馮雪梅，張 穎，倪雯雯，胡優(yōu)敏，王艷霞，黃 晨，李 稻

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 上海 200025

虛擬實(shí)驗(yàn)是借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營造實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[1]，具有安全性高、成本低、擴(kuò)展性高、啟迪性好等優(yōu)點(diǎn)，已在高等教育中廣泛應(yīng)用[2]。目前，醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)在解剖學(xué)、組織胚胎 學(xué) 、病理學(xué)、分子生物學(xué)等許多學(xué)科領(lǐng)域相繼展開[3-9]，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院也在功能學(xué)、寄生蟲學(xué)等領(lǐng)域開發(fā)了基礎(chǔ)性綜合虛擬實(shí)驗(yàn)[10-11]。業(yè)已開發(fā)的醫(yī)學(xué)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)多屬于對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教程的轉(zhuǎn)化。隨著教學(xué)改革的推進(jìn)，自主性設(shè)計(jì)、拓展性實(shí)驗(yàn)不斷增加，學(xué)生知識(shí)面迅速擴(kuò)大，指引廣大學(xué)生了解前沿、學(xué)習(xí)熱點(diǎn)，已成為大學(xué)實(shí)驗(yàn)教育的新趨勢。行為藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是研究藥物對(duì)大腦學(xué)習(xí)、記憶功能及情緒活動(dòng)的影響，是醫(yī)學(xué)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域抗老年癡呆藥物研究的重要環(huán)節(jié)。文章擬構(gòu)建抗老年癡呆藥物藥效學(xué)虛擬研究平臺(tái)，在臨床八年制學(xué)生中展開應(yīng)用，以探索該軟件的使用效果及意義，為大學(xué)生實(shí)驗(yàn)教育提供新的教學(xué)思路。

1 “行為藥理學(xué)—抗老年癡呆藥效學(xué)研究”虛擬實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)

筆者通過計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，以Animate cc和PHP技術(shù)為主要開發(fā)平臺(tái)，利用3D設(shè)計(jì)軟件Maya/3D Max對(duì)實(shí)驗(yàn)場景和實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行場景搭建和動(dòng)畫組合，以Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)為主線，設(shè)計(jì)了行為藥理學(xué)—抗老年癡呆藥物藥效學(xué)研究的虛擬實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)。軟件涵蓋4個(gè)基本實(shí)驗(yàn)元素：水迷宮實(shí)驗(yàn)的基本原理與操作錄像；老年癡呆動(dòng)物模型制作與虛擬實(shí)驗(yàn)具體操作；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理及分析；抗老年癡呆相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)展與知識(shí)點(diǎn)測試。該實(shí)驗(yàn)可在Win- dows 7以上版本均可運(yùn)行。在IOS或Android的操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要輸出htmal 5版本。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖

1.1 實(shí)驗(yàn)原理部分

實(shí)驗(yàn)原理是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)，該實(shí)驗(yàn)涉及老年癡呆造模及藥物治療原理、Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)原理[12]。首先以3D動(dòng)畫演示結(jié)合語音講解的方式，詳細(xì)闡述與學(xué)習(xí)記憶有關(guān)的M膽堿能興奮傳導(dǎo)機(jī)制，接著介紹了三種經(jīng)典癡呆模型包括東莨菪堿模型、穹窿傘切斷模型和鵝蒿蕈氨酸模型的制作原理以及藥物治療原理[13]。其中，穹窿傘切斷導(dǎo)致大鼠學(xué)習(xí)記憶障礙的實(shí)驗(yàn)操作需要精密的儀器和嫻熟的操作技術(shù)，手術(shù)難度較大，因此在原理部分插入了實(shí)驗(yàn)錄像，并配以文字說明和語音講解，使學(xué)生直觀地、身臨其境地了解該造模方式的具體過程。在介紹Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)原理時(shí)，以人—鼠游泳比賽的形式娓娓展開，趣味性極其濃厚(如圖2所示)。這樣學(xué)生不再是面對(duì)枯燥的白紙黑字，而是活潑形象而又不失科學(xué)性的三維動(dòng)畫及視頻展示，可以讓學(xué)生更加深刻地理解實(shí)驗(yàn)原理。

圖2 Mirris水迷宮實(shí)驗(yàn)原理界面

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)操作部分是該實(shí)驗(yàn)的主體部分。包含選擇造模方式、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、適應(yīng)性訓(xùn)練、定位訓(xùn)練、空間探索實(shí)驗(yàn)等完整的Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)步驟，內(nèi)容詳盡，再配以生動(dòng)形象的實(shí)驗(yàn)圖片和虛擬動(dòng)畫，使實(shí)驗(yàn)過程新穎有趣。在時(shí)間的把握上力求精簡，將較長時(shí)段的實(shí)驗(yàn)過程適當(dāng)壓縮，多次重復(fù)的步驟可通過選擇“自動(dòng)完成”按鈕省略，在保持真實(shí)性與虛擬性平衡基礎(chǔ)上使實(shí)驗(yàn)更加高效，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)不至于感到枯燥。除了實(shí)驗(yàn)步驟外，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，操作界面上在關(guān)鍵點(diǎn)有小提示，如入水下站臺(tái)位置的設(shè)定等(如圖3所示)，增加了實(shí)驗(yàn)的可操作性，降低了初學(xué)實(shí)驗(yàn)的難度。

圖3 實(shí)驗(yàn)操作界面節(jié)選

不同與以往虛擬實(shí)驗(yàn)中結(jié)果的單一性，該虛擬實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)前，進(jìn)行了大量真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作。以石杉?jí)A甲為檢測藥物，多奈哌齊為陽性對(duì)照，采用Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)測定石杉?jí)A甲對(duì)大鼠的空間記憶功能的影響。將實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的大量真實(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入學(xué)習(xí)系統(tǒng)，每一位學(xué)生在執(zhí)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均由這些真實(shí)數(shù)據(jù)中隨機(jī)產(chǎn)生。學(xué)生可以根據(jù)自己得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并作圖分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是陽性也可能是陰性，充分模擬了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中結(jié)果的多樣性和不確定性。

1.3 思考題與知識(shí)庫

思考題部分包括對(duì)藥物作用機(jī)制、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理的進(jìn)一步探討，以及該實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析，并啟發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行改進(jìn)完善；鼓勵(lì)學(xué)生開闊思路，自主學(xué)習(xí)更多與記憶相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成從提出問題到解決問題的學(xué)習(xí)過程。

除此之外，我們還設(shè)計(jì)了在知識(shí)庫板塊涵蓋老年癡呆發(fā)病各種學(xué)說、研究進(jìn)展、實(shí)驗(yàn)研究方法、臨床預(yù)防與治療方法等全方位的知識(shí)介紹及相關(guān)經(jīng)典文獻(xiàn)鏈接。力求幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后進(jìn)一步拓寬知識(shí)面，加深對(duì)老年癡呆癥從發(fā)病到治療的認(rèn)識(shí)。其知識(shí)庫界面如圖4所示。

2 教學(xué)功能的實(shí)踐

2.1 教學(xué)對(duì)象

該教學(xué)平臺(tái)主要針對(duì)大學(xué)本科在大二期間，專業(yè)技能學(xué)習(xí)階段的學(xué)生，也可以針對(duì)研究生甚至博士生從事抗老年癡呆藥物研究的實(shí)驗(yàn)前學(xué)習(xí)。

2.2 學(xué)習(xí)形式

以一學(xué)期為周期，將虛擬實(shí)驗(yàn)作為功能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的一部分考察，將臨床八年制學(xué)生設(shè)置為必做虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過前臺(tái)用戶端輸入自己的賬號(hào)、密碼登錄后進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，點(diǎn)擊“抗老年癡呆藥效學(xué)研究”虛擬實(shí)驗(yàn)，按照操作提示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完畢后需進(jìn)行測試，測試完畢后提交，一旦提交，便生成考試成績。所有成績將被記錄到后臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。

圖4 抗老年癡呆研究知識(shí)庫

2.3 學(xué)習(xí)效果

經(jīng)過兩屆學(xué)生的實(shí)際使用，對(duì)2014級(jí)臨床八年制學(xué)生開展無記名形式問卷調(diào)查。分別針對(duì)學(xué)生掌握程度(如表1所示)、學(xué)生對(duì)各實(shí)驗(yàn)?zāi)K滿意度進(jìn)行調(diào)查(如表2所示)。問卷采用李克特(Likert)形式[14]。共發(fā)放問卷121分，回收114份，回收率94.42%，問卷調(diào)查的一致性系數(shù)分別為0.780和0.703；數(shù)據(jù)使用SPSS 22.0軟件分析。結(jié)果顯示：大于80%以上的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)達(dá)到熟悉以上的程度；學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)各模塊的設(shè)計(jì)滿意度也超過80%。另外，少量研究生利用該軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前學(xué)習(xí)，認(rèn)為可在短時(shí)間內(nèi)掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)的操作方法，對(duì)于節(jié)省動(dòng)物、時(shí)間，提高設(shè)備利用率都有較大的幫助。

表1 學(xué)生對(duì)“行為藥理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)”學(xué)習(xí)效果調(diào)查表 n(%)

表2 學(xué)生對(duì)“行為藥理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)”各模塊評(píng)價(jià)調(diào)查表 n(%)

3 “行為藥理學(xué)—抗老年癡呆藥效學(xué)研究”虛擬實(shí)驗(yàn)軟件合理性評(píng)估

為了更好地改進(jìn)該學(xué)習(xí)軟件，對(duì)其設(shè)計(jì)合理性也同時(shí)進(jìn)行了調(diào)研，目的在于調(diào)查哪一個(gè)環(huán)節(jié)最需要改進(jìn)(如表3所示)。

結(jié)果表明，操作步驟與時(shí)間可進(jìn)一步改進(jìn)完善，63%的學(xué)生認(rèn)為操作時(shí)間可進(jìn)一步縮短，53%的學(xué)生主張重復(fù)性操作步驟可省去更多。

表3 “行為藥理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)”軟件改進(jìn)需求調(diào)查 n(%)

“行為藥理學(xué)—抗老年癡呆藥效學(xué)研究”虛擬實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)縝密，充分體現(xiàn)了隨機(jī)、重復(fù)、對(duì)照三大基本要素。此類研究性質(zhì)的虛擬實(shí)驗(yàn)可以在RBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)或大學(xué)生科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用，非常適合大學(xué)生在業(yè)余時(shí)間拓展醫(yī)學(xué)知識(shí)領(lǐng)域，也為部分研究生的課題前研究提供學(xué)習(xí)平臺(tái)，在解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊張問題的同時(shí)節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。同時(shí)，應(yīng)開發(fā)更多類似軟件，為醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高做出貢獻(xiàn)。