小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件的构建及其在教学中的应用

刘 苏，卢宏涛，张荣佳，韩 玲*

（1.海军军医大学航海医学国家级实验教学示范中心，上海 200433；2.海军军医大学海军医学系海军营养与食品卫生学教研室，上海 200433）

0 引言

小动物活体成像技术利用荧光素酶基因或荧光报告基因等标记细胞或DNA，通过高灵敏度的成像检测系统和图像处理软件，可直接观察和监测活体动物体内肿瘤的生长及转移、基因表达、药物作用等生物学过程[1-2]。该技术具有灵敏度高、检测快、直观、无毒、无放射性、易于操作、实验数据真实可靠等优势，在医学研究、生命科学及药物开发等领域应用广泛[3-4]。小动物活体成像仪（Bio-Real，Quick View3000）是我校航海医学国家级实验教学示范中心使用率较高的大型仪器之一，在我校科研及教学工作中发挥着重要作用。我校航海医学国家级实验教学示范中心自2016年开始于每年秋季学期开设小动物活体成像技术应用与操作研究生选修课，目前这门课程已经纳入我校研究生选修课中的重点学习内容。这是一门实践性很强的课程，学生通过课程学习掌握小动物活体成像仪的使用与操作，并利用已掌握的系统知识解决科研工作中遇到的问题。作为一门大型仪器操作使用的培训课程，实验课担负着重要角色，在授课中占有较大比重。因此，必须加强实验教学，才能将教师机械地传授理论知识转化为学生积极主动地探索实践，从而提高学生的动手能力和专业水平[5]。

本课程传统的实验教学模式是教师集中讲解小动物活体成像仪的组成、使用方法、技术要点并进行操作演示，再安排学生进行实际操作。我校2020年秋季学期共有7名一年级研究生选修该门课程，但仅有1台小动物活体成像仪，实验教学效率不高，难以满足全体学生的实验教学需求。徐召等[6]将虚拟现实（virtual reality，VR）技术应用于小动物活体成像仪的培训中，构建了虚拟培训系统，但是该培训系统需要在专业的VR实验室运行，对场地和设备都有较高的要求。本文构建小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件，本软件可在手机、平板计算机或者计算机等终端上直接使用，克服了时间和空间的限制，能帮助学生更好地理解与掌握小动物活体成像仪的操作与应用，弥补传统实验教学的不足，拓宽学生的科研思路，提升学生的科研能力。

1 小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件的设计

小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件整体场景真实模拟整个小动物活体成像仪的实验室环境，学生可以置身于较逼真的场景中进行虚拟实验操作。本软件包括背景知识、仪器简介、实验模拟和课后巩固4个模块。在背景知识模块，学生需要学习小动物活体成像技术相关的理论知识，包括小动物活体成像仪的结构、原理等基础理论知识的要点。仪器简介模块将以视频的形式让学生了解实验室内整个仪器的组成、结构特点。实验模拟模块将模拟小动物活体成像仪的操作过程，即进入实验室—开启小动物活体成像仪—小动物的麻醉—实时显示控制—生物发光成像/荧光成像（若需去除背景干扰、多荧光目标分离则进行荧光多光谱分离）—图像处理—关闭小动物活体成像仪（如图1所示）。最后一个模块是课后巩固，当学生完成虚拟实验操作后，可以通过这些习题对知识点和操作注意事项进行回忆和巩固。

图1 小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件操作流程图

2 小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件的实现

小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件的开发是利用MAYA、3D Max等软件搭建实验环境，构建仪器、动物等模型，通过三维建模的方式制作出模型的雏形，添加模型贴图，渲染三维素材，获得逼真的实物效果图[如图2（a）～（b）所示]。场景中的实验仪器均按照真实实验器材进行建模，可展示仪器的细节，学生能够身临其境地参与到整个实验过程当中，可以感性认知实验课程的内容和相关知识。二维虚拟实验中的仪器、操作界面、习题界面等素材是运用SAI、AI、Photoshop、Flash和数字绘图工具绘制，所有素材全为二维矢量素材[如图2（c）所示]。再结合Flash Max、Flash Builder、ActionScript 2.0、ActionScript 3.0以及Unity3D等高级程序语言来进行交互式动作的设计，比如麻醉装置旋钮的调节、暗箱门的打开与关闭等。所有动画过程均为交互式动画，学生可以触屏或使用鼠标点击完成动画交互过程。

图2 小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件的制作过程

小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件采用浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）架构，支持网页界面操作方式，可在手机、平板计算机或者计算机等终端上使用浏览器直接打开，无需下载，克服了早期虚拟仿真实验由于软件的限制而不能够广泛使用的弊端。本软件可与本中心的网站进行无缝对接，通过本中心的网站实现学习和共享，支持系统管理员、教师、学生使用不同的身份登录软件，完成班级组建、课件学习以及考核评价等所有与该课件相关的教学功能。

3 小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件的功能模块

3.1 背景知识模块

背景知识模块包括实验目的和实验原理2个部分[如图3（a）所示]。实验目的是需要学生掌握小动物活体成像仪的系统构造和操作过程，熟悉小动物活体成像仪的成像原理。实验原理部分介绍了小动物活体成像技术的分类、几种小动物活体成像技术的优缺点比较、生物发光和荧光2种光学成像技术的原理、小动物活体成像仪的系统构造及重要部件电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）的原理。

3.2 仪器简介模块

仪器简介模块是一段实体实验室仪器的介绍视频，主要介绍了小动物活体成像仪由暗箱、计算机和气体麻醉系统组成，以及气体麻醉系统的使用和暗箱系统的结构特点[如图3（b）所示]。本着“虚实结合”的原则，这部分加入了实体仪器的视频，学生配合实体仪器视频的观看和学习，可以加强对仪器组成和结构特点的实体感性认识。

3.3 实验模拟模块

实验模拟模块是整个软件的核心内容，涵盖了小动物活体成像仪操作过程中的9个实验步骤[如图3（c）所示]。从进入实验室查看实验室内陈列开始，开启小动物活体成像仪和计算机系统中的软件，然后对小动物进行气体麻醉，将麻醉后的小动物放入暗箱中，通过计算机中的软件系统调整好保温台温度和最佳视野。此时，根据个人实验需要选择生物发光成像模式或荧光成像模式，2种成像模式都需要设置参数后进行图像数据采集，在荧光成像模式中如果需要去除背景干扰和进行多荧光目标的分离则需要进行荧光多光谱分离。图像数据采集结果出来后需要进行保存和处理，实验结束后关闭小动物活体成像仪和计算机系统。整个模拟实验过程中共设置约60个交互操作，包括仪器的开机与关机、氧气瓶和麻醉装置的调节、软件参数的设置、实验结果的保存与处理等。在模拟实验操作过程中，学生可以按顺序逐步完成实验，也可以在界面左侧调节进度条，直接跳到想要学习的步骤。

3.4 课后巩固模块

课后巩固模块列出了与实验原理和操作注意事项相关的习题[如图3（d）所示]，题型主要有选择题和填空题，考核内容涉及仪器的组成、气体麻醉剂的选择、CCD温度的调节等知识点。当学生回答错误时界面会给出正确答案提示，借此帮助学生理解和强化实验操作过程中需要掌握和注意的知识点。

图3 小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件的各模块界面图

小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件具有学习和考核相结合的模式，既可供学生自主学习，也可以进行考核评价，使教师掌握学生的学习情况。学习模式中会有文字等引导提示，可以帮助学生完成学习和实验操作，尤其是关键步骤的操作注意事项，会用醒目的提示表示出来，便于学生在操作时把握使用技巧，当出现操作错误时也会出现提示。而考核模式会根据设置的知识点自动判分，记录学生学习成绩，结束时给出考核评价结果（如图4所示）。

图4 虚拟仿真实验考核评价结果

4 小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件的教学效果

小动物活体成像技术应用与操作课程共30课时，其中实验课为14课时，占比接近50%。为了保证每个学生都能够动手操作仪器，安排6课时用于学习仪器操作，其余8课时用于实验动物模型成像检测，基本以教师操作和讲解为主。整个实验教学过程只能保证学生学会仪器的基本操作，难以让学生将所学知识与自己的科研工作相结合，不利于培养学生的科研思维和科研能力。

小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件自2020年10月研发成功以来，迅速投入教学实践中。以2020年秋季学期选修小动物活体成像技术应用与操作课程的研究生为授课对象，将小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件应用于实验教学中，取得了良好的教学效果。

4.1 课前预习

课前预习是实验教学中的重要环节，学生在这个环节中需要熟悉实验的基本过程和实验仪器的操作。传统的课前预习过程中，学生只能通过教材学习实验的相关知识，难以形成深刻的印象。而虚拟仿真实验操作比静态的文字更加直观，更能激发学生的学习兴趣，提高其学习效果。在课前，教师安排学生通过计算机、手机或平板计算机登录本中心的网站对小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件进行学习。学生通过学习背景知识模块、仪器简介模块，对小动物活体成像仪有一个系统的了解，之后模拟操作小动物活体成像仪并进行考核。学生完成考核后将考核评价结果发送给教师，可以帮助教师掌握学生的学习情况，并对课程内容做出及时调整。在进入实体实验室进行仪器操作课程前，所有学生考核结果均已达到90分以上。

4.2 课中教学

通过本软件的学习和探索，学生已经对整个仪器操作有了一个基本的认识，课堂教学转向以学生为主体。学生根据所学知识实际操作仪器并提出自己的困惑和想法，教师在旁指导并针对学生的问题及前期掌握的学生学习情况有针对性地进行教学，引导学生在课堂中进行激烈的讨论。这样不仅可以使学生在课程上更加轻松自如，增强学生的自信心和学习兴趣，而且可以缩短学习仪器操作的课时数，将更多的实验课时用于实验动物模型成像检测。学生结合自身的科研工作设计并制作实验动物模型，在课堂上分享自己的科研思路和实验结果，教师和其他学生可以给出自己的想法和建议。

4.3 课后巩固

实验课结束后，如果学生觉得自己的操作不够熟练，可以到本软件上进行反复训练，查漏补缺，并将考核评价结果发送给教师，教师针对学生的问题再单独进行交流解答。另外，本中心的网站上还可以开设讨论组，供教师和学生进行互动、交流、答疑。

4.4 课程考核

课程结束后，教师可以对小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件的考核评价结果进行汇总，实现教学过程量化，为过程性考核提供可靠依据。教师结合学生线上考核成绩和线下考核成绩进行综合评价，在教学过程和教学评价、虚拟实验和实地实验等方面进行相互结合和补充。

5 教学效果评价

在课程结束后，通过问卷调查的方式了解学生对该实验教学模式的评价。调查结果显示：100%的学生认为通过本软件不仅使仪器的操作流程学习起来更加简单快速，而且对仪器的应用有了更加深刻的认识；85.7%的学生认为课程中的理论知识与自己的实际需要结合得更加紧密，对自己的科研工作有所帮助，以后更愿意继续参与这种教学模式；28.5%的学生反映虽然课上学会了仪器操作，但是课程结束后一段时间再次使用仪器时已经忘记如何操作，通过本软件可以快速回忆起仪器操作流程。有多名学生还将本软件推广给没有选修该课程的同学，让他们可以在软件上进行自主学习和训练。将虚拟仿真技术应用于实验教学，增强了实验教学的新颖性和趣味性，有利于学生对知识的深入掌握，培养了学生的自学能力，激发了学生的学习兴趣，充分发挥了学生的主观能动性，提高了学生的参与积极性。同时，本软件的设计、制作及应用也对教师提出更高要求，促使教师的自身素质得到提高。

6 结语

本文针对小动物活体成像技术应用与操作研究生选修课中存在的仪器数量及时间、空间受限与教学模式单一等问题，基于虚拟仿真技术构建了小动物活体成像仪操作训练软件，并将该软件应用于小动物活体成像技术应用与操作研究生选修课中，在“课前—课中—课后”辅助实验教学。与传统课程相比较，利用小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件进行实验教学可以大大激发学生的学习热情和参与意识，增强了师生之间的互动性，在一定程度上提高了课堂教学效率，是对传统实验教学模式的丰富和创新。综上，小动物活体成像仪操作训练虚拟仿真软件有助于小动物活体成像技术应用与操作课程的实验教学，是虚拟仿真技术在教学领域的一次有益尝试。但是由于本软件使用时间较短，所得到的教学效果评价的数据还不够完善，会在后期的教学工作中继续应用并观察该种教学模式的教学效果。