虚拟仿真教学系统在胚胎学教学中的应用探讨

冯潇，李臻

(空军军医大学人体解剖与组织胚胎学教研室， 西安710032)

“健康所系，性命相托”，是每个临床工作者发自内心的誓词。要成为一名合格的临床工作者，掌握人体胚胎发育的基础知识是非常重要的。人体胚胎学是以研究人体发生发育为对象的一门学科。研究内容包括生命的孕育，胚胎的演化过程，发育各阶段的形态生理演变特征，发育过程中对于外在条件的适应、变异和遗传以及个体发育与种系发育。在人体胚胎发生过程中，魔幻般的变化令教师难以讲明，学生难以清晰的理解，是医学教育中最抽象、最复杂、也是最具想象空间的一门课程。由于该课程专业性较强、内容展示手段较少、可供参考借鉴的资料也极为欠缺，所以胚胎学教学的平面教学讲解难度较大，影响了胚胎学教学的授课效果。因此，通过数字化虚拟仿真教学系统替代或者互补传统的胚胎学教学模式，迫在眉睫。

虚拟仿真教学是一种共享型虚拟现实系统，是应用虚拟现实构筑的虚拟环境能够为学习者提供一个生动、逼真的学习环境，是目前国际先进的教学模式。目前国内已有多家国家级虚拟实验教学中心，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，让学生可以随时随地通过网络在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。虚拟仿真技术已被广泛地应用于医学院校教学和科研领域，成为国内外现代教育的研究热点和发展趋势[1,2]。

1 胚胎学传统教学的基本现状

胚胎学能帮助人们用唯物主义观点理解生命个体的发生与演变，以及个体与环境的联系。医学生只有在学习了胚胎学之后，才算真正完整地了解了人体。胚胎学的研究也已经经历了几十个世纪，形成了几个主要的分支学科，包括有描述胚胎学、比较胚胎学、实验胚胎学、化学胚胎学、分子胚胎学、畸形学与生殖工程。传统的胚胎学教学模式仍然是通过观察标本、模具等，再结合教科书的描述进行观察， 晦涩难懂、枯燥乏味的，已然不适应现如今素质教育的需要与要求。因此，结合目前的教学现状，创建出一套行之有效的能提高胚胎学教学质量的新模式是医学院校培养高素质医学人才面临的重要问题[3]。

1 .1 部分教学内容复杂，难以理解和记忆

人体胚胎学属于发育生物学范畴，学习时需要观察胚胎标本、模型、图谱等，结合教科书的描述进行观察，要建立空间概念和形象思维，与成体器官的结构相比较，学生在理解和消化学习内容时，会感觉难度较大，不易把握。胚胎学的研究对象不同于解剖学、组织学等形态学科的显著特征，在学习时既要了解某一时期胚胎的立体形态，也要掌握不同时期这些结构的来源与演变过程，即胚胎的时间与空间的结构变化。因此，对于刚入门的医学生来说很难适应，学习起来颇为吃力，常产生畏难情绪。同时各个器官、系统、组织的胚胎发育往往相互关联、同时衍变，尽管教师可以使用幻灯片、挂图等相对直观的教学手段授课，但仍给人以枯燥、抽象的感觉，总之，胚胎学的教学特点决定了它是基础医学课程中授课和学习难度最大的课程之一。因此，部分学生对胚胎学有厌烦心理。

1 .2 学生缺乏学习兴趣以及学习的主动性，听课效果欠佳

经调查，多年来学生一直认为胚胎学难学，难以产生学习兴趣。 我们分析主要原因是：胚胎学是动态的科学， 需要学生充分发挥三维、四维空间想象能力，来充分理解学习内容。胚胎学名词、学习内容抽象，靠想象难以理解和记忆；胚胎学理论课以集中讲授理论知识为主，按照教学计划，胚胎学部分学时数设置较少，每次理论课授课内容就会很多，惟恐学生听不懂，教室故而多采用“满堂灌”的方式，一味地追求灌输，没有给学生留有思考与自学的余地，限制了学生想象、思考的空间，这自然要影响教学效果。由于采取大班授课，学生人数多，教室的空间较大，在一定程度上影响了标本、模具辅助教学效果；此外，为了完成计划内教学大纲的授课内容， 授课教师必须保持较快的教学节奏，以至于学生的听课效果大打折扣。因此，由于专业性较强、内容展示手段较少、可供参考借鉴的资料极为欠缺，胚胎学部分多年以来一直是组胚教学的难点，解决这个问题迫在眉睫[4]。

2 虚拟实验室在教学中的优势

2 .1 内容全面

虚拟教学系统按照最新的国家规划本科教材设定，通过多媒体动画视频技术将文字、图片、三维模型、切片、动画、视频、习题等多种形式的资源结合，以卵裂这一知识点为例，不但有平面的连续的图片展示，而且有动态的视频展示（图1，图2），这些可以从多个角度形象地展示卵裂的发育过程，使人体胚胎学不再抽象、晦涩难懂。教学系统可以涵盖“人体早期发生发育篇”、“人体胚胎器官系统发生发育篇”和“先天畸形篇”，内容丰满。这个系统以发育时程为轴线展示胚胎发育或畸形发生过程中的大事件，以大节点包含若干小节点，每个小节点又包含若干知识点来组织内容，全面系统的辅助教学、学习过程[5]。

2 .2 讲解深入

系统内置大量精彩课程，展示方式多种多样，讲解严谨深入，寓意准确清晰。教程中的内容，都是在深入理解相关胚胎事件的基础上设计和绘制出来的，极具独创性和实用价值。通过多种多媒体演示方式，将文字描述、图片观察、视频讲解、三维结构和时序三维动画等方式结合起来，将晦涩难懂的人体胚胎学教材中各章节的知识点进行了综合性的展示，层层递进，逐层深入（图3）。相比较传统的教学手段，该系统中的数字化教学内容更加生动、直观，较好地降低了教学难度，提高了学生的学习效率。

2 .3使用灵活

胚胎学虚拟仿真教学系统可以通过三维交互技术实现人机互动，从不同的角度演示立体到平面的演变，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，多角度、立体直观的展示胚胎发育的变化过程，使学生从各个角度去观察胚胎发生发育的关键事件，从而加深对理论内容的理解。胚胎学虚拟仿真教学系统可以支持学生自主学习（图4），又可根据教学需求灵活应用，为教师制作电子课件提供大量素材，使教学和学习更加简单高效。每章均有关于本章节重点知识讲解的视频微课，系统性讲解本章所要学习的内容。系统内每个知识点都单独配有视频讲解，方便教学。系统制作了相关的三维模型，将人体胚胎的发育过程直观的还原，师生可旋转模型，从任意角度进行观察，并可添加标注方便学习[6]。

图1 卵裂过程仿真图（彩色）与实物图（相差图）Fig.1 The simulation images (multicolor) and the physical images (phase contrast images) of the cleavage process

2 .4 适用广泛

胚胎学虚拟仿真系统的建设紧贴教学实际需求，该教学系统的建成既为学校本科生、研究生、继续教育学员的培训提供重要的教学手段，同时也可以节省教学经费的投入，极大地提高教学效果。又为临床各科室医生提供了对先天性疾病的发生及表现再学习的机会；同时可成为优生优育科普宣传教育的窗口（图5），应用潜力巨大。

3 结论

现代科技的发展推动着虚拟仿真实验室的发展，随着这项技术的成熟，虚拟仿真教学系统已经在各大高校和科研机构中被广泛的使用，这不但符合当今国家对于高等院校教学改革的相关要求，也对促进我国医学教育的改革以及提高教学质量和效率具有举足轻重的意义。虚拟仿真教学具有信息化技术特征，不仅丰富多彩了教学内容，突破了传统教学方式的诸多局限性，高度仿真实验环境，还具有完善的管理功能、交流功能和考试功能，并且可以配合“云平台”形成“线下+线上”的教学模式，变革了传统的教学形式，系统的管理功能协助学校、教师和学生进行教学管理、统计和分析；交流系统可以让师生之间、学生之间进行无缝沟通交流，提高学习效率；专业化的教师系统方便教师对学生的学习状况进行考核，数字化的考试方式更加灵活自由，方便高效[7]，数字系统给胚胎学教学带来前所未有的发展空间，而且在医学教育领域具有广阔的应用前景[8]。虚拟仿真实验平台的应用和发展，可以依托当前便利的互联网技术，做到资源共享。比如开发高校虚拟仿真实验室的微信平台，号召学生关注相关二维码，增加课下的自主学习；开发3D技术，将胚胎发育的过程做成一个微电影等，这样可以极大地解放传统实验教学的困顿局面，同时也能解决师资不够的情况。虚拟实验室具有许多的优势，作为走在时代最前沿的教育工作者，我们应积极地把虚拟技术运用到实验室建设中，做到虚拟与实际操作相互结合，相互补充，服务教学，发挥虚拟实验室在新时代教学和科研中的巨大作用。

图2 卵裂的三维动画及视频展示图。A，动态展示桑椹胚；B，动态展示单细胞期发育形成二细胞期；C，动态展示八细胞期。Fig.2 Three - dimensional animation and video display images of cleavage. A, A dynamic display image of the morula; B, The dynamic display image of unicellular stage developing into the bicellular stage; C, A dynamic display image of the eight-cell stage

图3 章节及知识点目录Fig.3 Contents of chapters and knowledge points

图4 学生自主学习展示图Fig.4 The display of student self-learning

图5 科普宣传展示图Fig.5 The display of popular science propaganda