基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ教骄?/h1>
2017-04-13 20:21:00楊丹聃王志飛王艷玲施雨露申耀楠趙靜霞
實驗技術(shù)與管理 2017年3期
楊丹聃, 王志飛, 王艷玲, 施雨露, 申耀楠, 趙靜霞
(1. 吉林大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 吉林 長春 130021； 2. 吉林大學(xué) 實驗室與設(shè)備管理處,吉林 長春 130012； 3. 吉林大學(xué) 護理醫(yī)學(xué)院, 吉林 長春 130021)
基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ教骄?/p>
楊丹聃1, 王志飛2, 王艷玲1, 施雨露1, 申耀楠1, 趙靜霞3
(1. 吉林大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 吉林 長春 130021； 2. 吉林大學(xué) 實驗室與設(shè)備管理處,吉林 長春 130012； 3. 吉林大學(xué) 護理醫(yī)學(xué)院, 吉林 長春 130021)
為實現(xiàn)實驗教學(xué)信息化,探索了構(gòu)建基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗平臺的可行性和實現(xiàn)方法。以基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)為研究對象,將虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)結(jié)合,綜合相關(guān)文獻及醫(yī)學(xué)院校建設(shè)虛擬平臺的現(xiàn)狀,將虛擬平臺應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué),解決了功能模塊的組成和技術(shù)支撐等建設(shè)問題。通過虛擬教學(xué),在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗領(lǐng)域不斷地探索實踐,提升了教學(xué)質(zhì)量、拓展了教學(xué)空間,增強了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。
虛擬仿真； 實驗教學(xué)； 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)
隨著科技的不斷進步,特別是信息化技術(shù)手段的不斷創(chuàng)新,國內(nèi)外醫(yī)學(xué)教育水平不斷提高,醫(yī)學(xué)教育與信息化的高度結(jié)合已成為新世紀(jì)醫(yī)學(xué)教育的必然趨勢。我國高度重視高等教育的信息化建設(shè),教育部作出了進一步建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的部署[1]。基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ),是應(yīng)用科學(xué),對基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)專門人才的培養(yǎng),需要有更先進的教學(xué)理念和教學(xué)方法。基于虛擬環(huán)境的新型實驗教學(xué)給基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育提供了全新的教育思維模式和更便利的學(xué)習(xí)條件。
1 虛擬仿真實驗建設(shè)的現(xiàn)狀
虛擬仿真技術(shù)是以計算機軟件、硬件為基礎(chǔ),采用相關(guān)技術(shù)手段,通過對已知或未知世界的仿真,使人獲得真實感受的一種先進的計算機應(yīng)用技術(shù)[2]。虛擬仿真實驗是應(yīng)用計算機仿真技術(shù),模擬真實實驗情境、創(chuàng)設(shè)高度仿真的實驗操作環(huán)境,操作者可以真實感受到預(yù)定實驗環(huán)境的氛圍,確保訓(xùn)練和實驗效果[3-4]。它是虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)應(yīng)用于研究的重要載體。虛擬仿真實驗始于1989年,William Wolf教授首次提出構(gòu)建一種基于網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)、技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺[5]。隨后,國內(nèi)外眾多機構(gòu)對虛擬仿真實驗進行了探索,很多高校組建了不同學(xué)科的虛擬實驗室,優(yōu)化和創(chuàng)新了新型人才培養(yǎng)模式,為社會輸送了更多、更優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才。
世界科技發(fā)達國家推動了實驗教學(xué)改革向信息化教育方向發(fā)展,使虛擬仿真實驗技術(shù)成為實驗教學(xué)不可或缺的重要手段。他們創(chuàng)造了虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等多種先進技術(shù)結(jié)合的虛擬實驗?zāi)Ｊ健＠缬_放大學(xué)基于互聯(lián)網(wǎng)的三維世界“第二人生”(Second Life)教學(xué),加拿大維多利亞大學(xué)建設(shè)的3D實驗室和人類學(xué)創(chuàng)客實驗室等[6],都代表了先進科技的虛擬開放實驗教學(xué)形式。
在醫(yī)學(xué)教學(xué)方面,美國和日本的學(xué)者最早啟動了虛擬化人體解剖的工作,并創(chuàng)建了一套可以交互提取各種器官的解剖資料的虛擬3D人體解剖圖系統(tǒng),該系統(tǒng)已經(jīng)可以讓操作者在進行虛擬手術(shù)的同時感受到觸覺反饋[7]。國外很多優(yōu)秀的虛擬仿真實驗教學(xué)手段值得國內(nèi)高校借鑒。
自20世紀(jì)90年代后期,我國高校虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)開始迅速發(fā)展[8],探索性地增設(shè)了一些虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容。2013年,教育部評審出首批100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心[9]。截至2015年9月,全國已建設(shè)200個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心,分布在全國155所普通本科院校,其中一些高校建有2個以上國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心[10]。2015年問卷調(diào)查顯示,已有高達78.48%的高校有支持和培育虛擬仿真實驗教學(xué)中心的計劃和投入[9]。虛擬仿真實驗教學(xué)已經(jīng)越來越受到高校的重視,在實驗教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用。
2 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗建設(shè)特點
在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的實踐教學(xué)中,利用計算機網(wǎng)絡(luò)為學(xué)習(xí)者提供自主式、交互式、開放式的實驗環(huán)境,已成為醫(yī)學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用的一種趨勢[11]。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式相比,虛擬仿真實驗技術(shù)有著自己獨特的優(yōu)勢特點。
2.1 虛實結(jié)合,豐富立體
基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)是基于實驗原理、內(nèi)容等基礎(chǔ)理論知識的操作性教學(xué),旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合實驗技能、科研思維和創(chuàng)新能力。雖然普通的實驗操作過程培養(yǎng)了學(xué)生的動手操作能力,但是由于實驗設(shè)備條件的限制、實驗動物倫理限制以及實驗學(xué)生的技能局限等諸多因素制約,使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不能反復(fù)、靈活進行實驗操作,實驗效果不夠理想。
利用虛擬仿真實驗平臺進行仿真實驗,可以使學(xué)生通過實驗靈活地學(xué)習(xí)課程內(nèi)容,再結(jié)合實驗操作,達到融會貫通。一些日常較難開展的大型綜合實驗,也可以用虛擬實驗代替,以虛補實、虛實結(jié)合,顯著提高基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。
2.2 自主學(xué)習(xí),積極靈活
以往醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)主要是以教師為主導(dǎo)的程序化教學(xué),表現(xiàn)為教師講授、學(xué)生接受的單向知識傳輸狀態(tài)[12-13]。學(xué)生要按照既定的實驗步驟操作,在設(shè)定的時間內(nèi)完成實驗任務(wù),缺乏主觀能動性與創(chuàng)造性。
虛擬教學(xué)平臺可以提供全天開放的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境,學(xué)生可以自選實驗項目、自主學(xué)習(xí),最大限度地發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動性。通過實驗平臺的開放式學(xué)習(xí)和反復(fù)實踐,學(xué)生可以更好地強化基本實驗技能并激發(fā)求知欲。
2.3 生物安全,節(jié)約成本
傳統(tǒng)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗存在以下問題:
(1) 病理切片標(biāo)本消耗量大,重復(fù)利用率低；
(2) 存在被實驗動物咬傷、高致病性微生物感染、劇毒性藥品中毒、放射性污染等不確定風(fēng)險；
(3) 實驗用動物及試劑購置費用上漲,大型儀器設(shè)備購置、運行、維護費用開銷大而實驗教學(xué)經(jīng)費不足。
生物安全問題和昂貴的實驗教學(xué)成本,困擾著一些高校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的實驗教學(xué)；而虛擬仿真技術(shù)可以避開這些問題,為學(xué)生搭建起一個低成本、無風(fēng)險、可調(diào)控的實驗技能訓(xùn)練平臺,實現(xiàn)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)新模式的轉(zhuǎn)變。
3 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗建設(shè)內(nèi)容
綜合國內(nèi)醫(yī)學(xué)院?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)情況,虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容都與實際開展的實驗項目緊密結(jié)合、息息相關(guān),大致分為機能科學(xué)、人體解剖學(xué)、生物化學(xué)分子生物學(xué)、形態(tài)學(xué)、病原免疫學(xué)等模塊。
3.1 機能科學(xué)實驗?zāi)K
虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的機能科學(xué)實驗?zāi)K,設(shè)定生理、病理生理、藥理等機能科學(xué)學(xué)科內(nèi)容,進行知識模塊劃分及知識點安排。在計算機系統(tǒng)中應(yīng)用Flash、Director、數(shù)據(jù)庫等技術(shù),開設(shè)動物實驗的操作規(guī)范、手術(shù)器械及實驗儀器的使用、生理測定的過程等虛擬實驗[14]。實驗?zāi)康暮蛯嶒炘硎褂梦淖纸榻B并搭配Flash展示,實驗過程可交互式操作[15],使實驗者可以像在真實環(huán)境中那樣,運用虛擬技術(shù)對實驗動物或標(biāo)本進行虛擬操作,完成預(yù)定實驗項目。學(xué)生可以在虛擬平臺上反復(fù)模擬實驗操作,不受實驗動物、試劑、場地等的制約。
這種靈活的實驗操作,使得機能科學(xué)一些高難度的綜合實驗項目——例如心力衰竭、急性呼吸衰竭、失血性休克、有機磷酸酯類中毒等實驗項目能夠?qū)嶋H操作、反復(fù)實踐,使學(xué)生有更好的實驗認知和基本技能的掌握。
3.2 人體解剖學(xué)實驗?zāi)K
人體解剖學(xué)實驗?zāi)K主要由3D虛擬解剖系統(tǒng)組成,虛擬實驗對象可以任意角度旋轉(zhuǎn)、移動或縮放,可以分解或組合顯示,也可以類似用解剖刀由淺入深選擇剖析,每層顯示不同的顏色并添加詳細標(biāo)注[16]。該系統(tǒng)的圖像清晰、解剖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確,采用區(qū)域參數(shù)改變的方式突出顯示,解決了標(biāo)本缺乏、學(xué)生難以理解和辨認的問題。教學(xué)過程也可加入聲音文件、三維動畫演示輔助教學(xué),使抽象問題具體化,增加了趣味性,加深學(xué)生對人體形態(tài)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和理解[17]。
3.3 生物化學(xué)分子生物學(xué)實驗?zāi)K
開發(fā)常用的分子生物學(xué)實驗?zāi)K,如RNA提取、凝膠電泳、PCR等作為一級界面,點擊進入實驗?zāi)康摹⒃?、步驟、注意事項、操作等二級界面,如點擊操作可進入三級工作臺界面。學(xué)生依據(jù)操作提示,通過鼠標(biāo)完成實驗儀器移動、添加樣品等實驗操作[18]。高度仿真的實驗操作過程讓學(xué)生能完整掌握和熟悉整個操作過程,提高學(xué)生的實踐操作能力。
3.4 形態(tài)學(xué)模塊
形態(tài)學(xué)模塊的虛擬項目建設(shè)是在沒有真實顯微鏡的情況下,模擬顯微鏡進行形態(tài)學(xué)切片觀察、標(biāo)本三維展示、虛擬讀片等虛擬實驗操作,突破了顯微鏡本身的功能限制[2]。精選各種病理學(xué)切片、組織學(xué)切片、寄生蟲學(xué)切片等,完成標(biāo)本的錄入和數(shù)字化處理,建立豐富的圖片數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了將難以采集的標(biāo)本數(shù)據(jù)運用于實驗教學(xué)實踐。
3.5 病原免疫學(xué)模塊
應(yīng)用形象的三維微觀模型動畫,直觀免疫學(xué)的原理及過程。病原免疫學(xué)模塊知識鏈條豐富、模型精致、沉浸感強,增加了知識的趣味性。結(jié)合模擬實驗,為學(xué)生增加多操作的實驗訓(xùn)練平臺,提高學(xué)生的科研探索能力。
4 虛擬仿真實驗平臺運行機制
計算機技術(shù)的發(fā)展對虛擬仿真實驗教學(xué)的技術(shù)支持非常充分。計算機和網(wǎng)絡(luò)的普及,為虛擬仿真實驗平臺的普及提供了便利的硬件條件；虛擬仿真軟件已可以進行復(fù)雜的虛擬實驗開發(fā)并且支持升級。
多媒體素材制作軟件包括圖像圖形處理軟件Photoshop、CorelDRAW和freehand等；動畫制作軟件3ds MAX、Maya、Flash等；聲音處理軟件ulead media studio、sound forge、cool edit、wave edit等；視頻處理軟件包括ulead media studio、adobe premiere等；多媒體程序語言包括Flash actionscript、director Shockwave等[8]。
在基礎(chǔ)綜合實驗?zāi)K下包含多個子實驗,子實驗中均包含基礎(chǔ)知識點、視頻動畫、模擬操作、測試考試等模塊。人體生物形態(tài)模擬和實驗操作模擬是醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺的最重要組成部分,它依靠三維軟件的靈活建模技術(shù)實現(xiàn)。3ds MAX、Maya 是主流的虛擬仿真建模軟件,Zbrush、Rhino、AutoCAD和Mudbox等也是常用的輔助建模軟件,還有MakeHuman 等人體、生物形態(tài)數(shù)據(jù)的專用軟件。多種軟件的結(jié)合運用,可以創(chuàng)建出高效、逼真、科學(xué)的動態(tài)生物及醫(yī)學(xué)相關(guān)模型,為虛擬仿真實驗的開展奠定基礎(chǔ)。
5 結(jié)語
虛擬仿真平臺以其豐富、靈活、可控等優(yōu)點,顯著拓展了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)資源,提高了教學(xué)質(zhì)量,對實驗教學(xué)改革有重要意義,在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著科學(xué)探索的不斷深入,基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)仿真實驗教學(xué)必將不斷完善,為具有科研能力、實踐能力、創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才培養(yǎng)搭建更好的平臺。
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Research on experimental mode of basic medicine virtual simulation
Yang Dandan1, Wang Zhifei2, Wang Yanling1, Shi Yulu1, Shen Yaonan1, Zhao Jingxia3
(1. College of Basic Medical Sciences, Jilin University, Changchun 130021, China; 2. Department. of Laboratory & Equipment Management, Jilin University, Changchun 130012, China; 3. School of Nursing, Jilin University, Changchun 130021, China)
The aim is to achieve experimental teaching informatization, and explore the feasibility and practicality of basic medical virtual simulation platform. The experimental teaching of basic medical science acts as the research object. Combining teaching with virtual simulation technology, associating the related literature with the present situation in medical colleges, the virtual platform is applied to solve the problems of functional modules and technical support. Through the continuous exploration and practice of virtual teaching in the field of basic medical experiment, it greatly improves the quality of teaching, expands the teaching space, and enhances the students’ability of autonomous learning and innovation.
virtual simulation; experimental teaching; basic medical teaching
10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.031
2016-10-14
吉林大學(xué)2015年實驗技術(shù)項目
楊丹聃(1989—),女,吉林長春,碩士,助理工程師,主要研究方向為免疫學(xué)實驗
趙靜霞(1963—),女,吉林長春,碩士,高級實驗師,主要從事護理學(xué)實驗研究.
G642；R-4
A
1002-4956(2017)3-0124-03
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(1. 吉林大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 吉林 長春 130021； 2. 吉林大學(xué) 實驗室與設(shè)備管理處,吉林 長春 130012； 3. 吉林大學(xué) 護理醫(yī)學(xué)院, 吉林 長春 130021)
基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ教骄?/p>
楊丹聃1, 王志飛2, 王艷玲1, 施雨露1, 申耀楠1, 趙靜霞3
(1. 吉林大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 吉林 長春 130021； 2. 吉林大學(xué) 實驗室與設(shè)備管理處,吉林 長春 130012； 3. 吉林大學(xué) 護理醫(yī)學(xué)院, 吉林 長春 130021)
為實現(xiàn)實驗教學(xué)信息化,探索了構(gòu)建基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗平臺的可行性和實現(xiàn)方法。以基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)為研究對象,將虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)結(jié)合,綜合相關(guān)文獻及醫(yī)學(xué)院校建設(shè)虛擬平臺的現(xiàn)狀,將虛擬平臺應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué),解決了功能模塊的組成和技術(shù)支撐等建設(shè)問題。通過虛擬教學(xué),在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗領(lǐng)域不斷地探索實踐,提升了教學(xué)質(zhì)量、拓展了教學(xué)空間,增強了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。
虛擬仿真； 實驗教學(xué)； 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)
隨著科技的不斷進步,特別是信息化技術(shù)手段的不斷創(chuàng)新,國內(nèi)外醫(yī)學(xué)教育水平不斷提高,醫(yī)學(xué)教育與信息化的高度結(jié)合已成為新世紀(jì)醫(yī)學(xué)教育的必然趨勢。我國高度重視高等教育的信息化建設(shè),教育部作出了進一步建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的部署[1]。基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ),是應(yīng)用科學(xué),對基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)專門人才的培養(yǎng),需要有更先進的教學(xué)理念和教學(xué)方法。基于虛擬環(huán)境的新型實驗教學(xué)給基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育提供了全新的教育思維模式和更便利的學(xué)習(xí)條件。
1 虛擬仿真實驗建設(shè)的現(xiàn)狀
虛擬仿真技術(shù)是以計算機軟件、硬件為基礎(chǔ),采用相關(guān)技術(shù)手段,通過對已知或未知世界的仿真,使人獲得真實感受的一種先進的計算機應(yīng)用技術(shù)[2]。虛擬仿真實驗是應(yīng)用計算機仿真技術(shù),模擬真實實驗情境、創(chuàng)設(shè)高度仿真的實驗操作環(huán)境,操作者可以真實感受到預(yù)定實驗環(huán)境的氛圍,確保訓(xùn)練和實驗效果[3-4]。它是虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)應(yīng)用于研究的重要載體。虛擬仿真實驗始于1989年,William Wolf教授首次提出構(gòu)建一種基于網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)、技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺[5]。隨后,國內(nèi)外眾多機構(gòu)對虛擬仿真實驗進行了探索,很多高校組建了不同學(xué)科的虛擬實驗室,優(yōu)化和創(chuàng)新了新型人才培養(yǎng)模式,為社會輸送了更多、更優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才。
世界科技發(fā)達國家推動了實驗教學(xué)改革向信息化教育方向發(fā)展,使虛擬仿真實驗技術(shù)成為實驗教學(xué)不可或缺的重要手段。他們創(chuàng)造了虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等多種先進技術(shù)結(jié)合的虛擬實驗?zāi)Ｊ健＠缬_放大學(xué)基于互聯(lián)網(wǎng)的三維世界“第二人生”(Second Life)教學(xué),加拿大維多利亞大學(xué)建設(shè)的3D實驗室和人類學(xué)創(chuàng)客實驗室等[6],都代表了先進科技的虛擬開放實驗教學(xué)形式。
在醫(yī)學(xué)教學(xué)方面,美國和日本的學(xué)者最早啟動了虛擬化人體解剖的工作,并創(chuàng)建了一套可以交互提取各種器官的解剖資料的虛擬3D人體解剖圖系統(tǒng),該系統(tǒng)已經(jīng)可以讓操作者在進行虛擬手術(shù)的同時感受到觸覺反饋[7]。國外很多優(yōu)秀的虛擬仿真實驗教學(xué)手段值得國內(nèi)高校借鑒。
自20世紀(jì)90年代后期,我國高校虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)開始迅速發(fā)展[8],探索性地增設(shè)了一些虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容。2013年,教育部評審出首批100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心[9]。截至2015年9月,全國已建設(shè)200個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心,分布在全國155所普通本科院校,其中一些高校建有2個以上國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心[10]。2015年問卷調(diào)查顯示,已有高達78.48%的高校有支持和培育虛擬仿真實驗教學(xué)中心的計劃和投入[9]。虛擬仿真實驗教學(xué)已經(jīng)越來越受到高校的重視,在實驗教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用。
2 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗建設(shè)特點
在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的實踐教學(xué)中,利用計算機網(wǎng)絡(luò)為學(xué)習(xí)者提供自主式、交互式、開放式的實驗環(huán)境,已成為醫(yī)學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用的一種趨勢[11]。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式相比,虛擬仿真實驗技術(shù)有著自己獨特的優(yōu)勢特點。
2.1 虛實結(jié)合,豐富立體
基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)是基于實驗原理、內(nèi)容等基礎(chǔ)理論知識的操作性教學(xué),旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合實驗技能、科研思維和創(chuàng)新能力。雖然普通的實驗操作過程培養(yǎng)了學(xué)生的動手操作能力,但是由于實驗設(shè)備條件的限制、實驗動物倫理限制以及實驗學(xué)生的技能局限等諸多因素制約,使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不能反復(fù)、靈活進行實驗操作,實驗效果不夠理想。
利用虛擬仿真實驗平臺進行仿真實驗,可以使學(xué)生通過實驗靈活地學(xué)習(xí)課程內(nèi)容,再結(jié)合實驗操作,達到融會貫通。一些日常較難開展的大型綜合實驗,也可以用虛擬實驗代替,以虛補實、虛實結(jié)合,顯著提高基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。
2.2 自主學(xué)習(xí),積極靈活
以往醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)主要是以教師為主導(dǎo)的程序化教學(xué),表現(xiàn)為教師講授、學(xué)生接受的單向知識傳輸狀態(tài)[12-13]。學(xué)生要按照既定的實驗步驟操作,在設(shè)定的時間內(nèi)完成實驗任務(wù),缺乏主觀能動性與創(chuàng)造性。
虛擬教學(xué)平臺可以提供全天開放的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境,學(xué)生可以自選實驗項目、自主學(xué)習(xí),最大限度地發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動性。通過實驗平臺的開放式學(xué)習(xí)和反復(fù)實踐,學(xué)生可以更好地強化基本實驗技能并激發(fā)求知欲。
2.3 生物安全,節(jié)約成本
傳統(tǒng)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗存在以下問題:
(1) 病理切片標(biāo)本消耗量大,重復(fù)利用率低；
(2) 存在被實驗動物咬傷、高致病性微生物感染、劇毒性藥品中毒、放射性污染等不確定風(fēng)險；
(3) 實驗用動物及試劑購置費用上漲,大型儀器設(shè)備購置、運行、維護費用開銷大而實驗教學(xué)經(jīng)費不足。
生物安全問題和昂貴的實驗教學(xué)成本,困擾著一些高校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的實驗教學(xué)；而虛擬仿真技術(shù)可以避開這些問題,為學(xué)生搭建起一個低成本、無風(fēng)險、可調(diào)控的實驗技能訓(xùn)練平臺,實現(xiàn)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)新模式的轉(zhuǎn)變。
3 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗建設(shè)內(nèi)容
綜合國內(nèi)醫(yī)學(xué)院?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)情況,虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容都與實際開展的實驗項目緊密結(jié)合、息息相關(guān),大致分為機能科學(xué)、人體解剖學(xué)、生物化學(xué)分子生物學(xué)、形態(tài)學(xué)、病原免疫學(xué)等模塊。
3.1 機能科學(xué)實驗?zāi)K
虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的機能科學(xué)實驗?zāi)K,設(shè)定生理、病理生理、藥理等機能科學(xué)學(xué)科內(nèi)容,進行知識模塊劃分及知識點安排。在計算機系統(tǒng)中應(yīng)用Flash、Director、數(shù)據(jù)庫等技術(shù),開設(shè)動物實驗的操作規(guī)范、手術(shù)器械及實驗儀器的使用、生理測定的過程等虛擬實驗[14]。實驗?zāi)康暮蛯嶒炘硎褂梦淖纸榻B并搭配Flash展示,實驗過程可交互式操作[15],使實驗者可以像在真實環(huán)境中那樣,運用虛擬技術(shù)對實驗動物或標(biāo)本進行虛擬操作,完成預(yù)定實驗項目。學(xué)生可以在虛擬平臺上反復(fù)模擬實驗操作,不受實驗動物、試劑、場地等的制約。
這種靈活的實驗操作,使得機能科學(xué)一些高難度的綜合實驗項目——例如心力衰竭、急性呼吸衰竭、失血性休克、有機磷酸酯類中毒等實驗項目能夠?qū)嶋H操作、反復(fù)實踐,使學(xué)生有更好的實驗認知和基本技能的掌握。
3.2 人體解剖學(xué)實驗?zāi)K
人體解剖學(xué)實驗?zāi)K主要由3D虛擬解剖系統(tǒng)組成,虛擬實驗對象可以任意角度旋轉(zhuǎn)、移動或縮放,可以分解或組合顯示,也可以類似用解剖刀由淺入深選擇剖析,每層顯示不同的顏色并添加詳細標(biāo)注[16]。該系統(tǒng)的圖像清晰、解剖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確,采用區(qū)域參數(shù)改變的方式突出顯示,解決了標(biāo)本缺乏、學(xué)生難以理解和辨認的問題。教學(xué)過程也可加入聲音文件、三維動畫演示輔助教學(xué),使抽象問題具體化,增加了趣味性,加深學(xué)生對人體形態(tài)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和理解[17]。
3.3 生物化學(xué)分子生物學(xué)實驗?zāi)K
開發(fā)常用的分子生物學(xué)實驗?zāi)K,如RNA提取、凝膠電泳、PCR等作為一級界面,點擊進入實驗?zāi)康摹⒃?、步驟、注意事項、操作等二級界面,如點擊操作可進入三級工作臺界面。學(xué)生依據(jù)操作提示,通過鼠標(biāo)完成實驗儀器移動、添加樣品等實驗操作[18]。高度仿真的實驗操作過程讓學(xué)生能完整掌握和熟悉整個操作過程,提高學(xué)生的實踐操作能力。
3.4 形態(tài)學(xué)模塊
形態(tài)學(xué)模塊的虛擬項目建設(shè)是在沒有真實顯微鏡的情況下,模擬顯微鏡進行形態(tài)學(xué)切片觀察、標(biāo)本三維展示、虛擬讀片等虛擬實驗操作,突破了顯微鏡本身的功能限制[2]。精選各種病理學(xué)切片、組織學(xué)切片、寄生蟲學(xué)切片等,完成標(biāo)本的錄入和數(shù)字化處理,建立豐富的圖片數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了將難以采集的標(biāo)本數(shù)據(jù)運用于實驗教學(xué)實踐。
3.5 病原免疫學(xué)模塊
應(yīng)用形象的三維微觀模型動畫,直觀免疫學(xué)的原理及過程。病原免疫學(xué)模塊知識鏈條豐富、模型精致、沉浸感強,增加了知識的趣味性。結(jié)合模擬實驗,為學(xué)生增加多操作的實驗訓(xùn)練平臺,提高學(xué)生的科研探索能力。
4 虛擬仿真實驗平臺運行機制
計算機技術(shù)的發(fā)展對虛擬仿真實驗教學(xué)的技術(shù)支持非常充分。計算機和網(wǎng)絡(luò)的普及,為虛擬仿真實驗平臺的普及提供了便利的硬件條件；虛擬仿真軟件已可以進行復(fù)雜的虛擬實驗開發(fā)并且支持升級。
多媒體素材制作軟件包括圖像圖形處理軟件Photoshop、CorelDRAW和freehand等；動畫制作軟件3ds MAX、Maya、Flash等；聲音處理軟件ulead media studio、sound forge、cool edit、wave edit等；視頻處理軟件包括ulead media studio、adobe premiere等；多媒體程序語言包括Flash actionscript、director Shockwave等[8]。
在基礎(chǔ)綜合實驗?zāi)K下包含多個子實驗,子實驗中均包含基礎(chǔ)知識點、視頻動畫、模擬操作、測試考試等模塊。人體生物形態(tài)模擬和實驗操作模擬是醫(yī)學(xué)虛擬實驗平臺的最重要組成部分,它依靠三維軟件的靈活建模技術(shù)實現(xiàn)。3ds MAX、Maya 是主流的虛擬仿真建模軟件,Zbrush、Rhino、AutoCAD和Mudbox等也是常用的輔助建模軟件,還有MakeHuman 等人體、生物形態(tài)數(shù)據(jù)的專用軟件。多種軟件的結(jié)合運用,可以創(chuàng)建出高效、逼真、科學(xué)的動態(tài)生物及醫(yī)學(xué)相關(guān)模型,為虛擬仿真實驗的開展奠定基礎(chǔ)。
5 結(jié)語
虛擬仿真平臺以其豐富、靈活、可控等優(yōu)點,顯著拓展了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)資源,提高了教學(xué)質(zhì)量,對實驗教學(xué)改革有重要意義,在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著科學(xué)探索的不斷深入,基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)仿真實驗教學(xué)必將不斷完善,為具有科研能力、實踐能力、創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才培養(yǎng)搭建更好的平臺。
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Research on experimental mode of basic medicine virtual simulation
Yang Dandan1, Wang Zhifei2, Wang Yanling1, Shi Yulu1, Shen Yaonan1, Zhao Jingxia3
(1. College of Basic Medical Sciences, Jilin University, Changchun 130021, China; 2. Department. of Laboratory & Equipment Management, Jilin University, Changchun 130012, China; 3. School of Nursing, Jilin University, Changchun 130021, China)
The aim is to achieve experimental teaching informatization, and explore the feasibility and practicality of basic medical virtual simulation platform. The experimental teaching of basic medical science acts as the research object. Combining teaching with virtual simulation technology, associating the related literature with the present situation in medical colleges, the virtual platform is applied to solve the problems of functional modules and technical support. Through the continuous exploration and practice of virtual teaching in the field of basic medical experiment, it greatly improves the quality of teaching, expands the teaching space, and enhances the students’ability of autonomous learning and innovation.
virtual simulation; experimental teaching; basic medical teaching
10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.031
2016-10-14
吉林大學(xué)2015年實驗技術(shù)項目
楊丹聃(1989—),女,吉林長春,碩士,助理工程師,主要研究方向為免疫學(xué)實驗
趙靜霞(1963—),女,吉林長春,碩士,高級實驗師,主要從事護理學(xué)實驗研究.
G642；R-4
A
1002-4956(2017)3-0124-03
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