成洪聚,劉衛(wèi)東,侯騰飛

（菏澤醫(yī)學(xué)?？茖W(xué)校，山東菏澤 274030）

生理學(xué)虛擬實驗室的利弊

成洪聚,劉衛(wèi)東,侯騰飛

（菏澤醫(yī)學(xué)?？茖W(xué)校，山東菏澤 274030）

生理學(xué)；實驗教學(xué)；虛擬實驗室

生理學(xué)是一門實驗科學(xué)，實驗課不但可以幫助學(xué)生理解知識，還可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、觀察能力、分析和解決問題的能力等。隨著多媒體技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，美國William Wulf教授于1989年提出虛擬實驗室概念。我國也提出研究開發(fā)數(shù)字化實驗和虛擬實驗系統(tǒng)的規(guī)劃。虛擬實驗室是利用計算機(jī)仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者在此仿真的環(huán)境中完成各種實驗項目，以代替或加強(qiáng)傳統(tǒng)的真實實驗。生理學(xué)虛擬實驗室是按照生理學(xué)的實驗教學(xué)要求，設(shè)置了各種生理學(xué)實驗項目?，F(xiàn)在多所大學(xué)已經(jīng)建立了自己的生理學(xué)虛擬實驗室［1］，我校也完成了此平臺的搭建?，F(xiàn)就生理學(xué)虛擬實驗室的利弊分析如下。

1 生理學(xué)虛擬實驗室的構(gòu)建

生理學(xué)虛擬實驗是根據(jù)全國醫(yī)學(xué)院校生理學(xué)教學(xué)大綱的要求，應(yīng)用多媒體編程軟件編寫成的，具有仿真程度高、界面友好、交互能力強(qiáng)、專家系統(tǒng)完善、系統(tǒng)的可操作性強(qiáng)和版本易升級等特點。資料來源于實物實景拍攝，并融合音樂、動畫、聲效等，創(chuàng)作出了逼真的虛擬環(huán)境。生理學(xué)虛擬實驗主要由常規(guī)學(xué)生實驗及實驗設(shè)計兩大部分組成。常規(guī)實驗包括一些經(jīng)典的生理學(xué)實驗，如“血壓調(diào)節(jié)”、“呼吸運(yùn)動的調(diào)節(jié)”等，開始時為學(xué)生介紹實驗的目的和原理、動物、器械、試劑藥品等，實驗過程中有不斷的提示幫助。實驗設(shè)計是通過學(xué)生自行選擇實驗動物、器械和處理因素進(jìn)行設(shè)計，并完成實驗。

2 生理學(xué)虛擬實驗室的優(yōu)點

2.1 逼真形象虛擬實驗充分利用多媒體技術(shù)，大量應(yīng)用實驗照片、視頻、音頻素材并配合逼真的動畫，為學(xué)生構(gòu)造了一個仿真的實驗環(huán)境，可達(dá)到清晰、美觀的視覺效果［2，3］。例如，家兔頸部剪毛被設(shè)計成動畫，然后利用錄像展示實驗的操作流程。所有實驗過程利用電腦操作完成，這對現(xiàn)代大學(xué)生來說不是件難事。類似游戲的過程吸引了學(xué)生的注意力，能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到“學(xué)以致玩，玩以致學(xué)”的境界。

2.2 人機(jī)交互與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬實驗的模式是動態(tài)的、智能的、交互的。計算機(jī)能對實驗進(jìn)展作出迅速反饋，顯示提示信息，包括遺漏的實驗步驟和注意事項。在呼吸運(yùn)動調(diào)節(jié)實驗中，如果學(xué)生點擊按鈕選擇“增加氣道阻力”、“缺氧”、“增大無效腔”、“注射乳酸”等操作進(jìn)行觀察，系統(tǒng)會立刻顯示呼吸曲線相應(yīng)的變化。如果學(xué)生沒有頸部手術(shù)操作就直接觀察缺氧等因素對呼吸系統(tǒng)的影響，或沒氣管插管就直接分離迷走神經(jīng)，計算機(jī)拒絕執(zhí)行命令，讓學(xué)生及時糾正，來規(guī)范學(xué)生的實驗操作步驟。

2.3 提高效率某些生理學(xué)實驗難度大，可能全班各實驗小組均以失敗而告終。例如家兔麻醉，有的耳緣靜脈穿刺多次不成功，有的麻醉藥過量致家兔死亡。輸尿管插管、動脈插管、蛙心插管等實驗操作不熟練，則根本插不進(jìn)去或戳破，使實驗無法進(jìn)行。這就要求學(xué)生在實驗之前對實驗有相當(dāng)?shù)牧私?，才能順利完成。通過反復(fù)模擬實驗，學(xué)生可以在實驗前初步了解實驗原理和實驗方法，熟悉實驗操作步驟及注意事項，提高了實驗成功率，同時也減輕了教師的工作量，減少了實驗耗材。

2.4 自行設(shè)計生理學(xué)實驗教學(xué)的目的是讓學(xué)生鞏固理論知識，學(xué)習(xí)操作技能，重點進(jìn)行知識和技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新。而傳統(tǒng)實驗教學(xué)往往是“老師套路式講授，學(xué)生機(jī)械式模仿”，無需主動思維和創(chuàng)新，只要按實驗要求和實驗步驟進(jìn)行即可。虛擬實驗中的實驗設(shè)計部分讓學(xué)生充分發(fā)揮想象力，任意選擇實驗動物、試劑藥物以及器械，自行設(shè)計實驗方案，為學(xué)生提供了自由探索的空間，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新性思維。

2.5 開放共享生理學(xué)虛擬實驗室無時間限定，學(xué)生只要有臺電腦，能連接互聯(lián)網(wǎng)，就可以隨時隨地進(jìn)入實驗室，拓寬了教學(xué)實驗的時空觀［4］。由于網(wǎng)絡(luò)資源具有共享性，因此在不同地域、不同終端上可以同時進(jìn)行相同科目的虛擬實驗，多個實驗者可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入同一個虛擬空間，對同一虛擬實驗進(jìn)行觀察和操作，以達(dá)到協(xié)同工作的目的。

2.6 超越時空虛擬實驗?zāi)苣M宏觀或微觀領(lǐng)域中無法用常規(guī)實驗直接觀察的實驗，增加了學(xué)生的感性認(rèn)識。例如，模擬激素與受體結(jié)合后細(xì)胞內(nèi)一系列的信號傳遞過程。其次，它能模擬需長期觀察的慢性實驗，例如，腎上腺摘除動物的觀察。另外，它還能模擬一些對人體有損傷的危險性實驗和所需儀器非常昂貴的實驗。學(xué)生以自然的方式在虛擬實驗環(huán)境中完成不易觀察的、有危險的或費(fèi)用高的實驗，擺脫了傳統(tǒng)實驗教學(xué)時空觀念的束縛。因此，它在實驗教學(xué)中起著獨(dú)特的作用。

2.7 應(yīng)用多樣生理學(xué)虛擬實驗室可用于課堂教學(xué)。如果老師僅僅空泛的說講，學(xué)生缺乏形象感。示教時幾十個同學(xué)圍住一個老師，學(xué)生觀看不清，而且僅僅一遍就過，學(xué)生記不清復(fù)雜的實驗程序。老師講完后再問，真是“一問三不知”。在學(xué)生具體操作時老師還得每組重新示教講解。生理學(xué)虛擬實驗給學(xué)生一定的形象感，讓學(xué)生易于理解，可反復(fù)重演，提高了生理學(xué)實驗教學(xué)效果。對一些沒能開設(shè)的實驗項目也可通過虛擬實驗進(jìn)行，使學(xué)生能夠全面深刻掌握課本的知識。生理學(xué)虛擬實驗室還可以用于學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和自學(xué)。實驗預(yù)習(xí)非常必要，避免實驗的盲目性，但學(xué)生因為實驗的抽象性不愿意預(yù)習(xí)。學(xué)生實驗復(fù)習(xí)會遇到很多實驗相關(guān)問題，再去實驗室重復(fù)實驗是不可能的。這些均可以通過虛擬實驗來彌補(bǔ)。虛擬實驗中的提示與幫助系統(tǒng)便于學(xué)生自學(xué)。網(wǎng)上留言板為學(xué)生和老師提供了交流的機(jī)會。

2.8 節(jié)約成本由于各高校學(xué)生擴(kuò)招、實驗經(jīng)費(fèi)緊張、實驗設(shè)備不足等原因，使實驗課時大為減少［5］，所以解決好資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾很關(guān)鍵。將虛擬實驗技術(shù)引入實驗教學(xué)，“以虛代實”，可以彌補(bǔ)不足，讓學(xué)生通過多媒體虛擬實驗的強(qiáng)大功能完成實驗來緩解矛盾。另外，學(xué)生在實驗之前大多沒有接觸過實驗設(shè)備，在實驗過程中設(shè)備損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生。虛擬實驗只是電腦操作，不消耗器材。依靠網(wǎng)絡(luò)可以多人同時進(jìn)入，反復(fù)實驗卻不增加實驗成本。

2.9 推動教改虛擬實驗用計算機(jī)軟件模擬實驗過程，無需象傳統(tǒng)實驗教學(xué)那樣準(zhǔn)備實驗，不受動物和試劑的制約，而且克服了傳統(tǒng)教學(xué)模式的感性認(rèn)識不足的缺點，為實驗教學(xué)的設(shè)計與實施提供了新的手段，推動了實驗教學(xué)觀念和教學(xué)模式的變革。學(xué)生無法到學(xué)校實驗室去做具體的實驗一直制約著遠(yuǎn)程教育的發(fā)展。網(wǎng)上虛擬實驗室使遠(yuǎn)程教學(xué)成為可能，為遠(yuǎn)程教育實驗問題提供了重要條件和技術(shù)支持。

3 生理學(xué)虛擬實驗室的缺點

3.1 虛擬實驗只是依賴電腦操作，虛擬的實驗設(shè)備和手術(shù)器械無實物感，而且無法真正鍛煉基本操作技能。例如，手術(shù)器械的規(guī)范性使用，刀口的切開，靜脈穿刺，動脈插管，輸尿管插管等，如果不是親手操作，就無法找到那種感覺，所以虛擬實驗只能起到演示的作用，學(xué)生只有在現(xiàn)實中才能得到訓(xùn)練。

3.2 真實實驗的過程可能會有很多干擾因素或者出現(xiàn)很多異?，F(xiàn)象和故障。比如，電生理實驗的干擾波，動物麻醉后的死亡，動脈血壓測量時插管漏氣，正確操作卻出現(xiàn)不良后果等，這些在虛擬實驗中不會出現(xiàn)。所以虛擬實驗無法全面反映真實實驗的復(fù)雜性，在培養(yǎng)學(xué)生分析解決實際問題的能力方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足［6］。

3.3 虛擬實驗本身仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術(shù)障礙。例如，虛擬實驗軟件設(shè)計本身還不夠完善；虛擬設(shè)備價格昂貴，普通輸入、輸出設(shè)備不易實現(xiàn)直接的力反饋；如何引導(dǎo)和解答虛擬實驗問題，對實驗過程和實驗結(jié)果建立實驗質(zhì)量監(jiān)控體系，做出及時、客觀和公正的考核評價［3］。

3.4 真實實驗的過程通過一個小組成員的共同合作潛移默化地培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊精神，包括協(xié)作互助、溝通交流、相互鼓勵等，為臨床工作做好準(zhǔn)備。而虛擬實驗是一人一機(jī)，無法培養(yǎng)團(tuán)隊意識。

綜上所述，虛擬實驗?zāi)Ｊ胶蛡鹘y(tǒng)實驗?zāi)Ｊ礁饔欣?，在實際應(yīng)用中應(yīng)該揚(yáng)長避短，虛實互補(bǔ)。目前多數(shù)教師還缺乏應(yīng)用虛擬實驗進(jìn)行教學(xué)的意識，不能與軟件開發(fā)和應(yīng)用專業(yè)人員相協(xié)調(diào)，無法發(fā)揮虛擬實驗的價值；學(xué)生有的忽視，有的過于沉迷，還缺乏對虛擬實驗的全面正確認(rèn)識和評價。我們應(yīng)該利用傳統(tǒng)模式鞏固驗證課堂的基礎(chǔ)理論知識，訓(xùn)練基本技能，利用虛擬實驗的形象、生動、直觀、交互性以及在展現(xiàn)實驗現(xiàn)象時具有強(qiáng)大的表現(xiàn)力等來輔助教學(xué)。因此不要忽視真實實驗，同時充分開發(fā)虛擬實體移植帶來的免疫排斥反應(yīng)。因此神經(jīng)上皮干細(xì)胞作為組織工程的種子細(xì)胞具有明顯的優(yōu)越性。神經(jīng)嵴干細(xì)胞具有多潛能性，可增殖并分化為不同類型的成熟組織和細(xì)胞。體內(nèi)實驗證實，神經(jīng)嵴干細(xì)胞的衍生物遍及了外、中、內(nèi)三個胚層，包括周圍神經(jīng)系統(tǒng)和腸神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)膠質(zhì)、神經(jīng)元、大部分的初級感覺神經(jīng)元；內(nèi)分泌細(xì)胞、心臟流出道和大血管的平滑肌細(xì)胞；皮膚和內(nèi)臟器官的色素細(xì)胞，以及頭面部的骨、軟骨、結(jié)締組織等。神經(jīng)嵴可分為兩部分：顱神經(jīng)嵴和軀干神經(jīng)嵴。顱神經(jīng)嵴干細(xì)胞除參與形成頭頸部腹側(cè)皮膚的真皮、平滑肌及腺體中結(jié)締組織基質(zhì)等軟組織外，尚可特征性分化為顱面部骨架硬組織。與顱神經(jīng)嵴干細(xì)胞不同，軀干神經(jīng)嵴干細(xì)胞主要分化為周圍神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)，并參與背根神經(jīng)節(jié)、交感神經(jīng)節(jié)和脊索的形成，在周圍神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程中起主要的作用。

研究者們在周圍神經(jīng)組織工程領(lǐng)域做了大量工作！但在臨床上長段周圍神經(jīng)缺損的修復(fù)仍以自體神經(jīng)移植為主，尋找豐富的種子細(xì)胞來源和經(jīng)體外培養(yǎng)的種子細(xì)胞繁殖及擴(kuò)增后易趨于老化的問題是目前研究需要克服的主要問題，神經(jīng)干細(xì)胞的研究為組織工程化修復(fù)周圍神經(jīng)損傷提供了新的希望。

[1]Soichiro Itoh，Masumi，Suzuki，etal.Develoment of a Never Scaffold Using a Tendon chitosan Tube［J］..International Society for Artificial Organs，2003，27（12）：1079-1088.

[2]Jorge B.Aquino，Jens Hjerling-Leffler，Martion Koltzenburg，et al.In vitro and in vivo differentiation of boundary cap neural crest stem cells intomature Swchann［J］.Experimental Neurology，2006，198：438-449.

[3]Ju W，Yang Y，Tao Q，etal.Interleukin-18 gene transfer increase an titumor effects of suicide gene therapy through efficient induction of antitumor immunit［J］.yGene Thera，2000，7（19）：1672-1679.

[4]Chakraborty NG，Qkino T，Stabach P，et al.Adoptive transfer of acti vated human autologousmacrophages results in regression of trans planted humanmelanoma cells in SCID mice［J］.In vivo，1991，5（6）：609-614.

[5]盧靜，孫晉浩，張靜，等，軀干神經(jīng)嵴干細(xì)胞體外分離培養(yǎng)及其增殖、分化的實驗研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版），2009，9（5）：112-115

[6]Le Douarin NM，ziller C，Couly GF，etal.Patterning of neural crest derivatives in the avian embryo：in vivo and in vitro studies［J］.Dev Biol，1993，159（1）：24-29.

[7]Anne Baroffio，Elisabeth Duptin，Nicole M.Le douarin etal.Common Precursors for neural and mesectodermal derivatives in the cephalic neural crest.［J］.Development，1991，112（3）：301-305.

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10.3969/j.issn.1008-4118.2011.02.40