張 偉 ，張雁容

（1.西北師范大學(xué)教育技術(shù)與傳播學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅中醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

對(duì)醫(yī)學(xué)院校構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的思考

張 偉1，2，張雁容2

（1.西北師范大學(xué)教育技術(shù)與傳播學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅中醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

綜述虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵和功能、國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，并就醫(yī)學(xué)院校構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的可行性及重要性進(jìn)行初步分析。

醫(yī)學(xué)院校；虛擬實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是醫(yī)學(xué)院校教學(xué)的重要組成部分。構(gòu)建符合各專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，是促進(jìn)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高實(shí)踐能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才的有效途徑。經(jīng)多年研究和探索，尤其是通過(guò)教育部本科教學(xué)工作水平評(píng)估，醫(yī)學(xué)院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作有了很大發(fā)展。但長(zhǎng)期以來(lái)，受辦學(xué)基礎(chǔ)薄弱、經(jīng)費(fèi)緊張、投入不足等因素制約，醫(yī)學(xué)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)依然存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）驗(yàn)證性、演示性實(shí)驗(yàn)多，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少；（2）儀器設(shè)備數(shù)量偏少，更新?lián)Q代速度較慢；（3）實(shí)驗(yàn)教室有限，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地?fù)頂D；（4）理論課時(shí)較多，實(shí)驗(yàn)課時(shí)偏少；（5）新辦專業(yè)缺乏成熟的配套實(shí)驗(yàn)教材，傳統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容陳舊，教學(xué)方法單一；（6）實(shí)驗(yàn)師資不足，教師知識(shí)更新不夠等。這些問(wèn)題勢(shì)必影響醫(yī)學(xué)院校教學(xué)質(zhì)量和專業(yè)認(rèn)證，影響學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，探討構(gòu)建符合醫(yī)學(xué)院校各專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，挖掘已有教學(xué)資源，易于管理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系勢(shì)在必行。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐的遠(yuǎn)程教育得到迅速發(fā)展，并取得重大成就，加快了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)程。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多醫(yī)學(xué)院校及科研機(jī)構(gòu)紛紛提出虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念，即利用圖形、語(yǔ)音、視頻、動(dòng)畫等多種技術(shù)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)身臨其境地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，給用戶提供一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)交流、共同研究的平臺(tái)。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的不斷成熟，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有低成本、高效率、功能全等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于高?？蒲小⒔虒W(xué)方面，并取得了許多成效[1]。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵及功能

虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual laboratory）的概念，最早在1989年由美國(guó)University of Virginia的William Wolf教授提出，用來(lái)描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，它是指借助圖形（圖像）、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)可視化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。其中，每一個(gè)可視化器件代表一種實(shí)驗(yàn)器材，無(wú)論是學(xué)生還是教師都可以隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作儀器，通過(guò)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊與拖拽，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)[2]。虛擬實(shí)驗(yàn)室包括注冊(cè)登錄管理、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、設(shè)備教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理、實(shí)驗(yàn)資源下載等功能[3]。

2 國(guó)內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)室研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究和應(yīng)用受到許多研究機(jī)構(gòu)及軟件供應(yīng)商的重視，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用工作開(kāi)展較早的美國(guó)巴爾的摩約翰霍浦金斯大學(xué)化學(xué)工程系的卡爾威教授在電腦網(wǎng)絡(luò)上建立了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓工程系的學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)做實(shí)驗(yàn)，嘗試解決工程上遇到的各種問(wèn)題，在“電子工作”的軟件系統(tǒng)中利用虛擬實(shí)驗(yàn)室提供的元件構(gòu)造各種模擬電路和數(shù)字電路，并能動(dòng)態(tài)地測(cè)試電路的性能[4]。1995年，網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”實(shí)驗(yàn)，“實(shí)驗(yàn)者”可以用虛擬手術(shù)刀層層分離青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織。目前，國(guó)際上具有代表性的生物、醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室有：Howard Hughes醫(yī)學(xué)研究院（HHMI）開(kāi)發(fā)的細(xì)菌鑒定實(shí)驗(yàn)室、心臟病實(shí)驗(yàn)室、免疫實(shí)驗(yàn)室、神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室等；諾貝爾基金會(huì)（The Nobel Foundation）開(kāi)發(fā)的虛擬生化實(shí)驗(yàn)室。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)也得到了迅速發(fā)展，最具代表性的是一些著名大學(xué)開(kāi)發(fā)出的遠(yuǎn)程教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室，涉及物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多門學(xué)科，如清華大學(xué)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)室、華中科技大學(xué)的工程測(cè)試虛擬實(shí)驗(yàn)室、國(guó)防科技大學(xué)的現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)與應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室等，但規(guī)模都較小，功能還不完善[5]。2003年初，我國(guó)第一軍醫(yī)大學(xué)宣布完成了國(guó)內(nèi)首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集。利用遠(yuǎn)程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，醫(yī)生只需對(duì)虛擬病人模型進(jìn)行手術(shù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將醫(yī)生動(dòng)作傳送到網(wǎng)絡(luò)另一端的手術(shù)機(jī)器人，由機(jī)器人對(duì)危急病人實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。手術(shù)實(shí)際進(jìn)展的圖像也可通過(guò)機(jī)器人攝像機(jī)實(shí)時(shí)傳給醫(yī)生的頭盔立體顯示器并將其與虛擬病人疊加，以便醫(yī)生實(shí)時(shí)掌握手術(shù)情況并發(fā)出手術(shù)指令[6]。上海交通大學(xué)對(duì)虛擬人體運(yùn)動(dòng)建模的研究頗有特色[7]。第二軍醫(yī)大學(xué)生理學(xué)教研室從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，對(duì)生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步探索，曾對(duì)“蛙心灌流”“哺乳動(dòng)物血壓調(diào)節(jié)”以及“動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制和記錄方法”等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了成功的模擬，并先后在國(guó)內(nèi)生理學(xué)界的教學(xué)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用大會(huì)上進(jìn)行交流，獲得了好評(píng)。近年來(lái)，他們對(duì)原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行升級(jí)，完成了多種實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試和驗(yàn)證，初步建成了機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室[8]。

3 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備以下特征：與現(xiàn)實(shí)操作的一致性、信息反饋的實(shí)時(shí)性、感受的逼真性、實(shí)時(shí)的交互性、較強(qiáng)的擴(kuò)充性、高度的開(kāi)放性和資源的共享性，能保證實(shí)驗(yàn)操作的安全和快速，高效地滿足教學(xué)需求。因此，要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要具備以下基本技術(shù)條件[1，2，9～11]。

3.1 硬件支持

虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的硬件環(huán)境由3部分構(gòu)成。

3.1.1 遠(yuǎn)程客戶端 客戶端計(jì)算機(jī)在嵌入腳本后，具有允許腳本和動(dòng)態(tài)組件運(yùn)行的瀏覽器功能，同時(shí)具備實(shí)現(xiàn)虛擬顯示所必須具有的音頻、視頻等多媒體I/O設(shè)備。在實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)瘦客戶端，以降低客戶端的接入要求。

3.1.2 傳輸數(shù)據(jù)通道 接入網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)傳輸量較龐大，因此，需要采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)傳輸協(xié)議VRTP的高速通信網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)構(gòu)成的虛擬環(huán)境多點(diǎn)傳送。

3.1.3 服務(wù)器 Web服務(wù)器：接收客戶端請(qǐng)求數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應(yīng)請(qǐng)求提交給對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序服務(wù)器處理;應(yīng)用程序服務(wù)器：處理由Web服務(wù)器轉(zhuǎn)交的對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的請(qǐng)求，由安裝虛擬儀器（VI）開(kāi)發(fā)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)及相關(guān)接口組成。

3.2 軟件支持

3.2.1 虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是一門涉及計(jì)算機(jī)、傳感與測(cè)量、仿真、微電子等技術(shù)的綜合集成技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的，通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的交互式環(huán)境仿真。使用VR時(shí)要注意運(yùn)用動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)模型語(yǔ)言技術(shù)等。

3.2.2 Flash技術(shù) Flash CS3作為矢量多媒體技術(shù)是為創(chuàng)作網(wǎng)絡(luò)交互式動(dòng)畫而開(kāi)發(fā)的，其腳本語(yǔ)言Active Script支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)，通過(guò)它可開(kāi)發(fā)出具有很強(qiáng)交互功能的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫。Active Script還提供了XML Socket的組件，支持將XML對(duì)象通過(guò)Socket發(fā)送，并可以由服務(wù)器接收數(shù)據(jù)。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用已從起步、發(fā)展階段，逐漸走向成熟。設(shè)備基本信息、實(shí)驗(yàn)處理信息、學(xué)員教師信息、中斷信息存儲(chǔ)等，基本都采用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，這樣實(shí)驗(yàn)者才能較好地進(jìn)行操作并控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。

3.2.4 ActiveX控件技術(shù) ActiveX控件是基于COM和COM+的通用組件。可以利用VC、Delphi等進(jìn)行ActiveX控件開(kāi)發(fā)。ActiveX技術(shù)允許不同軟件開(kāi)發(fā)的組件在網(wǎng)上進(jìn)行互相操作。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器可以在多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中重復(fù)使用。

4 醫(yī)學(xué)院校構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的可行性

（1）基本具備虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的支撐條件。目前醫(yī)學(xué)院校基本建成了千兆校園網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)百兆到桌面，方便師生在辦公室或宿舍使用，不受時(shí)空限制，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸速率完全滿足傳輸數(shù)據(jù)通道的要求。（2）可選用平民化、大眾化的虛擬技術(shù)。醫(yī)學(xué)院校開(kāi)設(shè)的專業(yè)不多，實(shí)驗(yàn)室數(shù)量、學(xué)生人數(shù)和開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少，因而，可充分挖掘?qū)W院現(xiàn)有資源，以平民化、大眾化的虛擬技術(shù)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室。（3）擁有一批計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用專業(yè)人才，能對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建、運(yùn)行、維護(hù)和管理提供直接技術(shù)支持。（4）許多學(xué)科已積累了大量能實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的素材。如許多實(shí)驗(yàn)性較強(qiáng)的基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課開(kāi)設(shè)的大量實(shí)驗(yàn)等。

5 醫(yī)學(xué)院校構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的重要性

5.1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

利用現(xiàn)有校園網(wǎng)將實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)習(xí)者的操作有機(jī)融為一體，能克服資源、課堂、課時(shí)的制約，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為醫(yī)學(xué)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和專業(yè)認(rèn)識(shí)提供新亮點(diǎn)。

5.2 實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化

能將實(shí)驗(yàn)原理、方法與虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)環(huán)境相結(jié)合，便于理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合。

5.3 利于設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)

開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是虛擬實(shí)驗(yàn)室又一重要應(yīng)用形式，這類實(shí)驗(yàn)由于內(nèi)容新穎、應(yīng)用性較強(qiáng)，在實(shí)驗(yàn)室往往無(wú)法及時(shí)開(kāi)設(shè)。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，可將相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行組合，開(kāi)發(fā)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，甚至包括一些障礙性、破壞性實(shí)驗(yàn)。

5.4 為學(xué)生創(chuàng)造寬松的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境可使學(xué)生預(yù)習(xí)、分析、設(shè)計(jì)、消化實(shí)驗(yàn)，營(yíng)造人性化課堂氛圍。學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，如遇到不能解決的問(wèn)題可通過(guò)聊天室、電子郵件等通訊方式向教師請(qǐng)教，或與同學(xué)進(jìn)行討論，尋求解決問(wèn)題的辦法。

5.5 解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備與師資不足的問(wèn)題

醫(yī)學(xué)院校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本是在實(shí)驗(yàn)室完成，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量、實(shí)驗(yàn)耗材數(shù)量、指導(dǎo)教師人數(shù)、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)等限制，實(shí)驗(yàn)只能分組進(jìn)行，因而學(xué)生接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的機(jī)會(huì)很少，大多數(shù)學(xué)生是在看實(shí)驗(yàn)而不是在做實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果不理想。虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠容納較多的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這在很大程度上解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和師資不足的問(wèn)題。其可以模擬、仿真新設(shè)備、新儀器，使學(xué)生學(xué)習(xí)到最先進(jìn)的知識(shí)與技能，以解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器更新緩慢的問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)跟上時(shí)代發(fā)展的步伐。

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G482

A

1671-1246（2010）19-0099-03

注：本文為甘肅省教育廳科研項(xiàng)目（0906-01）