摘 要 傳統(tǒng)的動物實驗教學模式受到實驗條件、動物福利關切以及教學資源分配不均等方面的限制。為應對這些難題，提出一種基于虛擬仿真技術的動物實驗教學系統(tǒng)設計方案，旨在通過模擬仿真動物實驗環(huán)境，為學生提供一個安全、高效且具有高度互動性的學習平臺。該系統(tǒng)的構建不僅有望改善傳統(tǒng)動物實驗教學中的諸多不足，還將促進學生的自主學習能力和創(chuàng)新思維的發(fā)展，從而為高等教育實驗教學的改革與創(chuàng)新提供有力支持。

關鍵詞 實驗動物學；虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)；實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）17-0-04

0 引言

實驗教學是理論知識與實踐操作相結合的重要方式，對于生物醫(yī)學等領域的學習至關重要[1]。實驗動物在生命科學和藥物研發(fā)中扮演核心角色，這使得實驗動物學的教學質量備受矚目[2]。動物實驗教學的重要方向是培養(yǎng)具有現(xiàn)代醫(yī)藥科學研究和技術管理能力的人才。虛擬仿真技術的誕生為實驗教學帶來革命性的變化。該技術通過計算機模擬真實場景，提供一種全新的、互動性強的教學模式，讓學生能夠在虛擬環(huán)境中獲得更為生動、直觀的學習體驗，從而加深對實驗原理的理解和操作技能的

掌握[3]。

1 構建實驗動物學虛擬仿真動物實驗教學

系統(tǒng)的必要性

新冠疫情防控期間，線上教學成為主流，虛擬仿真技術在其中顯示出巨大的教學潛能。目前，虛擬仿真技術已成為教學領域關注的焦點，并得到廣泛應用。例如，中國科學技術大學、中國農業(yè)大學和西北農林科技大學等高校建立了自己的虛擬仿真實驗教學平臺，這些平臺覆蓋了多個學科領域，顯著提升了實驗教學的效果和學生參與度[4-5]。

虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)融合了計算機技術與虛擬現(xiàn)實技術，可創(chuàng)造出一個既逼真又互動的實驗環(huán)境。這種系統(tǒng)不僅能提供多樣化的實驗內容和生動的教學場景，激發(fā)學生的學習興趣，還能在不使用真實動物的情況下，通過預設的動物實驗模塊快速完成實驗，減少實驗時間，降低成本和動物使用量，同時減輕動物的痛苦。此外，虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)還能提高實驗的安全性，為學生提供一個安全的實驗環(huán)境[6-7]。因此，構建虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)能夠有效提升實驗教學的質量，為實驗動物學教學創(chuàng)新和實踐教學改革開辟新的路徑。

2 實驗動物學虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的設計思路

為更好地在動物實驗教學中踐行3R原則（Re-duction減少、Replacement替代、Refinement優(yōu)化），在不影響實驗教學質量的前提下進行教育教學改革尤為迫切，而虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的構建正在成為實驗動物學教育和科研的重要方向之一。實驗動物學虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的設計，需要充分了解用戶需求，設定功能較為齊全的系統(tǒng)模塊，包括系統(tǒng)架構設計、場景設計、交互設計、數(shù)據(jù)采集和處理、教育教學功能設計、實驗結果考核評估設計以及安全性設計等。因此，虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的構建是一個復雜的過程，需要充分考慮系統(tǒng)架構的設計、技術原理與實現(xiàn)[8-11]。

2.1 系統(tǒng)架構的設計

基于虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)功能、性能等方面的需求，按照Web應用程序的架構分層設計，將虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)架構設計為五個層級（圖1）。

1）前端層：是用戶與系統(tǒng)交互的界面，包括實驗場景的設置、實驗操作的模擬和實驗數(shù)據(jù)的展示等功能。前端層需要使用現(xiàn)代化的Web技術，如HTML、CSS、JavaScript等，來實現(xiàn)用戶界面的設計和交互。

2）后端層：是系統(tǒng)的核心功能和業(yè)務邏輯實現(xiàn)的地方，包括實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗評估與反饋等功能。后端層需要使用服務器端編程語言，如Java、Python等，來實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)處理。

3）數(shù)據(jù)庫層：是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲和管理的地方，包括實驗數(shù)據(jù)、實驗指導手冊、實驗評估與反饋等數(shù)據(jù)的存儲和管理。數(shù)據(jù)庫層需要使用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如MySQL、MongoDB等，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理。

4）虛擬實驗層：是實現(xiàn)虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的關鍵部分，包括實驗場景的構建、實驗操作的模擬和實驗數(shù)據(jù)的處理等功能。虛擬實驗層需要使用虛擬仿真技術，如Unity3D、Unreal Engine等，來實現(xiàn)實驗場景的構建和實驗操作的模擬。

5）人工智能層：是實現(xiàn)系統(tǒng)智能化功能的地方，包括實驗指導手冊的生成、實驗評估與反饋等功能。人工智能層需要使用人工智能技術，如自然語言處理、機器學習等，來實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化功能。在這種分層結構中，每個層次都有自己的職責和功能，并與其他層次進行交互，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。

2.2 技術原理與實現(xiàn)

虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)采用計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實、人工智能等技術進行構建。計算機圖形學技術是構建虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的基礎，可以模擬出真實的動物模型，并且根據(jù)不同的實驗需求進行模型的調整和優(yōu)化。計算機圖形學技術還可以實現(xiàn)模型的動態(tài)效果，如模型的運動、呼吸等，增強用戶的沉浸感和體驗感。虛擬現(xiàn)實技術是實現(xiàn)虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的關鍵技術，可以模擬出真實的實驗環(huán)境，并且根據(jù)不同的實驗需求進行場景的調整和優(yōu)化。虛擬現(xiàn)實技術還可以實現(xiàn)用戶的交互操作，如手勢識別、語音識別等，增強用戶的操作體驗。人工智能技術是實現(xiàn)虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的重要技術。人工智能技術可以實現(xiàn)模型的智能化，如模型的自主運動、自主學習等，還可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的自動處理和分析，如實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、模型的預測分析等，提高實驗效率和質量。

2.3 實驗動物學虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的內容設計（圖2）

虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的實驗內容應與實驗動物學緊密相關。該系統(tǒng)根據(jù)各類實驗動物的解剖結構、器官功能及生物學特征進行設計。例如，在模擬小鼠手術實驗的場景中，運用虛擬現(xiàn)實技術和計算機圖形學技術構建一個真實的小鼠模型，包括小鼠外形、內部結構、器官等。同時還添加了手術器械和手術臺等虛擬設備，讓學生在虛擬環(huán)境中進行手術操作。在實驗場景中還設置了一些虛擬實驗助手，如虛擬實驗指導員、虛擬實驗記錄員等，幫助學生更好地進行實驗操作和數(shù)據(jù)采集。此外，虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)還能夠模擬各種實驗操作，如動物的抓取、綁定、雌雄鑒別、給藥等，幫助學生在虛擬環(huán)境中進行實踐操作，提高其實踐能力和動手能力。

另外，在設計實驗內容時，需要考慮學生的學習需求和興趣，與教學目標和教學內容。例如：對于初學者，可以設計一些簡單的實驗內容，讓學生逐步熟悉虛擬仿真實驗的操作和流程；對于具備一定知識背景和技能水平的學生，可以設計一些復雜的實驗內容，如各種疾病動物模型的建立及轉基因動物模型等，讓學生在實踐中提高分析問題和解決問題的能力。

總之，虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的實驗內容需要根據(jù)不同學生的需求和教學目標靈活設計，以激發(fā)學生的學習興趣。

3 實驗動物學虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)的功能特點

虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)在實驗動物學領域采用前沿科技創(chuàng)造了一個逼真的實驗學習環(huán)境。該系統(tǒng)融合了虛擬現(xiàn)實、3D建模及交互設計等技術，確保學生在安全的條件下進行實驗操作與學習。系統(tǒng)主要功能包括：1）構建多樣化的人類疾病動物模型實驗，涵蓋生理、藥理、解剖等多學科領域，提供完整的實驗流程，包括目的、原理、材料、方法和結果；2）強化的交互功能與友好的用戶界面，便于學生輕松訪問與操作，通過虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)全方位觀察，支持放大、旋轉、平移等操作，深化學生對實驗原理的理解；3）個性化學習路徑與實驗設計功能，滿足不同專業(yè)與學生的需求，學生可根據(jù)興趣和能力選擇實驗內容，以提升學習成效；4）提供豐富的教學資源，如實驗教材、視頻、數(shù)據(jù)等，幫助學生深入理解實驗原理和操作，增強記憶；5）保障教學安全，避免使用實驗動物，減少動物傷害及疾病傳播風險?？傮w而言，設計虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)時，需全面考慮用戶需求和教學特性，提供靈活高效的教學體驗。同時，緊跟虛擬仿真技術的發(fā)展趨勢，將最新技術成果融入系統(tǒng)，提升真實感、靈活性和智能化水平[12-14]。

4 結論與展望

虛擬仿真動物實驗教學系統(tǒng)可促進教育資源共享與數(shù)字化，推動虛擬仿真技術普及。該系統(tǒng)為學生提供了更多實踐操作的機會，對提升教育質量和促進學生未來發(fā)展具有重要意義。

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*項目來源：2023年山西省高等學校一般性教學改革創(chuàng)新立項項目“‘金課’背景下動物實驗虛擬仿真教學的研究與實踐”（編號：J20230563）。

作者簡介：郭民，高級實驗師，通信作者；陳朝陽，教授。