林 棟 譚風(fēng)和 欒海云 侯玉東

醫(yī)學(xué)本身是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)醫(yī)學(xué)專業(yè)人才的實(shí)踐能力和醫(yī)學(xué)思維等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。目前，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行過程中，由于受到各種條件的限制，存在一些問題和不足，主要表現(xiàn)在：(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，更新速度滯后，綜合性及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不足，與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域新技術(shù)、新理論迅速發(fā)展的今天不相適應(yīng)。(2)實(shí)驗(yàn)授課往往采用傳統(tǒng)的示教方式，教學(xué)方法和手段單一，難以激發(fā)學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課的積極性和主動性。(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件受限制。如：高致病性病菌、劇毒類或放射性物質(zhì)實(shí)驗(yàn)在普通實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)；某些生化實(shí)驗(yàn)需要昂貴的儀器及試劑，限制了實(shí)驗(yàn)的開展。

由于上述諸多因素，導(dǎo)致醫(yī)學(xué)生動手實(shí)踐能力不強(qiáng)、醫(yī)學(xué)思維欠缺，專業(yè)能力不足，已成為醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)的嚴(yán)重制約瓶頸[2]。近年來，虛擬仿真技術(shù)由于具有交互性、安全性、開放性及共享性等優(yōu)勢已經(jīng)應(yīng)用于在醫(yī)學(xué)院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，為醫(yī)學(xué)教育改革及專業(yè)人才培養(yǎng)提供了新的思路和有效手段[3]。

1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建的意義

近年來，教育部大力倡導(dǎo)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)工作，并且將其作為高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，以此推動學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)的深度融合[4]。

虛擬仿真技術(shù)，是指在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境來模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場地，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣運(yùn)用各種虛擬實(shí)驗(yàn)器械和設(shè)備，對實(shí)驗(yàn)動物或標(biāo)本、仿真人體器官等進(jìn)行虛擬操作，獲得身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，并完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5-6]。虛擬仿真技術(shù)改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使學(xué)生的學(xué)習(xí)形式更加靈活豐富，并體現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。

1.1 降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本 利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以對一些耗材較為昂貴且對實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：如復(fù)雜實(shí)驗(yàn)、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)、消耗大量動物及尸體實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行多次反復(fù)練習(xí)，這樣既可以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，又能減少消耗，有效降低成本。

1.2 提供開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺不受時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生可以自擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自行組織實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使醫(yī)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)從灌輸式被動學(xué)習(xí)到積極靈活主動性學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。

1.3 增強(qiáng)課堂趣味性 通過虛擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)上生成一種高度仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生在逼真生動的動畫操作中體驗(yàn)置身其中的感覺，能夠大大激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，增強(qiáng)求知欲和探索欲。

1.4 提高實(shí)驗(yàn)融合性 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)動物和標(biāo)本、教師指導(dǎo)和學(xué)生操作等進(jìn)行有效的融合，實(shí)現(xiàn)互動教學(xué)，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)形成直觀性、整體性的認(rèn)識，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建的內(nèi)容

根據(jù)專業(yè)建設(shè)和醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)的要求，我校投資350余萬元建成了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。平臺的建設(shè)遵循了兩大理念：(1)充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開放性、交互性及共享性特點(diǎn)，進(jìn)一步推進(jìn)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，豐富實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加學(xué)生動手操作的機(jī)會，重點(diǎn)解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)中由于條件限制，不能大范圍開展、不能反復(fù)訓(xùn)練、實(shí)際訓(xùn)練效果不佳等客觀問題；(2)打破根據(jù)學(xué)科、課程設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等限制，形成基于器官、系統(tǒng)、疾病的系統(tǒng)化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教學(xué)規(guī)律與發(fā)展趨勢相契合，為培養(yǎng)醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)所需的高水平醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)搭建平臺。

基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺下設(shè)六大子平臺，涵蓋了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的主要實(shí)驗(yàn)課程(圖1)。

圖1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

2.1 機(jī)能學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺 在該平臺上，學(xué)生通過采用人機(jī)互動的虛擬仿真操作來完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)配合動畫和視頻演示相關(guān)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)動物的操作知識，便于學(xué)生熟知操作步驟。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是大型綜合性實(shí)驗(yàn)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)通常包涵多個(gè)子實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識，通過虛擬操作掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能，可有效鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

2.2 分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺 該平臺通過建立一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)室場景，把實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備、工具和生化試劑都放到實(shí)驗(yàn)的虛擬場景中去，所用到的設(shè)備參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)室的場景對設(shè)備和工具進(jìn)行模擬輸入設(shè)定，學(xué)生在虛擬場景中進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作。分子生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可有效地去除繁瑣的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，減少昂貴實(shí)驗(yàn)材料的使用，同時(shí)虛擬的實(shí)驗(yàn)資源可不斷重復(fù)、反復(fù)使用，最大程度提高學(xué)生的操作技能。

2.3 病原微生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺 該平臺主要包括現(xiàn)實(shí)條件下中難以實(shí)現(xiàn)的高危實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和一些不易采集到的教學(xué)標(biāo)本。通過在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建虛擬逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，將顯微鏡下的微觀世界進(jìn)行生動、形象的展示，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

2.4 形態(tài)學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺 該平臺主要集成了組織學(xué)切片系統(tǒng)、病理學(xué)切片系統(tǒng)、大體病理系統(tǒng)、寄生蟲系統(tǒng)、微生物系統(tǒng)、數(shù)字胚胎系統(tǒng)等數(shù)字化切片模塊。學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)或顯微數(shù)碼互動教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬和實(shí)物圖對比學(xué)習(xí)，并與指導(dǎo)老師進(jìn)行實(shí)時(shí)互動。通過進(jìn)行數(shù)碼顯微鏡與數(shù)字切片互動教學(xué)和學(xué)習(xí)，使學(xué)生加深對相關(guān)知識的理解。

2.5 中國數(shù)字人解剖實(shí)驗(yàn)平臺 該平臺是基于中國數(shù)字人體數(shù)據(jù)庫研發(fā)的數(shù)字人解剖系統(tǒng)，采用窗口的形式分別顯示人體的橫斷面、冠狀面、矢狀面截面圖，并且能夠使用虛擬切刀進(jìn)行層面選擇。學(xué)生在進(jìn)行尸體解剖的同時(shí)，同組人員可通過該系統(tǒng)觀察相應(yīng)部位或器官的結(jié)構(gòu)圖像，加深理解。通過使用數(shù)字人解剖系統(tǒng)可在一定程度上彌補(bǔ)尸體及教學(xué)標(biāo)本的的不足。同時(shí)，因可任意切刀，使實(shí)驗(yàn)課變得生動，教學(xué)效果得到提高。

2.6 PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺 該平臺將PBL教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)有效融合起來，根據(jù)PBL的教學(xué)理念，采用標(biāo)準(zhǔn)化病人結(jié)合PBL教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)模擬患者就診、體檢、實(shí)驗(yàn)室輔助檢測、診斷和案例分析與討論等全過程，有效培養(yǎng)學(xué)生的臨床思維和團(tuán)隊(duì)意識，同時(shí)彌補(bǔ)PBL教學(xué)指導(dǎo)老師數(shù)量有限，教學(xué)空間不足等實(shí)際教學(xué)過程中存在的困難。

3 基于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)特點(diǎn)

依托于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與傳統(tǒng)的面對面課堂教學(xué)有很大不同。它打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間、人數(shù)上的局限，學(xué)生可隨時(shí)、隨地、反復(fù)地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受實(shí)驗(yàn)場地和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上得到有效延伸。另外，它能夠靈活地為不同學(xué)生提供不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師可根據(jù)學(xué)生對知識的熟練和掌握程度，安排相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)習(xí)進(jìn)程。

3.1 學(xué)生實(shí)驗(yàn) 學(xué)生可以根據(jù)指導(dǎo)老師的安排，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，也可以根據(jù)自身情況自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后在線提交驗(yàn)報(bào)告，并實(shí)時(shí)查看本人實(shí)驗(yàn)成績和老師評語。

3.2 教師管理 教師通過管理平臺對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程進(jìn)行有效管理，如學(xué)生分組、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置，對虛擬實(shí)驗(yàn)完成情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查、督促等。后臺評分系統(tǒng)能對實(shí)驗(yàn)操作的完成質(zhì)量和對知識點(diǎn)的掌握程度進(jìn)行智能化評價(jià)，自動給出實(shí)驗(yàn)成績。

3.3 在線互動交流 學(xué)生在操作虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中，可以通過答疑平臺與教師互動交流；教師可以實(shí)時(shí)觀察學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的進(jìn)程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題并予以糾正。

基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建，革新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，增加了學(xué)生動手操作的機(jī)會，激發(fā)了自主學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了實(shí)踐能力，提升了臨床思維，為促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高，培養(yǎng)高水平醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)提供了可靠的保障。