龍 瑤，盧研宇，李紅芳，胡 燕，高飛云，王 燕

（1. 蘭州大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，甘肅 蘭州 730000；2. 成都泰盟軟件有限公司，四川 成都 610100）

隨著信息化技術(shù)水平的不斷提高，教育信息化已成為教育改革發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-5]。醫(yī)學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)是一門(mén)以綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)課程[6]，對(duì)培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和科研創(chuàng)新能力具有重要作用，但目前很多綜合性強(qiáng)、融合度高的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由于受到課時(shí)、設(shè)備、操作難度、生物安全等各種因素的限制，難以開(kāi)展實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1,6-9]。血管收縮效能測(cè)定和評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是一項(xiàng)涵蓋醫(yī)學(xué)本科生理學(xué)和藥理學(xué)多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其實(shí)體實(shí)驗(yàn)手術(shù)分離血管難度大，藥物量效曲線(xiàn)測(cè)定耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)操作要求高，無(wú)法在本科生中大規(guī)模開(kāi)展。而且，該實(shí)驗(yàn)中涉及多個(gè)理論知識(shí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)在學(xué)生科研創(chuàng)新訓(xùn)練中經(jīng)常用到。因此，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)、制作、開(kāi)發(fā)了該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，幫助學(xué)生理解相關(guān)理論知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)操作技能；結(jié)合實(shí)驗(yàn)拓展啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)思路，延伸課堂教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和科研創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路

將血管收縮效能測(cè)定和評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涉及的所有內(nèi)容制作為中英文雙語(yǔ)版，一方面使學(xué)生在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能的同時(shí)提升專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)水平，達(dá)到事半功倍的效果，另一方面可用于留學(xué)生教學(xué)，既滿(mǎn)足了醫(yī)學(xué)教育國(guó)際化的需求，又可進(jìn)一步擴(kuò)大教學(xué)資源共享范圍。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)框架如圖1 所示，主要分為實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、思考題和實(shí)驗(yàn)拓展4 大部分。

圖1 血管收縮效能測(cè)定和評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介主要以文字、圖片、表格等形式向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、器械、藥品、?shù)據(jù)分析、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)這部分可了解本實(shí)驗(yàn)所涵蓋的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中使用藥品的配制方法、藥物量效曲線(xiàn)的繪制過(guò)程以及親和力指數(shù)（pD2）的計(jì)算方法等。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

實(shí)驗(yàn)?zāi)M部分是本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心，共設(shè)置了“實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)”和“實(shí)驗(yàn)考核”兩個(gè)模塊。學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)實(shí)驗(yàn)器械、藥品、回答選擇題或填空題等人機(jī)交互操作，逐步完成實(shí)驗(yàn)。

在虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可自主學(xué)習(xí)血管摘取與螺旋肌條制備的實(shí)驗(yàn)操作方法、肌條張力測(cè)定及去甲腎上腺素量效曲線(xiàn)繪制過(guò)程、血管內(nèi)皮和腎上腺素受體阻斷藥對(duì)血管收縮效能的影響及pD2的計(jì)算等內(nèi)容，并完成對(duì)學(xué)習(xí)效果的自測(cè)。

1.1.3 思考題

針對(duì)本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涉及的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)，項(xiàng)目組在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)中設(shè)置了思考題部分，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行思索，達(dá)到不僅知其然，且知其所以然的教學(xué)目的。

1.1.4 實(shí)驗(yàn)拓展

實(shí)驗(yàn)拓展部分的設(shè)置意在進(jìn)一步延伸本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)本項(xiàng)目所學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，自主設(shè)計(jì)與平滑肌藥物量效反應(yīng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生科研創(chuàng)新能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)途徑

血管收縮效能測(cè)定和評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采取校企合作的模式進(jìn)行建設(shè)。學(xué)校撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)?zāi)_本，企業(yè)將腳本轉(zhuǎn)化為虛擬實(shí)驗(yàn)劇本，交于軟件開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行制作。整個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)制作過(guò)程主要涉及以下4 個(gè)方面。

1.2.1 素材的繪制

對(duì)于本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，首先要對(duì)實(shí)驗(yàn)中使用的各種儀器、實(shí)驗(yàn)器械等素材進(jìn)行原圖繪制，不同的實(shí)驗(yàn)素材根據(jù)功能需求采用不同的軟件工具分別繪制為二維素材和三維素材。其中二維素材要根據(jù)動(dòng)態(tài)效果和實(shí)驗(yàn)過(guò)程繪制成不同的體位和角度，如采用Adobe Animate CC 繪制不同的靜態(tài)手勢(shì)，用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拿取或者托舉各種實(shí)驗(yàn)器械。實(shí)驗(yàn)器械需要將其部件拆解開(kāi)進(jìn)行繪制，如家兔麻醉中使用的注射器，需將針管、活塞以及針頭分別繪制，在后期動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程中才能完成注射器吸取和注射藥物的動(dòng)作。為了進(jìn)一步提高虛擬實(shí)驗(yàn)的沉浸感和仿真度，實(shí)驗(yàn)中使用的恒溫水浴槽、離體組織恒溫灌流系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)儀器采用3DMax、MAYA 等軟件進(jìn)行三維建模和渲染，同時(shí)綁定儀器動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)，還原儀器外觀，模擬真實(shí)儀器的操作使用方法。

1.2.2 界面的設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面的設(shè)計(jì)首先使用 Adobe Photoshop CC 軟件進(jìn)行可視化界面設(shè)計(jì)，優(yōu)化界面視覺(jué)布局，調(diào)整圖片大小、位置、文字排版等。隨后采用Html、CSS 以及JavaScript 等語(yǔ)言進(jìn)行頁(yè)面的呈現(xiàn)和組裝，要求整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各個(gè)界面美觀、易讀、易操作。

1.2.3 動(dòng)畫(huà)的制作

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)畫(huà)通過(guò)Adobe Animate CC軟件進(jìn)行制作開(kāi)發(fā)，主要涉及動(dòng)畫(huà)布局、動(dòng)作規(guī)劃以及知識(shí)點(diǎn)考核的交互性設(shè)計(jì)。要求設(shè)計(jì)布局美觀合理，實(shí)驗(yàn)操作邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)生學(xué)習(xí)交互性強(qiáng)，具有考核評(píng)分功能等。對(duì)于動(dòng)作規(guī)劃和知識(shí)點(diǎn)考核的交互性設(shè)計(jì)，采用CreateJs 高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序，用代碼控制整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的動(dòng)作和交互流程，記錄實(shí)驗(yàn)中各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的考核結(jié)果，最后采用Html5 技術(shù)對(duì)整個(gè)交互式動(dòng)畫(huà)進(jìn)行封裝。

1.2.4 波形的模擬

在本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涉及的藥物量效曲線(xiàn)的波形制作中，運(yùn)用了Html5 Canvas 技術(shù)。將原始BL-420 信息化生物信號(hào)采集與處理系統(tǒng)中的波形數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言和算法實(shí)時(shí)反演，并通過(guò)Adobe Animate CC 設(shè)計(jì)波形界面和交互操作，從而實(shí)現(xiàn)由學(xué)生自主確定加藥時(shí)機(jī)的功能，逼真還原實(shí)體實(shí)驗(yàn)中藥物量效曲線(xiàn)的繪制過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的應(yīng)用共享

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已作為我校機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的線(xiàn)上必修內(nèi)容，應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)、麻醉學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)40 多個(gè)班級(jí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在我校研究生選修課“平滑肌生理和藥理”中也進(jìn)行了初步應(yīng)用。學(xué)生反饋實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、實(shí)驗(yàn)步驟詳細(xì)、呈現(xiàn)形式新穎、具有良好的體驗(yàn)感和操作感，但在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和交互形式多樣化上仍需進(jìn)一步提高。此外，項(xiàng)目已通過(guò)“實(shí)驗(yàn)空間”國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)在全國(guó)范圍開(kāi)放共享。根據(jù)項(xiàng)目網(wǎng)站后臺(tái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2020 年2 月，已有2 974 人次訪(fǎng)問(wèn)本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，累計(jì)學(xué)習(xí)時(shí)間超過(guò)10 000 h。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)意義

3.1 以虛補(bǔ)實(shí)，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的廣度與深度

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)動(dòng)畫(huà)形式，將血管平滑肌的收縮特點(diǎn)及調(diào)節(jié)機(jī)制、平滑肌前負(fù)荷與收縮效能的關(guān)系、內(nèi)皮細(xì)胞在血管平滑肌收縮活動(dòng)中的作用、腎上腺素受體激動(dòng)藥和阻斷藥的作用及其機(jī)制、藥物劑量與效應(yīng)關(guān)系等教學(xué)大綱和醫(yī)師資格考試大綱要求掌握的重點(diǎn)難點(diǎn)以生動(dòng)、形象、直觀的方式呈現(xiàn)出來(lái)，彌補(bǔ)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)無(wú)法大規(guī)模在本科教學(xué)中開(kāi)展這一不足，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的廣度與深度。

3.2 突破時(shí)空限制，提高學(xué)習(xí)效率

學(xué)生不再受時(shí)間和實(shí)驗(yàn)室空間的限制，可根據(jù)自己的需求，在任何互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，通過(guò)各類(lèi)移動(dòng)終端進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)[10]，驗(yàn)證所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，熟悉實(shí)驗(yàn)操作技能。本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)?zāi)M部分的“實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)”模塊，特意設(shè)計(jì)為學(xué)生可根據(jù)自己的需求直接跳轉(zhuǎn)到想要學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)練習(xí)與操作，使碎片化時(shí)間可以得到充分、有效的利用，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

3.3 教學(xué)手段新穎，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性

虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供了一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，通過(guò)文字、圖片、動(dòng)畫(huà)、聲音、人機(jī)交互操作等途徑調(diào)動(dòng)學(xué)生多感官參與學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生更好地記憶、理解、掌握知識(shí)和技能。本項(xiàng)目中的藥物量效曲線(xiàn)測(cè)定環(huán)節(jié)高度仿真實(shí)體實(shí)驗(yàn)過(guò)程，由學(xué)生自行判斷加藥時(shí)機(jī)。加藥時(shí)機(jī)的掌握是藥物量效曲線(xiàn)測(cè)定至關(guān)重要的一步，加藥過(guò)早或過(guò)遲都會(huì)導(dǎo)致整條量效曲線(xiàn)測(cè)定失敗。學(xué)生反饋每次到達(dá)這個(gè)步驟都既興奮又緊張，良好的沉浸感和互動(dòng)性有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生樂(lè)于學(xué)習(xí)、想要學(xué)習(xí)，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3.4 輔助雙語(yǔ)教學(xué)，擴(kuò)大共享范圍

實(shí)施雙語(yǔ)教學(xué)，適應(yīng)了醫(yī)學(xué)高等教育國(guó)際化趨勢(shì)發(fā)展的需要，對(duì)于更新教育理念，提高學(xué)生素質(zhì)，培養(yǎng)具有國(guó)際合作意識(shí)、國(guó)際交流與競(jìng)爭(zhēng)能力的復(fù)合型醫(yī)學(xué)人才具有重要意義[11]。本中英文雙語(yǔ)版實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為我校機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在2020 年全面開(kāi)展雙語(yǔ)教學(xué)提供了豐富的教學(xué)資源。此外，中英文雙語(yǔ)版的設(shè)計(jì)使項(xiàng)目通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)走出國(guó)門(mén)、走向世界，在全球范圍實(shí)現(xiàn)共享成為可能。

4 結(jié)語(yǔ)

血管收縮效能測(cè)定和評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)方法取材于我校傳統(tǒng)科研優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，項(xiàng)目組成員基于多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累，精心設(shè)計(jì)制作了這一知識(shí)內(nèi)容覆蓋面廣、操作技能精細(xì)度高的雙語(yǔ)版虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目在一定程度上解決了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式手段單一、教學(xué)資源不足、大型綜合實(shí)驗(yàn)成功率低、教學(xué)效果欠佳等問(wèn)題[7-8]，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、線(xiàn)上線(xiàn)下、混合教學(xué)新模式奠定了基礎(chǔ)。由于這是本項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的第1 個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在各方面還存在諸多不足。項(xiàng)目組在應(yīng)用和推廣過(guò)程中，將持續(xù)收集使用者的反饋意見(jiàn)和建議，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行以下改進(jìn)和完善：

（1）從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作便捷度、交互多樣化、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性等方面對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行不斷的改進(jìn)和提升；

（2）不斷完善英文版本的語(yǔ)言使用，力爭(zhēng)用純正的專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)表達(dá)實(shí)驗(yàn)中所涉及的內(nèi)容；

（3）通過(guò)舉辦會(huì)議、接待參訪(fǎng)、承辦培訓(xùn)等途徑，與國(guó)內(nèi)外兄弟院校、相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行廣泛交流與推廣，充分發(fā)揮項(xiàng)目示范、引領(lǐng)、輻射作用，擴(kuò)大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的受益面，共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)成果。