唐 溯 姚鐵辰 朱 涵 黃 碩 孟 建

（山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院） 山東·濟南 250000）

0 前言

新時代的醫(yī)學科技發(fā)展已經(jīng)不再局限于實驗室內(nèi)的研究，將醫(yī)學實驗與信息技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為一種大趨勢。而虛擬仿真模擬技術(shù)（Virtual Reality），簡稱VR，就是一種如今日益成熟的，可以將醫(yī)學研究與網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合的一種技術(shù)。醫(yī)學影像學是現(xiàn)代醫(yī)學領(lǐng)域發(fā)展最快、涉及范圍最廣的學科之一，所以就可以將其與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合在一起，成為高等教育體系信息化建設(shè)與實踐教學中心建設(shè)的關(guān)鍵所在。本文章對虛擬仿真實驗的發(fā)展現(xiàn)狀進行了詳細的研究，希冀探討虛擬仿真軟件在我國高校實驗教學中的應(yīng)用以及發(fā)展前景。

1 虛擬仿真實驗的發(fā)展現(xiàn)狀概述

信息技術(shù)的不斷發(fā)展為教育提供了更多的教學方法，其中將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在實驗教學上，更是為傳統(tǒng)的實驗室?guī)砹俗兏?。虛擬仿真實驗技術(shù)的出現(xiàn)沖擊了人們的實驗教學理念，同時也彌補了許多傳統(tǒng)實驗教學的缺陷。虛擬仿真以計算機為核心，生成視覺、聽覺，甚至是觸覺一體化的虛擬環(huán)境，實現(xiàn)了每一個學生都可以切實動手操作實驗，解決了目前傳統(tǒng)實驗教學中學生多，儀器少，儀器破損或落后等問題。虛擬仿真實驗技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用才剛剛開始，是處于一個上升階段的，應(yīng)用在教育方面是必不可少的、有發(fā)展前景的新興教學方法。

2 虛擬仿真實驗在各個領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 醫(yī)學

2.1.1 在診斷學教學中的應(yīng)用

診斷學是一門理論醫(yī)學與臨床醫(yī)學相結(jié)合的橋梁課程[1]，是運用所學的基礎(chǔ)醫(yī)學知識，通過病人所表現(xiàn)出的癥狀來對一種或多種疾病做出診斷。診斷學是一名臨床醫(yī)生的基本功，對于醫(yī)學生來說也是重中之重。既然牽涉到了臨床，就說明這是門實踐性很強的課程，實驗教學條件會直接影響此門課程的學習。據(jù)了解，這門課程一般開設(shè)在大學三年級，這時的學生還接觸不到臨床實踐環(huán)境，但是虛擬仿真實驗的出現(xiàn)改變了這種情況。

在實驗課上，學生可以以虛擬患者為基礎(chǔ)，創(chuàng)建不同疾病的患者模型。診斷分為視診、問診、聽診、觸診及叩診等檢查。學生可以在虛擬界面與虛擬患者對話，并進一步用模擬聽診器去進行聽診，然后再進行叩診從而得出初步的診斷結(jié)果。相對于傳統(tǒng)的診斷學實驗教學，這些都是無法做到的，也正是由于虛擬仿真實驗的運用，學生可以更好地掌握診斷學的方法步驟以及最重要的診斷學知識。

2.1.2 在急救醫(yī)學技能操作教學中的應(yīng)用

急救醫(yī)學是一門多專業(yè)的綜合學科，是臨床處理急危重癥的第一線，主要是處理和研究各種各樣的急性病變及急性創(chuàng)傷，其涉及醫(yī)學的方方面面——包括內(nèi)科、外科、神經(jīng)外科、神經(jīng)內(nèi)科、麻醉等，其疾病之復(fù)雜、疾病之兇險，對于還身處學校的同學來說，認識不可謂不足。同時這門課程也是一門實踐性高，而且實際的操作機會很少的學科，這也就使學生們學習掌握這門課程的難度增加，以及同學們以后身處臨床，其生理和心理也難以很快適應(yīng)。因此，應(yīng)用于急救醫(yī)學學科的虛擬仿真實驗是通過模擬人操作的模擬人仿真系統(tǒng)，同時結(jié)合實際生活中的網(wǎng)絡(luò)通訊、人機交互等技術(shù)將其用于急救醫(yī)學技能操作教學中[2]。例如，學生可以從書本中學習到如何急救突發(fā)心肌梗死的患者后，在虛擬仿真環(huán)境中切實感悟到每一步的確切操作手法和應(yīng)該注意的細節(jié)，對于如何處理急性心肌梗死患者的急救措施有更直觀的認識，并且系統(tǒng)還可以模擬出患者的身體狀況以及反饋急救是否成功，從而使學生不斷改進提高自己的心肺復(fù)蘇術(shù)的水平和能力，為了以后更好的臨床診療提供幫助。

2.1.3 醫(yī)學微生物學教學中的應(yīng)用

圖1 左圖：新型冠狀病毒電鏡圖 右圖：新型冠狀病毒“德爾塔”變種3D建模

醫(yī)學微生物學是基礎(chǔ)醫(yī)學中一門重要的學科，主要研究與醫(yī)學有關(guān)的病原微生物的生物學性狀、致病機制、機體的免疫反應(yīng)以及相關(guān)的防治措施。[3]這門課程的一大特點是知識點較為瑣碎，對于各種各樣微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)等方面的學習，由于沒有足夠的標本和觀察手段，所以學生們大都只能在書本上學習它們的構(gòu)造，無法真實的看到它們真正的結(jié)構(gòu)。而虛擬仿真實驗則給了學生們這個機會——虛擬仿真技術(shù)由于具有網(wǎng)絡(luò)共享的特點，可以搜集到各個醫(yī)院或?qū)嶒炇疑蟼鞯轿墨I里的各種對人類致病的微生物，以如今最引人注意的新型冠狀病毒為例，課本上只是描述其結(jié)果特點，配圖是一個電子顯微鏡下放大的圖片，十分模糊且沒有立體感，而在虛擬仿真技術(shù)的幫助下，學生們可以直觀的觀察新型冠狀病毒的真正構(gòu)造，并且找到其具有高度變異性的結(jié)構(gòu)，還可以對比其與最近變種“德爾塔”病毒的不同，可以讓學生們更好地學習冠狀病毒這一大類病毒的形態(tài)結(jié)構(gòu)、抗原結(jié)構(gòu)簇及其增殖過程。

2.2 化工

化工原理實驗教學是化工專業(yè)學生必須學習掌握的一項重要內(nèi)容[4]。為了讓該專業(yè)的學生更好地學習這門專業(yè)課，彌補傳統(tǒng)教學方式的不足，虛擬仿真實驗技術(shù)可以利用在計算機上運行的數(shù)字化平臺，準確模擬化學上真實的實驗。在線下的傳統(tǒng)實驗課堂上，一是缺少實驗所需要的材料，二是反應(yīng)消耗的時間久，三是化學實驗的影響因素太多，結(jié)果容易不成功，并且一旦不成功則需要重新開始實驗。而在虛擬平臺上做實驗，則可以縮短實驗反應(yīng)的時間，并且可以自行加入對實驗具有影響的變量，這樣即使失敗重新開始了，也不需要等待每一步反應(yīng)所消耗的時間，這樣可以大大提升學生們的效率，減少學生們的精力損耗，同時也可以讓學生們深刻地認識并掌握相關(guān)的化工原理。

2.3 工業(yè)機器人

為了使自己的制造業(yè)更具有競爭力，效率更高，各國都在研發(fā)改進升級自己的工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是智能制造的重要組成部分[5]，工業(yè)自動化的不斷改造，機器人需求量的不斷增長，也對實用型專業(yè)技能人才提出了新的要求。如今對于該類人才的培養(yǎng)需要加強實踐操作，不能只進行理論上學習，要在教學過程中將理論與實踐結(jié)合起來，將課堂轉(zhuǎn)移到工廠里，同時自動化的工業(yè)機器人對使用者的計算機水平也有較高的要求。所以為了提升課程質(zhì)量與效率，要將互聯(lián)網(wǎng)、遙操作、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)運用到課堂上。

如今是大數(shù)據(jù)的時代，信息的交流自然也是無比之重，通過“虛擬仿真+在線課堂”的教學形式，可以使老師傅與新學徒建立更好的溝通橋梁，師傅既可以遠程觀看學徒的操作過程，也可以進行遠程操控，對過程中出現(xiàn)的問題進行糾正。這種教學模式改變了在工廠里學習的乏味與條件的簡陋，極大提升了學習者的興趣，在未來的教學中會不斷發(fā)揮更大的作用。

2.4 外語類

語言是一門實用類學科，外語學科的學習同樣需要在真實的語言場景和文化背景下才能取得好的效果，但是傳統(tǒng)的語言授課模式仍然缺乏以上兩種優(yōu)點，同學在老師的口講筆述下學習語言，其效果大打折扣，學生的學習興趣及其學習成果也非常不理想。在目前新學科建設(shè)背景下，學生對于語言學習的實用性有了極大的要求，對于外語教學的需求發(fā)生了深刻變化。[6]

因此，VR和虛擬仿真實驗軟件的出現(xiàn)，完美的契合了現(xiàn)如今學科發(fā)展的現(xiàn)狀以及學生們對學習外語的需求。外語教學可以借助虛擬仿真軟件來更新教學方式、建立語言場景和文化背景、增強學生記憶以及語言知識與技能學習的效果。虛擬仿真軟件也符合教育部關(guān)于虛擬仿真實驗教學項目—“虛實結(jié)合、相互補充”的項目設(shè)計理念，可以更深層次的啟發(fā)學生對于中外文化差異的思考，理解其語言的內(nèi)涵和精髓，深入的學習語言。

3 前景與展望

虛擬仿真實驗技術(shù)能夠生動并且形象的展現(xiàn)實驗過程中的操作細節(jié)，同時可以彌補傳統(tǒng)教學的不足，具有時空隨意性、學習交互性等優(yōu)點。目前，虛擬仿真實驗技術(shù)仍屬于一項新興的技術(shù)，還沒有被廣泛的應(yīng)用于教學實驗中，但是其有著極大的潛在價值與意義。應(yīng)用虛擬仿真實驗教學能夠激發(fā)學生的學習興趣和學習主動性，有效提高整體教學效果，具有可發(fā)展性，相信在未來會被廣泛應(yīng)用，有利于為社會培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，同時，教育方式也會因虛擬仿真技術(shù)的加入課堂而發(fā)生重大變革。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，日益成熟，不難想象，在未來的高等教育體系中必然會發(fā)揮越來越重要的作用。

總而言之，不管新興的技術(shù)有多先進，功能有多強悍，都不可能從根本上把老師替代。教學也不可能是技術(shù)選擇老師，而是以老師主導(dǎo)，通過選擇相應(yīng)的虛擬仿真技術(shù)，配合自己的教學思路來教授知識。目前 VR技術(shù)及其衍生產(chǎn)物“虛擬仿真實驗”還只是處于萌芽階段，仍沒有大規(guī)模的應(yīng)用到每個大學、每門學科、每位教師的教學當中，但是基于其在教學當中所能發(fā)揮的種種優(yōu)勢，我相信用不了多長時間，虛擬仿真技術(shù)就會在我們的課堂當中出現(xiàn)，帶來一場極其重大的教育改革。