醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

謝忠好，陳醒言，范小芳，龔永生，胡良岡

（溫州醫(yī)學(xué)院，浙江 溫州 325035，1.信息與工程學(xué)院；2.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院）

醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

謝忠好1，陳醒言2，范小芳2，龔永生2，胡良岡2

（溫州醫(yī)學(xué)院，浙江 溫州 325035，1.信息與工程學(xué)院；2.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院）

醫(yī)學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)；機(jī)能學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

機(jī)能學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是醫(yī)學(xué)教育的重要組成部分。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)占用并消耗大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、器材、教學(xué)場(chǎng)地和師資力量。隨著學(xué)校設(shè)置專業(yè)的增加及招生人數(shù)的增多，機(jī)能實(shí)驗(yàn)學(xué)教學(xué)改革成為醫(yī)學(xué)教育改革的熱點(diǎn)問(wèn)題。由于傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)所需物品比較復(fù)雜，有的實(shí)驗(yàn)最多要準(zhǔn)備三十多種物品，缺少哪一種，都會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)效果；部分實(shí)驗(yàn)要求操作者具備較高的技術(shù)操作水平，稍有不慎，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗[1]。由此，我們提出了用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，讓學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)單的操作設(shè)置，去驗(yàn)證書(shū)本上的理論，免去了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一些不必要的環(huán)節(jié)，讓學(xué)生有充分的時(shí)間獨(dú)立思考與分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以蟾蜍坐骨神經(jīng)-腓腸肌標(biāo)本的制備和電刺激對(duì)骨骼肌收縮的影響實(shí)驗(yàn)為例[2]，虛擬實(shí)驗(yàn)主要采用了WEB和FLASH技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與虛擬技術(shù)結(jié)合到一起，并且可以很容易擴(kuò)展為網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。整個(gè)平臺(tái)力求重點(diǎn)突出，層次分明，并著重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力。

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)的組成部分 與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)一樣，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也設(shè)置相關(guān)的欄目，便于學(xué)生及時(shí)的查閱。相比較傳統(tǒng)的指導(dǎo)書(shū)，虛擬平臺(tái)可以提供更為豐富的材料來(lái)幫助學(xué)生去加深對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)原理的理解。虛擬實(shí)驗(yàn)的具體組成參見(jiàn)圖1。

1.2 軟件的設(shè)計(jì) 虛擬實(shí)驗(yàn)以Dreamweaver為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用Java技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頁(yè)面的動(dòng)態(tài)效果，并引入了微軟的Agent組件中的Merlin角色，為實(shí)驗(yàn)的不同章節(jié)做語(yǔ)音講解。軟件界面如圖2所示。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟糠种饕晕谋竞蛨D表的形式，對(duì)機(jī)能實(shí)驗(yàn)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)原理作較為詳實(shí)的闡述。實(shí)驗(yàn)方法和注意事項(xiàng)主要以彩圖的形式對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和實(shí)驗(yàn)器材逐條進(jìn)行解釋，對(duì)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的步驟進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并輔以實(shí)驗(yàn)室老師的實(shí)驗(yàn)演示視頻。每個(gè)欄目的內(nèi)容基本上與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)保持一致，同時(shí)加入許多多媒體元素，幫助學(xué)生更好地理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理，掌握實(shí)驗(yàn)的方法。模擬實(shí)驗(yàn)是該平臺(tái)的重點(diǎn)部分，它采用Flash8.0的開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)Action Script腳本模擬肌肉在不同電刺激下肌肉張力的變化曲線。

1.3 虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā) 在電刺激對(duì)骨骼肌的影響實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，主要模擬的是在不同電流強(qiáng)度的刺激下，肌肉收縮效果。虛擬實(shí)驗(yàn)使用了電刺激骨骼肌產(chǎn)生收縮肌力的數(shù)學(xué)模型[3]，模擬了不同電刺激下對(duì)肌肉收縮的影響。

Flash強(qiáng)大的動(dòng)畫(huà)與向量畫(huà)效果彌補(bǔ)了一般動(dòng)畫(huà)與HTML指令的不足，再輔以Action script便可以實(shí)現(xiàn)一流的人機(jī)交互功能。由此，我們選擇了Flash 8.0作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，再運(yùn)用Flash高級(jí)Action技術(shù)[4]，對(duì)上述模型進(jìn)行應(yīng)用。整個(gè)軟件的實(shí)現(xiàn)效果見(jiàn)圖3。

肌肉的張力曲線繪制代碼如下：

點(diǎn)擊單刺激按鈕，啟動(dòng)仿真，肌肉會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電擊的抖動(dòng)效果，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)當(dāng)前設(shè)置好的肌肉長(zhǎng)度和電壓值，在示波器上面模擬出力學(xué)曲線，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

在單刺激下，刺激間隔時(shí)間大于肌肉收縮時(shí)程，示波器上將出現(xiàn)肌肉的單收縮張力曲線。在多刺激下，肌肉力量將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)連續(xù)周期性的波形效果，而根據(jù)頻率的不同，將出現(xiàn)肌肉不完全強(qiáng)直收縮和完全強(qiáng)直收縮的張力曲線。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，學(xué)生通過(guò)閱讀前面的相關(guān)資料，在具備了一定的實(shí)驗(yàn)背景知識(shí)后，即可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，擺脫了對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和相關(guān)材料的依賴。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的練習(xí)，學(xué)生能夠掌握機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法、原理和結(jié)果，達(dá)到取得實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作容易失敗而難以實(shí)現(xiàn)的效果，培養(yǎng)動(dòng)手能力，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技能，深化基礎(chǔ)知識(shí)的目的，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)機(jī)能實(shí)驗(yàn)的興趣。與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)設(shè)備檢查維護(hù)和準(zhǔn)備時(shí)間，減少對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的依賴，提高實(shí)驗(yàn)效率，讓學(xué)生有更多的時(shí)間花在實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證與探索上面[5]。虛擬實(shí)驗(yàn)不受環(huán)境溫度、動(dòng)物狀態(tài)和人為等因素的影響，給教學(xué)帶來(lái)了新的生機(jī)與活力。但由于仿真和實(shí)踐或多或少存在偏離，目前這種2D的模擬形式從交互上只能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)上的調(diào)整，在對(duì)模擬動(dòng)手操作能力顯得不足，所以今后還可以考慮使用VTK等開(kāi)發(fā)包制作更為逼真的3D模型。學(xué)生可以在上面虛擬的組裝試驗(yàn)臺(tái)，制作標(biāo)本，做相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)高度仿真實(shí)際操作來(lái)提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的熟練程度和實(shí)驗(yàn)的成功率。

[1] 李燕平.對(duì)當(dāng)前醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J]. 臨床和實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志,2008,7(6):188-189.

[2] 龔永生 ,陳醒言.醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2001: 87-92.

[3] 尚禹,白凈.電刺激骨骼肌產(chǎn)生收縮肌力的數(shù)學(xué)模型[J]. 國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程雜志,2007,30(2):77-80.

[4] 黎良.利用Flash動(dòng)作腳本制作函數(shù)演示課件[J]. 中國(guó)教育技術(shù)裝備,2006(6):34-37.

[5] 嚴(yán)頌莊. 虛擬儀器和仿真實(shí)驗(yàn)--現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新成員[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2002,24(3):33-36.

[6] 王莎莉,田慶宜.生理學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M課件的開(kāi)發(fā) [J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2003,22(4):23-24.

TP37

B

1000-2138(2011)02-0168-02

2010-09-08

溫州醫(yī)學(xué)院教學(xué)改革基金資助項(xiàng)目（WYJG0735）。

謝忠好(1983-)，男，浙江溫州人，助理實(shí)驗(yàn)師。

胡良岡，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，Email：hu_lg@189.cn。

吳健敏）

·綜 述·