虚拟仿真技术在兽医产科实验教学中的实践与探索

陈 卫，刘 佩，李谷月，李 麟，庄 煜，幸程鸿，黄 橙，郭小权，胡国良，刘 平

（江西农业大学动物科技学院，江西南昌330045）

兽医产科学是研究动物产科生理、产科技术和产科疾病的发生、发展、诊断和预防的学科。由于兽医产科学具有抽象性和复杂性的特点，需要通过实验操作将理论知识生动而形象地展示。因此，兽医产科实验教学在该课程中占有至关重要的地位。兽医产科学是从外科学中分支出来的，其发展起步较晚，最初的内容就是接产和手术助产。经过至今整整一个世纪的发展，兽医产科学现已成为一门完整的、系统的、独立的学科，是六大兽医临床课程(内科、外科、产科、传染病、寄生虫和中兽医)之一。正如于船先生在1987年全国兽医产科学分会成立大会上所言，兽医产科学是“后起之秀”的一门学科。面对实验中切实存在的实验动物难以获取、教学内容相对复杂、教学成本高等现实问题，亟需一项新的技术运用到兽医产科实验的教学中，而虚拟仿真实验的出现为兽医产科提供了新的契机。利用计算机仿真技术能够有效的将兽医产科学理论与实验相结合，解决兽医产科实验教学存在的现实问题。笔者基于虚拟仿真实验技术，打破传统兽医产科实验教学的时间、空间、实验器材、实验动物的限制[1～2]。有助于学生在虚拟仿真实验中进行自主探究和实践操作，培养了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

1 传统兽医产科教学的发展

《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020）》内容指出：为适应发展现代产业体系和构建社会主义和谐社会的需要，加大重点领域亟需紧缺专门人才开发力度。主要举措是进一步扩大专业技术人才队伍培养规模，提高专业技术人才创新能力，构建分层分类的专业技术人才继续教育体系，加快实施专业技术人才知识更新工程，培养出符合时代需求、实际动手操作能力强、具备创新思维和创新能力的学生，能够充分发挥在经济社会发展的引领作用。兽医产科教学从早期“教师讲解与示范，学生观察与操作”的教学方法过渡到教师结合试验模型讲解，利用多媒体授课，并结合科研等多元化的教学方式。

2 教学现状

相比于传统的兽医产科灌输式的理论教学，“新”传统兽医产科教学呈现了多元化发展。多媒体教学、浸制标本、挂图、模型进入了大学生课堂。新时代下对人才选拔的要求越来越高，“新”传统兽医产科教学由于课程学时、师资力量和科研经费、实验动物的难以获取等原因的限制，其理论教学往往是多于实践的，“新”传统兽医产科教学主要面临以下挑战。

2.1 教学手段单一

随着城市的快速扩张，许多学校失去了作为学生教学基地的教学实习场地，从原本的校内实习变为室内实习，这给兽医产科教学带来了巨大的挑战。以江西农业大学动物医学专业为例，兽医产科仅仅只有48个学时，其中理论课已占36个学时。理论课程主要包括第一章生殖内分泌学中内分泌系统的生理作用及其调节、生殖激素作用原理以及与母畜繁殖的关系；第二章母畜生殖机能的发生、发展与调控中卵子发生与卵泡的发育、生殖功能以及母畜发情周期的特点及发情鉴定；第三章受精中配子的形成、运行以及受精过程；第四章妊娠母体妊娠识别、胚胎发育及胚泡附植等章节的内容[3]。要想在短短的时间内系统深入的讲解是不可能的，更别说创新。兽医产科教学实习包括常见产科器械的认识、奶牛乳房炎的诊断、成年母兔的子宫摘除、猪精液品质的检测等。受课程时长的限制，前期的实验准备往往是由教师一个人完成，如“奶牛乳房炎的诊断”实验，去牛场采集乳液，乳液的保存、稀释等步骤均有教师提前完成，学生就会错过很多实验的细节问题[4]。教师通过PPT，动物模型对学生进行知识的传输，这些内容往往抽象并且乏味，没有具体实验动物和实验环境，不能给学生营造一种身临其境感觉，学生对专业知识的理解往往只停留在理论方面。

2.2 师资缺乏，经费不足

2020年是国家实行国家中长期教育改革和发展规划(2010—2020年)纲要的最后一年，加强实验室建设，强化实践教学环节”是兽医产科教学的长期目标。现实情况是高校的教师大多数都是学校到学校，许多的博士、硕士多数是从事分子、细胞水平的研究，对于兽医产科教学往往是缺乏实践和经验。想要成为一名合格的兽医产科教师必需付诸时间去思索，用行动去实践。大量临床经验的积累是将兽医产科教学与生产实践相联系的基础，这给高校招聘合格的教师提出了新的难题。目前，我国许多地方高校都扩大招生，但优秀的教师资源严重匮乏，每位教师承担1～2门课程，甚至更多[5]。繁重的教学任务给任课教师带来了巨大压力，没有条件和时间去探索、去思考，兽医产科的发展停滞不前。

教学经费不足又是制约兽医产科前进的另一个原因。兽医产科是一门临床实践性很强的学科，同时也是对于其他兽医基础学科的应用，要想提高学生的动手能力，就必须付诸大量的临床实践。面对高校教师资源的缺乏，招生数目的扩大，大学教学经费投入却缓慢增加，导致人均教学经费减少。由于人均教学经费的减少，临床典型病例无经费跟踪，实验动物由大动物变成小动物，实验场地由室外转向室内，极大的限制了学生的成长空间。

2.3 理论与实践脱节

要实现提高学生的动手能力和临床实验手术突发情况的应变能力的培养目标，实践就显得尤其重要。兽医产科教学内容覆盖范围广，对兽医内科、外科、兽医基础学科等都有涉及。缺乏教学资源给兽医产科的教学带来了挑战。学生的学习犹如走马观花，往往只停留在问题的表面。像讲解难产助产时，教学实践就很难开展，首先是很难恰好买到怀孕的家畜，加上实验器材、实验场地的限制，周围的无菌环境也很难控制，结果就是抽象的理论式教学。学生不能亲自动手操作，无法掌握手术技能，教师也无法当场发现和纠正学生存在的问题。一些高校会安排学生进行校外实践，学生常常只能观摩，很难有机会亲手操作。没有形成连续、系统的生产实践活动，临床实践缺乏无法真正掌握畜牧生产技术与流程，毕业后无法真正实现“零距离”上岗。

2.4 环境污染

以牺牲动物生命来实现验证性实验的做法也越来越不认可，需要用其他方式来代替。在环境因素方面：兽医产科实验废弃大量的垃圾，如实验动物、血液、注射器、药物等势必给环境造成污染，也是造成病原体传播的重要传染源。虚拟实验平台的建立可以避免这些现象的发生，提供安全的实验环境。兽医产科实验教学环节长期以来花费大量的资金、物资和人力，节约资源提高效率应该是兽医产科实验教学的改进目标之一。

3 虚拟仿真技术在兽医产科教学中的应用

动物医学专业学生的培养目标是具有创新能力的应用型人才，因此在学科设置上突出实验教学，为学生提供更多的实践机会。兽医产科是动物医学和动物科学专业的基础课程之一，没有充足的动手实践机会，直接影响人才培养的质量[6]。将虚拟仿真实验与兽医产科教学相结合，学生课前可以对课堂内容有一个很好的预习，课上根据自身掌握情况可以选择性查缺补漏，减轻了教师的教学压力，充分发挥了学生学习的主动性，切实提高的了教学质量。

3.1 构建虚拟的实验环境

打破传统实验教学方式，以虚拟仿真的表现形式，实现情境、过程、结果的真实感体验。虚拟仿真实验中被虚拟的对象可以设定为动物、仪器设备、场景。如以动物为模拟对象的教学情境设定，可以是以细胞、组织、器官等内容，系统建立计算机教学模型，再通过计算机网络虚拟仿真技术来对比生命体正常生理状态下的生命特征和病理状态下的病理变化，进一步学习疾病的发病机理和治疗过程中的机体变化等。在模拟牛的剖腹产实验中，学生可以了解整个实验过程，实验前实验动物的麻醉、实验部位的消毒，实验过程中可以观察牛产道的变化，牛的剖腹产和手术的缝合，实验结束后，可以线下观察和了解术后的恢复情况。进入“仿真”并“虚拟”阶段，所用这些都是在计算机上实现的，例如问诊、触诊、听诊、产道的观察、剖腹产操作全过程、术后用药及护理观察等模拟操作。在虚拟仿真实验中，材料选定都要高度仿真[7]。实验内容尽可能反映新进展、高技术含量、精密定量等，最好能做到跨学科、综合性，注重科学问题，淡化传统学科界限，做到兽医临床各学科的高度结合。

3.2 加强合作研究

坚持资源共享原则，推进资源有效利用。在虚拟仿真牛剖腹产手术实验中，面向省内外涉及动物医学、动物科学、动物药学等同类专业教学的本科院校、专科院校、高职院校学生进行开放和运用，实现远程教学、资源共享，让更广泛的学生获得机会提升动物产科手术实践技能和理论知识。在重点服务高校学生实验教学的同时，也逐步向社会实践工作人员开放，获得更大的社会效益。目前，不仅包括科研部门的研究人员、兽医与技术专业人员、培训参考获证的相关人员，也有农业部门较多的基层动植物检验检疫人员，经常在一线从事专业实践技能的工作，渴望对专业知识有更深入的了解和需求，利用本实验教学系统便是学习的有效途径，有利于提升专业技能与理论知识。

培养有一定科研能力和创新意识的兽医产科学专业人才，是适应创新型国家建设的必需，也是教师培养创新型人才的首要任务。在本科教学实验中，加些科研实验，比如生化指标测定、PCR、ELISA检测等实验，要求学生们熟练掌握动物采血、血清分离以及离心机、酶标仪、PCR仪、移液枪的使用等。在奶牛乳房炎诊断实验中，利用PCR技术可以有效快速诊断致病菌，给临床检查提供了便利[8]。同时鼓励本科生报名参加创新创业项目，项目材料先有学生独立撰写，锻炼了学生独立思考问题，解决问题的能力。

4 问题

随着信息科学和农业科学的融合，虚拟仿真技术在动物科学研究领域呈现出良好的应用前景，虚拟仿真实验室的建立，对促进医学教育与训练模式的改革，提高训练效率和质量有着重要意义，虚拟仿真实验在兽医产科教学中的应用应当注意以下几点。

4.1 虚实结合的教学原则

虚拟仿真实验是建立在虚拟现实之上的一项先进人机互动技术。虚拟仿真技术与兽医产科教学的深入融合将枯燥、抽象的兽医产科知识内容具体化、形象化。极大程度地提高了学生对于兽医产科知识的学习兴趣。虚拟仿真实验的不足也日渐凸显，兽医产科教学分为理论课和实验课两个部分，最终目的是培养学生的动手操作能力。静脉注射和宠物针灸针刺的力度感，手术过程的动物体温和内脏检查温度感，以及血液的粘度感，精液品质检查时精液的气味，发情鉴定时家畜的动作，神态仅仅依靠虚拟仿真技术是无法实现的。必需依靠系统科学的训练才能够实现。

4.2 完善虚拟仿真技术

基于临床兽医学教师人才的缺乏，尤其是在兽医产科方面，兽医产科学中的超数排卵、精液品质检查、直肠检查、发情鉴定、生殖激素测定、妊娠诊断、乳房炎的检查、人工授精、胚胎体外培养、胚胎移植等内容都具有很强的实践性。要想精通兽医产科的临床专业知识，就需要学习者投入大量的精力。虚拟仿真技术已在在动物解剖学、组织学、病理学、生理学、病理生理学、药理学等机能学教学中的应用已有报道，在兽医产科教学的报道还未出现。面对懂兽医产科教学而虚拟仿真技术不精，懂虚拟仿真技术的人员对兽医产科专业知识了解不多，虚拟仿真技术人员能否准确把握教师对建模方面的要求（逼真的动物几何模型、形象的生物学特点和行为学特征、灵动的实验操作环境），是实现虚拟仿真实验和兽医产科教学的深度融合的关键。