多学科无创血压虚拟仿真实验项目的建设

马剑峰， 蒋慧敏， 韩 蓓， 张 斌， 张 茜， 王 丽

（1.山东大学齐鲁医学院基础医学院，济南250012；2.山东商业职业技术学院，济南250103；3.山东电力中心医院，济南250012）

0 引 言

为贯彻习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神，教育部发布了《教育信息化2.0行动计划》，在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合［1］，教育部长陈宝生［2］也在新时代全国高等学校本科教育工作会议上提出高校要“全面坚持以本为本、推进四个回归、建设一流本科教育”，其中，在回归初心中讲到“高校要用知识体系教、用价值体系育、用创新体系做”，只有不忘初心、才能方得始终。

虚拟仿真实验是智能环境下教育发展的必然选择，是信息化教学的重要组成部分，它通过仿真、数字建模和多媒体等技术，在计算机上创建一个可视化的三维环境，营造出模拟的仪器性能、实验对象、实验条件［3］。与传统的实验教学相比，虚拟仿真实验突破时间和空间的制约，为学生提供全天候互动的开放式实验环境，弥补实物教学资源的特定限制，通过互联网实现资源的共享。虚拟仿真实验可以使学生获得与真实实验一样的体会，从而加深对教学内容的理解，学生还能随时随地在虚拟环境中开展实验活动，提高学生的自主学习和实践能力［4］。虚拟实验在激发学生求知欲，培养学生创造性思维，提高专业技能等方面具有重要意义，已成为当前许多高校实验教学改革发展的一个重要方向。

1 项目的建设背景

我国自启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设以来，到目前全国高校已获批的国家级虚拟仿真实验教学中心达到300个，并在高校开展了示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作［5-6］。随着现代信息技术的飞速发展，具有沉浸性、交互性的虚拟仿真技术也被大量引入医学院校实验教学中［7］。例如，吴健桦等［8］构建的寄生虫学虚拟实验软件已在上海交通大学实验教学中心网站开放，学生可以登录网站自主操作，由反馈结果来看，学生对软件的易操作性、自主学习性能、课堂内容延展等方面均有较高的满意度，并希望继续采用虚拟实验的教学方式。第三军医大学的赵志钢等［9］将虚拟实验融入病理生理实验教学中，通过对虚拟实验中实验原理、操作仿真等内容的学习，学生可全方位的了解整个实验并更加快速有效地掌握相关理论和实践知识，受到学生的普遍欢迎。成都医学院国家级医学虚拟仿真实验教学中心［1］，基于虚拟动物及虚拟标准化病人开展的大叶性肺炎及其诊疗虚拟仿真实验项目，充分发挥虚拟仿真实验在基础医学教学中的作用，促进基础与临床有效衔接，开辟了临床思维训练虚拟仿真教学资源新途径。此外，医学微生物学、分子生物学等在教学中也引入虚拟实验进行了探索和尝试。

关心和爱护实验动物，促进人与自然和谐发展，成为当代人类社会文明进步的重要标志。减少动物实验的呼声越来越高，使用新技术减轻实验动物的疼痛与不安，开展无创实验成为医学实验发展的趋势之一。

在基础医学领域内，医学机能学实验学科群包括机能学融合实验课、生理学实验课、药理学实验课、病理生理学实验课和医学心理学实验课，各学科实验中都有有创血压实验如心血管活动的神经体液调节、中枢神经系统药物对动物学院的影响等，由于实验设备条件的限制、实验动物伦理的限制以及学生实验技能的局限等诸多因素制约，使学生在实验过程中不能反复、灵活进行实验操作，实验效果不够理想，远远不能满足教学的需要，影响对学生动手能力的培养，使用智能无创血压仪并辅以不受时空限制的无创血压虚拟仿真实验替代有创生理记录仪开展血压实验成为未来选择之一。以本校平台为例，购入的智能无创血压仪由于设备价格较贵、专业性强、精密性高、操作复杂，目前只用于综合性机能学融合实验课程肾上腺受体激动剂对习得性焦虑的易化作用实验，没有在众多学科的循环系统有创血压实验中推广使用。

2 项目建设的目标和内容

为提升医学机能学科循环系统实践教学效果，提出了建设多学科无创血压虚拟仿真实验教学的方案，将复杂的实验教学环境实时仿真同步呈现并探究学习过程，无创血压虚拟仿真实验与无创血压实操实验虚实结合，充分发挥虚拟仿真实验在实验教学中的作用，借以夯实学生的实验技能、巩固专业知识、开拓科研思路、拓宽思维空间，加深对实验内容的理解，促进基础医学实验教学信息化的发展。

（1）研究目标。构建较为完善的多学科无创血压虚拟仿真实验及教学体系，依托云计算、VR/AR、数字建模等技术制作虚拟仿真实验，通过虚拟仿真技术将复杂的无创血压实验操作制成具可辅助教学的交互式虚拟实验［3］。与无创血压实操实验教学有机结合，起到辅助实验教学、强化实验教学的效果和作用［6］。应用于实验教学中，与传统模式相辅相成、优势互补，充分开发实验教学的独特功能，增强学生的学习兴趣和自主学习能力，提高教学质量。

（2）具体内容。依据机能学科特点并参照机能学实验教材，多学科无创血压实验教学项目首先构建了三大模块的虚拟仿真实验，包括智能无创血压仪操作规范及指南虚拟仿真实验、肾上腺受体激动剂对习得性焦虑的易化作用虚拟仿真实验、药物对大鼠动脉血压的影响虚拟仿真实验。建设基于校园网直观、互动的多学科智能无创血压虚拟实验教学体系，借助国家医学虚拟实验教学示范中心，利用计算机网络为学生提供自主式、交互式、开放式的无创血压实验环境，使教务管理员、学生、教师均参与其中，充分发挥网络及虚拟教学的优势。通过计算机虚拟技术模拟真实动物及其组织器官的形态结构，借助虚拟的生理指标检测结果，对药物作用下机体病理生理功能出现的变化进行观察，并通过虚拟技术对动物实验的过程进行演示，使机能学多学科中枢血压实验教学不仅拘泥于传统的教学模式，而更具有感知性和交互性，让学生通过实验学习得到更大的收益。

另外，智能无创血压仪是建立高血压模型、观察各种因素对血压影响、开展高血压及心脑血管疾病研究专业性很强的血压测量设备，该设备可为我校大学生科技创新项目搭建一个实验平台。无创血压虚拟仿真实验可为学生正确使用智能无创血压仪提供直观的操作指南，有利于实验室向学生开放，使精密仪器更好地为教学服务、为学生服务。

3 项目的建设方案

在探索构建多学科相交叉的机能融合实验过程中，建设了多学科循环系统无创血压虚拟仿真实验项目（见图1），把线下教学和虚拟实验有机结合起来，建立了虚拟与实训互补、基础与临床融通的实验教学模式，有效拓展了实验教学的空间和时间，让学生变被动为主动，显著提高了学生的学习成效和线下课堂的学习效率。

根据智能无创血压仪操作规范及指南虚拟仿真实验、肾上腺受体激动剂对习得性焦虑的易化作用虚拟仿真实验、药物对大鼠动脉血压的影响虚拟仿真实验的目的要求和实验方法，依托计算机三维图形、视频建模、虚拟现实等综合技术以数值变化、三维动画等为展现形式，简单、直观、生动地展示出动物的血压调节机制并分析药物作用机制，调节相关参数可快速生成仿真模型，生成一个逼真的将抽象实验内容形象化和具体化的沉浸度较高的高度仿真的虚拟实验对象和实验环境，每个虚拟仿真实验由实验简介、模拟操作、虚拟实验操作、数据分析、思考题等5大操作模块组成［7］。实验简介模块尤其是虚拟实验操作模块的设计及构建是本课题的重点难点［4］。利用虚拟技术，生动形象、专业科学的模拟动物的形态、结构、功能及药物作用下动物病理生理功能的变化，是本课题需要解决的关键问题。

（1）构建3大模块的无创血压虚拟仿真实验。以传出神经系统药物实验中药物对大鼠动脉血压的影响为例，利用虚拟技术模拟真实动物及其组织器官的形态结构，并拟合心率、呼吸、体温等生命指标，借助虚拟的血压检测结果，对药物作用下机体出现的血压变化进行观察，分析其作用机制。还拟通过虚拟现实技术对动物实验的过程进行演示，使实验教学更具有感知性和交互性。

（2）虚拟实验内容的模块设计。关于虚拟实验的内容，对于每个实验分为实验简介、操作视频演示、虚拟实验操作、数据分析、思考题等5个基本模块进行设计。①实验简介模块以文本、图表方式对相关理论知识作简要阐述，使学生熟悉实验目的、理解本实验的理论背景；实验步骤主要以图片方式对动物、器材、步骤作逐条展示，使学生有直观的感性认识；对容易出错、难掌握的重要步骤，如家兔的颈总动脉插管等，并配备相关视频演示并设置播放控制按钮，以便学生反复观看、自学掌握。②操作视频演示模块是虚拟实验的重点部分，以智能无创血压仪操作规范及指南虚拟仿真实验为例，包括软件安装、动物固定、参数设置及测量、实验结果编辑、主机操作、更换大鼠橡胶膜6大部分，操作视频真实地再现无创血压实验操作的每一个操作步骤的关键点，学生能通过视频了解无创血压实验的全过程。实验涉及的知识点、操作重点和注意事项都有配音讲解，使学生知其然也知其所以然，对该项技能心中有数，避免盲目照搬［10-12］。图2所示为无创血压数据采集界面。③虚拟实验操作模块是虚拟实验的核心部分，学生通过与计算机交互完成实验操作，生动形象地再现对实体动物处理的每个过程。同样以智能无创血压仪操作规范及指南虚拟仿真实验为例，虚拟实验操作模块包括实验原理、操作前准备、仪器参数设置、动物固定及仪器操作、操作后处理5部分。虚拟操作系统提供了无创血压实验操作情景、操作物品、操作流程、实验场景、设备全景界面等内容，真实再现了实验室情境。学生可对虚拟实验操作反复练习，熟练掌握实验目的、实验材料、实验步骤、注意事项等相关的理论和实验知识才能进入系统操作［10］。④实验报告模块要求学生将各个部分总结归纳、对实验结果进行综合分析，在线填写并提交，培养学生的科研思维能力。

4 构建无创血压虚拟实验教学体系

为了紧扣国家虚拟仿真实验教学项目建设的脉搏，顺应学生学习习惯，为学生提供更好的虚拟学习框架和内容，多学科无创血压虚拟仿真项目接口层设有手机微门户和门户网站2种层面；课件层先期有3个无创血压虚拟仿真实验项目，后期还将陆续扩展；平台层建有教学任务管理、学习管理系统LMS和形成性评价系统；整个系统由校园网高性能服务器和数据库以及云平台支撑。

（1）微信微门户。移动互联网已经深入生活中的每个角落，兼容手机浏览必然是大势所趋，学生通过手机来访问学习及完成虚拟实验，是移动互联网时代的新特征，也是提升学生网上学习参与度的有效方式［13-16］。建设的多学科无创血压虚拟仿真系统，学生可在任意时间，任何空间、任何移动终端上登录“教育资源”及“教学应用”使用，为实验平台构建了一个资源共建共享、虚实结合、教研一体的教学新模式，使理论教学和实践教学相得益章。微门户还可联动微信作为信息发布平台，手机访问自适应，完成课件学习、在线考试等任务。

（2）门户网站。多学科无创血压虚拟仿真项目采用PC和移动端双入口设计，充分满足学生多样化学习需求；后台编辑方便，无需专人维护。

（3）系统的维护和管理。采用学习管理系统（LMS），一键切换线上教学模式，平台提供强大且实用的管理功能，使教师组织线上教学、开展形成性评价等非常容易，极大地减轻教师负担，提升工作效率和教学效果［17］。①组织教学。支持多种创建班级形式，文件导入、复制已有班级、从数据库添加、手动添加等，灵活方便；每个班级的课件、作业、测验等情况一目了然；课件灵活发布［18］。②教学活动丰富多彩。可开展课前、课后测验；支持线上互动，作业批改，实验报告批改等活动；支持PPT、PDF、Word、Mp4、Flash等多种形式的微课学习；支持学习时长记录，课件成绩自动统计，平时作业、测验等可计入期末成绩；学生可对课程、教师进行评价［19］。

5 结 语

虚拟仿真实验项目按教学课程体系设计，提供智能无创血压仪操作规范及指南虚拟仿真实验、肾上腺受体激动剂对习得性焦虑的易化作用虚拟仿真实验、药物对大鼠动脉血压的影响虚拟仿真实验实验项目，知识体系完整，内容丰富，系统性强；内容设计科学，界面友好，操作提示清晰；开放式设计，课程设置多条分支，打破传统固定教学模式，手机可以看虚拟课件，支持移动端灵活接入学习；虚拟实验使用SCORM（Sharable Content Object Reference Model）标准课件跟踪学生学习可计分、可评价。

机能学实验室教学平台现在是我校国家实验教学示范中心骨干课程，本项目与实操教学有机结合，有力保障了平台现有基础基本实验和融合交叉实验的顺利开出，并满足创新性实验和大学生科技创新项目的需求，以最大限度的培养大学生的动手能力和创新能力。