三维虚拟仿真实验室在肿瘤放疗教学中的应用探讨

徐少杰 彭纲 张盛 胡建莉 杨盛力

[摘 要] 随着现代科技的迅速发展与普及，国内高校的课堂、实验教学等均朝着信息化、智能化与互动化的方向发展，因此，虚拟仿真技术应用于高校实验课得到了广泛的重视。肿瘤放射治疗作为一门理论与实践紧密联系的学科，以放射物理学、放射生物学、医学影像学以及解剖学等学科作为基础，在学习的过程中不仅需要掌握理论知识基础，更要注重动手实践能力的培养。三维虚拟仿真实验室能够很大程度上推动实验教学改革，加快实验教学的信息化建设，提高医学实验教学效率。结合三维虚拟仿真实验室在肿瘤放疗教学中的应用，探析虚拟仿真实验室建设及在肿瘤放疗教学中的效果。

[关键词] 三维虚拟仿真实验室;肿瘤放疗;实验教学

[基金项目] 2020年度华中科技大学产学合作协同育人项目“仿真实验室教学在肿瘤教学中的应用”（202002196010）

[作者简介] 徐少杰（1999—），男，河南漯河人，华中科技大学同济医学院第一临床学院2017级临床本科生，研究方向为临床教学和基础医学;杨盛力（1982—），男，湖北黄梅人，博士，华中科技大学同济医学院附属协和医院肿瘤中心主治医师（通信作者），主要从事肿瘤学研究。

[中圖分类号] G644    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）30-0037-04    [收稿日期] 2021-03-22

一、概述

近些年，在西方发达国家的科技、工业、交通、航空等领域，三维虚拟仿真技术得到相当的重视[1]。目前，三维虚拟仿真技术已经广泛应用于各个行业，包括教育行业中的教学培训及实践实训、军事领域内的训练及演习、销售行业内的产品宣传介绍及试用等[2]。尽管如此，该技术在教育行业的应用仍仅限于教育组织的自发使用，并未形成系统的、完善的，能够自主循环的应用系统，尤其是在高校教育与高等职业培训等方面的应用，存在着相当大的缺陷[3]。因此，如何将三维虚拟仿真技术更加完善的应用在高校教育与高等职业培训中是一个具有重要意义和价值的问题。

虚拟仿真实验室[4]（The virtual/simulation laboratory，VL）是虚拟现实技术的重要载体，主要指依托各个计算机系统，以构建不同的虚拟实验环境为目的，使用虚拟仿真技术的集合构建接近真实的实验环境，使实验者能够完成预定的实验内容。建设医学虚拟仿真实验室，首先应以学生为主导进行虚拟实验操作，其次根据虚拟实验操作的熟练程度决定是否可以进入后续的实际操作，不仅能够大大提高实验效率，也避免了可能因不熟练而造成的资源浪费，其优势明显，安全、开放同时资源可共享。

二、三维虚拟仿真实验在医学课堂教学中的价值

现阶段的医学实验教学大部分是教师讲解、按部就班操作的“填鸭式”教育，学生往往是被动接受学习内容[5]，缺少机会与动机去主动思考，在培养学生的主观能动性与创造性方面有一定的不足，因此该教育方式很难激发学生主动思考，很难培养学生学习的兴趣，缺少对教学内容进行深刻理解的动力，导致学习效果事倍功半[6]。此种教育方式实际上受到客观条件的限制，仅采用教师演示学生观看的教学方法很难让学生产生参与感，学生无法动手，仅靠眼睛观看，靠笔记录，无法参与到临床操作中去，几乎没有机会亲手实践，如此便造成医学理论与实际的脱节。

三维虚拟仿真实验室以Virtools平台为基础[5]，以虚拟现实操作与仿真等多种方式作为实验教学及操作的手段。建设应用该实验室，帮助学生更加迅速全面地熟悉实验仪器，由于使用计算机进行操作容错率更高，能够在不熟练的情况下重复练习，大大提高了实验教学的效率。虚拟仿真实验除了在学生学习过程中具有优势外，本身还具有非常明显的优势，如低损耗，零污染，符合教育部建设绿色实验室标准。综上所述，三维虚拟仿真实验室的建立能够有效解决目前传统教学中无法解决的多种问题，为解决实验仪器的不足与日益增加的实验学生之间的矛盾提供了更大的可能性。

（一）三维虚拟仿真实验室内容丰富

虚拟现实技术充分利用学生好奇的特点，使用计算机创造具有新意的操作界面，将音乐、动画、影像等多种元素结合，制作出良好的动态效果[7]。其模拟场景与实际实验室几乎完全一致，学生在模拟场景中有身临其境的真实感。三维虚拟仿真实验室以强大的涵盖能力将完整的实验项目包括其中。以气相色谱为例，三维虚拟仿真实验室包含以下内容：实验用仪器的介绍展示、实验用样品的预处理、仪器操作及数据处理等，并带有具体操作步骤提示，错误扣分及实时计时等功能。三维虚拟仿真实验室除了允许学生自己动手完成医学实验仪器相关操作外，还能够自行根据实验结果对实验进行优化，如出现分离不理想或峰型拖尾等现象，学生能够继续优化虚拟气相色谱仪的工作条件以达到理想的实验结果[8]。

（二）有助于全面了解实验过程

传统的医学仪器在对实验项目进行分析时，需要考虑的客观因素很多，包括操作条件、安全性及经费等，因此推广某些高难度实验十分困难，实验项目基本采用教师演示为主的教学模式[9]。以一项小白鼠脑动脉手术实验为例，这类实验往往由教师在课堂上以PPT演示方式向学生讲述操作步骤及注意事项，与真实的实验存在明显的差距。为了突破这种限制，引入三维虚拟仿真实验室后，学生可以通过三维虚拟仿真实验室了解小白鼠脑动脉的三维空间位置、形态以及精准的直径等数据，同时可以操作虚拟仪器，并根据模拟实验结果对实验进行优化[ 10 ]，在上课时就能熟练地掌握实验全流程。

（三）共享性及开放性强

传统的实验教学的时间和地点都不易变通，且受到各种客观因素的影响。三维虚拟仿真实验室是以网络为基础，对实验时间和地点几乎毫无影响。学生能够在三维虚拟仿真实验室进行无限操作，不停进行练习，实验成本及安全性等因素几乎不需要考虑。该实验室不仅本专业学生可以使用，也为其他相关专业学生提供学习的机会，实现资源的有效利用，极大地提高了教学效率。