對醫(yī)學(xué)院校構(gòu)建虛擬實驗室的思考

張 偉 ，張雁容

（1.西北師范大學(xué)教育技術(shù)與傳播學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅中醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

對醫(yī)學(xué)院校構(gòu)建虛擬實驗室的思考

張 偉1，2，張雁容2

（1.西北師范大學(xué)教育技術(shù)與傳播學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅中醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

綜述虛擬實驗室的內(nèi)涵和功能、國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，并就醫(yī)學(xué)院校構(gòu)建虛擬實驗室的可行性及重要性進(jìn)行初步分析。

醫(yī)學(xué)院校；虛擬實驗室；實驗教學(xué)

實驗教學(xué)是醫(yī)學(xué)院校教學(xué)的重要組成部分。構(gòu)建符合各專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實驗教學(xué)體系，是促進(jìn)學(xué)生理論聯(lián)系實際，提高實踐能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才的有效途徑。經(jīng)多年研究和探索，尤其是通過教育部本科教學(xué)工作水平評估，醫(yī)學(xué)院校的實驗教學(xué)工作有了很大發(fā)展。但長期以來，受辦學(xué)基礎(chǔ)薄弱、經(jīng)費緊張、投入不足等因素制約，醫(yī)學(xué)院校實驗教學(xué)依然存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）驗證性、演示性實驗多，綜合性、設(shè)計性實驗少；（2）儀器設(shè)備數(shù)量偏少，更新?lián)Q代速度較慢；（3）實驗教室有限，實驗場地?fù)頂D；（4）理論課時較多，實驗課時偏少；（5）新辦專業(yè)缺乏成熟的配套實驗教材，傳統(tǒng)專業(yè)實驗教材內(nèi)容陳舊，教學(xué)方法單一；（6）實驗師資不足，教師知識更新不夠等。這些問題勢必影響醫(yī)學(xué)院校教學(xué)質(zhì)量和專業(yè)認(rèn)證，影響學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，探討構(gòu)建符合醫(yī)學(xué)院校各專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，挖掘已有教學(xué)資源，易于管理的實驗教學(xué)體系勢在必行。

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐的遠(yuǎn)程教育得到迅速發(fā)展，并取得重大成就，加快了實驗教學(xué)改革進(jìn)程。近年來，國內(nèi)外許多醫(yī)學(xué)院校及科研機(jī)構(gòu)紛紛提出虛擬實驗室的概念，即利用圖形、語音、視頻、動畫等多種技術(shù)，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)身臨其境地觀察實驗現(xiàn)象，給用戶提供一個基于網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)交流、共同研究的平臺。隨著虛擬實驗室技術(shù)的不斷成熟，虛擬實驗室具有低成本、高效率、功能全等優(yōu)點，越來越廣泛地應(yīng)用于高?？蒲?、教學(xué)方面，并取得了許多成效[1]。

1 虛擬實驗室的內(nèi)涵及功能

虛擬實驗室（Virtual laboratory）的概念，最早在1989年由美國University of Virginia的William Wolf教授提出，用來描述計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境，它是指借助圖形（圖像）、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機(jī)上創(chuàng)建一個可視化的虛擬實驗環(huán)境。其中，每一個可視化器件代表一種實驗器材，無論是學(xué)生還是教師都可以隨時進(jìn)入虛擬實驗室操作儀器，通過鼠標(biāo)的點擊與拖拽，進(jìn)行各種實驗[2]。虛擬實驗室包括注冊登錄管理、實驗預(yù)約、實驗預(yù)習(xí)、設(shè)備教學(xué)、虛擬實驗、實驗報告管理、實驗考核評價、實驗成績管理、實驗資源下載等功能[3]。

2 國內(nèi)外虛擬實驗室研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬實驗室的研究和應(yīng)用受到許多研究機(jī)構(gòu)及軟件供應(yīng)商的重視，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用工作開展較早的美國巴爾的摩約翰霍浦金斯大學(xué)化學(xué)工程系的卡爾威教授在電腦網(wǎng)絡(luò)上建立了一個虛擬實驗室，讓工程系的學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)做實驗，嘗試解決工程上遇到的各種問題，在“電子工作”的軟件系統(tǒng)中利用虛擬實驗室提供的元件構(gòu)造各種模擬電路和數(shù)字電路，并能動態(tài)地測試電路的性能[4]。1995年，網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”實驗，“實驗者”可以用虛擬手術(shù)刀層層分離青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織。目前，國際上具有代表性的生物、醫(yī)學(xué)虛擬實驗室有：Howard Hughes醫(yī)學(xué)研究院（HHMI）開發(fā)的細(xì)菌鑒定實驗室、心臟病實驗室、免疫實驗室、神經(jīng)生理學(xué)實驗室等；諾貝爾基金會（The Nobel Foundation）開發(fā)的虛擬生化實驗室。

近年來，國內(nèi)虛擬實驗室建設(shè)也得到了迅速發(fā)展，最具代表性的是一些著名大學(xué)開發(fā)出的遠(yuǎn)程教學(xué)虛擬實驗室，涉及物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多門學(xué)科，如清華大學(xué)的汽車發(fā)動機(jī)檢測虛擬實驗室、華中科技大學(xué)的工程測試虛擬實驗室、國防科技大學(xué)的現(xiàn)代測控技術(shù)與應(yīng)用虛擬實驗室等，但規(guī)模都較小，功能還不完善[5]。2003年初，我國第一軍醫(yī)大學(xué)宣布完成了國內(nèi)首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集。利用遠(yuǎn)程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，醫(yī)生只需對虛擬病人模型進(jìn)行手術(shù)，并通過網(wǎng)絡(luò)將醫(yī)生動作傳送到網(wǎng)絡(luò)另一端的手術(shù)機(jī)器人，由機(jī)器人對危急病人實施遠(yuǎn)程手術(shù)。手術(shù)實際進(jìn)展的圖像也可通過機(jī)器人攝像機(jī)實時傳給醫(yī)生的頭盔立體顯示器并將其與虛擬病人疊加，以便醫(yī)生實時掌握手術(shù)情況并發(fā)出手術(shù)指令[6]。上海交通大學(xué)對虛擬人體運(yùn)動建模的研究頗有特色[7]。第二軍醫(yī)大學(xué)生理學(xué)教研室從20世紀(jì)90年代開始，對生理學(xué)虛擬實驗進(jìn)行初步探索，曾對“蛙心灌流”“哺乳動物血壓調(diào)節(jié)”以及“動作電位的產(chǎn)生機(jī)制和記錄方法”等實驗進(jìn)行了成功的模擬，并先后在國內(nèi)生理學(xué)界的教學(xué)和計算機(jī)應(yīng)用大會上進(jìn)行交流，獲得了好評。近年來，他們對原有實驗進(jìn)行升級，完成了多種實驗軟件設(shè)計、調(diào)試和驗證，初步建成了機(jī)能學(xué)虛擬實驗室[8]。

3 構(gòu)建虛擬實驗室的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬實驗室應(yīng)具備以下特征：與現(xiàn)實操作的一致性、信息反饋的實時性、感受的逼真性、實時的交互性、較強(qiáng)的擴(kuò)充性、高度的開放性和資源的共享性，能保證實驗操作的安全和快速，高效地滿足教學(xué)需求。因此，要實現(xiàn)這些目標(biāo)，需要具備以下基本技術(shù)條件[1，2，9～11]。

3.1 硬件支持

虛擬實驗室系統(tǒng)的硬件環(huán)境由3部分構(gòu)成。

3.1.1 遠(yuǎn)程客戶端 客戶端計算機(jī)在嵌入腳本后，具有允許腳本和動態(tài)組件運(yùn)行的瀏覽器功能，同時具備實現(xiàn)虛擬顯示所必須具有的音頻、視頻等多媒體I/O設(shè)備。在實際開發(fā)應(yīng)用中，應(yīng)盡量實現(xiàn)瘦客戶端，以降低客戶端的接入要求。

3.1.2 傳輸數(shù)據(jù)通道 接入網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室的數(shù)據(jù)傳輸量較龐大，因此，需要采用基于虛擬現(xiàn)實傳輸協(xié)議VRTP的高速通信網(wǎng)絡(luò)，以便實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)構(gòu)成的虛擬環(huán)境多點傳送。

3.1.3 服務(wù)器 Web服務(wù)器：接收客戶端請求數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應(yīng)請求提交給對應(yīng)的應(yīng)用程序服務(wù)器處理;應(yīng)用程序服務(wù)器：處理由Web服務(wù)器轉(zhuǎn)交的對虛擬實驗儀器的請求，由安裝虛擬儀器（VI）開發(fā)平臺的計算機(jī)及相關(guān)接口組成。

3.2 軟件支持

3.2.1 虛擬現(xiàn)實 虛擬現(xiàn)實（VR）是一門涉及計算機(jī)、傳感與測量、仿真、微電子等技術(shù)的綜合集成技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)；虛擬環(huán)境是由計算機(jī)生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的交互式環(huán)境仿真。使用VR時要注意運(yùn)用動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、虛擬現(xiàn)實模型語言技術(shù)等。

3.2.2 Flash技術(shù) Flash CS3作為矢量多媒體技術(shù)是為創(chuàng)作網(wǎng)絡(luò)交互式動畫而開發(fā)的，其腳本語言Active Script支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)，通過它可開發(fā)出具有很強(qiáng)交互功能的網(wǎng)絡(luò)動畫。Active Script還提供了XML Socket的組件，支持將XML對象通過Socket發(fā)送，并可以由服務(wù)器接收數(shù)據(jù)。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫技術(shù) 數(shù)據(jù)庫技術(shù)在虛擬實驗室的應(yīng)用已從起步、發(fā)展階段，逐漸走向成熟。設(shè)備基本信息、實驗處理信息、學(xué)員教師信息、中斷信息存儲等，基本都采用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，這樣實驗者才能較好地進(jìn)行操作并控制實驗進(jìn)度。

3.2.4 ActiveX控件技術(shù) ActiveX控件是基于COM和COM+的通用組件。可以利用VC、Delphi等進(jìn)行ActiveX控件開發(fā)。ActiveX技術(shù)允許不同軟件開發(fā)的組件在網(wǎng)上進(jìn)行互相操作。在開發(fā)過程中一個實驗儀器可以在多個實驗環(huán)境中重復(fù)使用。

4 醫(yī)學(xué)院校構(gòu)建虛擬實驗室的可行性

（1）基本具備虛擬實驗室構(gòu)建的支撐條件。目前醫(yī)學(xué)院校基本建成了千兆校園網(wǎng)，可實現(xiàn)百兆到桌面，方便師生在辦公室或宿舍使用，不受時空限制，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸速率完全滿足傳輸數(shù)據(jù)通道的要求。（2）可選用平民化、大眾化的虛擬技術(shù)。醫(yī)學(xué)院校開設(shè)的專業(yè)不多，實驗室數(shù)量、學(xué)生人數(shù)和開設(shè)的實驗相對較少，因而，可充分挖掘?qū)W院現(xiàn)有資源，以平民化、大眾化的虛擬技術(shù)創(chuàng)建虛擬實驗室。（3）擁有一批計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用專業(yè)人才，能對虛擬實驗室構(gòu)建、運(yùn)行、維護(hù)和管理提供直接技術(shù)支持。（4）許多學(xué)科已積累了大量能實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的素材。如許多實驗性較強(qiáng)的基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課開設(shè)的大量實驗等。

5 醫(yī)學(xué)院校構(gòu)建虛擬實驗室的重要性

5.1 創(chuàng)新實驗教學(xué)模式

利用現(xiàn)有校園網(wǎng)將實驗設(shè)備、實驗教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)習(xí)者的操作有機(jī)融為一體，能克服資源、課堂、課時的制約，延伸實驗教學(xué)，為醫(yī)學(xué)院校實驗教學(xué)改革和專業(yè)認(rèn)識提供新亮點。

5.2 實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)一體化

能將實驗原理、方法與虛擬實驗儀器、實驗環(huán)境相結(jié)合，便于理論教學(xué)與實驗教學(xué)有機(jī)結(jié)合。

5.3 利于設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗的開設(shè)

開設(shè)設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗是虛擬實驗室又一重要應(yīng)用形式，這類實驗由于內(nèi)容新穎、應(yīng)用性較強(qiáng)，在實驗室往往無法及時開設(shè)。通過虛擬實驗室，可將相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行組合，開發(fā)相應(yīng)實驗，甚至包括一些障礙性、破壞性實驗。

5.4 為學(xué)生創(chuàng)造寬松的實驗環(huán)境

構(gòu)建的虛擬實驗環(huán)境可使學(xué)生預(yù)習(xí)、分析、設(shè)計、消化實驗，營造人性化課堂氛圍。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)共享實驗資源開展實驗，如遇到不能解決的問題可通過聊天室、電子郵件等通訊方式向教師請教，或與同學(xué)進(jìn)行討論，尋求解決問題的辦法。

5.5 解決實驗設(shè)備與師資不足的問題

醫(yī)學(xué)院校傳統(tǒng)的實驗教學(xué)基本是在實驗室完成，受實驗設(shè)備數(shù)量、實驗耗材數(shù)量、指導(dǎo)教師人數(shù)、實驗學(xué)時等限制，實驗只能分組進(jìn)行，因而學(xué)生接觸實驗設(shè)備和儀器的機(jī)會很少，大多數(shù)學(xué)生是在看實驗而不是在做實驗，教學(xué)效果不理想。虛擬實驗室能夠容納較多的學(xué)生進(jìn)行實驗，這在很大程度上解決了實驗設(shè)備和師資不足的問題。其可以模擬、仿真新設(shè)備、新儀器，使學(xué)生學(xué)習(xí)到最先進(jìn)的知識與技能，以解決實驗設(shè)備、儀器更新緩慢的問題，使實驗教學(xué)跟上時代發(fā)展的步伐。

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1671-1246（2010）19-0099-03

注：本文為甘肅省教育廳科研項目（0906-01）