves the quality of teaching, expands the teaching space, and enhances the students’ability of autonomous learning and innovation.

virtual simulation; experimental teaching; basic medical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.031

2016-10-14

吉林大学2015年实验技术项目

杨丹聃(1989—),女,吉林长春,硕士,助理工程师,主要研究方向为免疫学实验

赵静霞(1963—),女,吉林长春,硕士,高级实验师,主要从事护理学实验研究.

G642；R-4

A

1002-4956(2017)3-0124-03