虛擬實(shí)驗(yàn)在功能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

嚴(yán)鈺鋒,張惠琴,王見之,王 浩,馬淑蘭,潘鑾鳳,殷蓮華

(復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,上海 200032)

一、虛擬實(shí)驗(yàn)簡介

虛擬實(shí)驗(yàn)是指通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),數(shù)字建模技術(shù)和多媒體技術(shù)等,在計(jì)算機(jī)上營造的模擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境[1],它可以通過多媒體計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)屏幕上創(chuàng)造出模擬的實(shí)驗(yàn)儀器性能,實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境,從而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果。

1989年,美國弗吉尼亞大學(xué)(University of Virginia)的威廉·沃爾夫(William wolf)教授首先提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室(virtual laboratory)的概念,并在隨后的工作中描述了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,希望用戶能夠利用這種虛擬實(shí)驗(yàn)室,構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺(tái)[2]。之后,國外很多機(jī)構(gòu)都對虛擬實(shí)驗(yàn)的研究和開發(fā)工作不斷探索,很多大學(xué)都組建了相關(guān)學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)室,設(shè)計(jì)的學(xué)科涉及化工化學(xué),物理,計(jì)算機(jī)等多個(gè)方面。我國從上世紀(jì)90年代開始關(guān)注虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展,在2000年以后,國內(nèi)高校在遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域探索性的增設(shè)了一些有限的虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展得到了各個(gè)層面的重視,科技部和教育部曾經(jīng)聯(lián)合要求高校建立網(wǎng)上合作研究中心采用先進(jìn)的科技手段建立虛擬實(shí)驗(yàn)室。我國下一代互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的重大研究計(jì)劃也包括了虛擬實(shí)驗(yàn)室,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和系統(tǒng)仿真等相關(guān)內(nèi)容?？梢哉f,虛擬實(shí)驗(yàn)的推廣和發(fā)展,是我國高等教育改革尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容和必然趨勢[3]。

二、發(fā)展虛擬實(shí)驗(yàn)的必要性

醫(yī)學(xué)是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科,自它誕生以來,大量的知識(shí)都是通過臨床和實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間不斷探索積累而逐漸形成的。醫(yī)學(xué)的發(fā)展史和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展史是同步的。因此,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等醫(yī)學(xué)教育的重要組成部分,實(shí)驗(yàn)教學(xué)可使醫(yī)學(xué)生加深對相關(guān)理論的理解,提高其對所學(xué)知識(shí)綜合運(yùn)用之能力,做到理論聯(lián)系實(shí)際;同時(shí),實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作、觀察思考、分析解決問題的能力,更能培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)研究的興趣,訓(xùn)練其科學(xué)思維,激發(fā)想像力和創(chuàng)新能力。實(shí)踐表明,從?？?、本科、碩士到博士不同層次的醫(yī)學(xué)學(xué)歷教育中,層次越高,實(shí)驗(yàn)所占的比例越大,研究生完成學(xué)位論文的過程實(shí)際上就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程。因此,若要培養(yǎng)高素質(zhì)的醫(yī)學(xué)生,必須加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容一般認(rèn)為可以分為三個(gè)層次,驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)教育階段,幾乎每門理論課程都設(shè)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課。實(shí)驗(yàn)課程作為理論課的附屬課程,主要進(jìn)行的是基礎(chǔ)性驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),教學(xué)模式為理論課后安排相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,目的是為了驗(yàn)證理論課學(xué)到的知識(shí),使學(xué)生對理論知識(shí)有一定的感性認(rèn)識(shí)。但是,實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)層面已經(jīng)不能符合培養(yǎng)高素質(zhì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)人才的需要。在20世紀(jì)末,國內(nèi)很多醫(yī)學(xué)院校,將生理學(xué),藥理學(xué)和病理生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容整合成為功能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程并建立了相應(yīng)的功能學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。這種課程的整合,在一定程度上將實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式上升到了綜合性整合性實(shí)驗(yàn)的層次。同時(shí),很多醫(yī)學(xué)院校開設(shè)了自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程,以此培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的創(chuàng)新能力和基本的科研素養(yǎng)。因此隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展,功能學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容大大的增加了。然而,在功能實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容增加的同時(shí),由于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本的提高,醫(yī)學(xué)院校招生規(guī)模的增加,實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)的限制,其他學(xué)科發(fā)展導(dǎo)致的醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)增加等諸多因素,絕大多數(shù)醫(yī)學(xué)院校能夠投入到功能學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的人力物力財(cái)力和課時(shí)數(shù)都相對不足。另一方面,隨著醫(yī)學(xué)新技術(shù)的發(fā)展,功能學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容也在不斷更新,一些難度較大,對操作技能和儀器設(shè)備要求較高的內(nèi)容比如心肌動(dòng)作電位記錄,膜片鉗,腦片,動(dòng)物行為學(xué)分析等,本科教育階段也應(yīng)該讓醫(yī)學(xué)生有更多蹬了解,而這些實(shí)驗(yàn)很難通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式讓學(xué)生實(shí)際操作。因此,將虛擬實(shí)驗(yàn)引入功能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),替代一部分相對簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn),就能夠解決教學(xué)資源匱乏的問題。同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)可以增加實(shí)際操作無法完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,讓學(xué)生對這些所需投入大,技術(shù)難度高的實(shí)驗(yàn)技術(shù)更好的理解和掌握。

三、發(fā)展虛擬實(shí)驗(yàn)的可行性

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)功能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)所需的技術(shù)支持已經(jīng)非常充分。虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué),人機(jī)交互技術(shù),傳感技術(shù),人工智能等領(lǐng)域的成果,用計(jì)算機(jī)生成三維逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,可以通過鼠標(biāo),鍵盤,傳感頭盔,眼睛手套等適當(dāng)?shù)难b置,很好的和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)交互式互動(dòng)[4]。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)具備多感知性,浸沒感,交互性等基本特征,這一技術(shù)的成熟,使得虛擬實(shí)驗(yàn)成為可能。隨著3Dmax,AutoCAD,flash等多媒體軟件的應(yīng)用的普及,很多計(jì)算機(jī)軟件公司都具備了開發(fā)制作虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的能力,數(shù)字化動(dòng)物模型,透明動(dòng)物模型,三維動(dòng)物器官,外科手術(shù)仿真等技術(shù)已經(jīng)廣泛被開發(fā)和應(yīng)用。

硬件方面,計(jì)算機(jī)性能的提高和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的進(jìn)步使得虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛞詥螜C(jī),局域網(wǎng)和英特網(wǎng)等不同規(guī)模得以實(shí)現(xiàn)。一般醫(yī)學(xué)院校的功能學(xué)實(shí)驗(yàn)室都配備有大量的計(jì)算機(jī),這些硬件資源可以用于單機(jī)版和局域網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)。而學(xué)生個(gè)人電腦的擁有率也已經(jīng)很高,加上高校的圖書館計(jì)算機(jī)房等公共設(shè)施,學(xué)生使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)非常方便。這為基于網(wǎng)絡(luò)(校園網(wǎng)和英特網(wǎng))的虛擬實(shí)驗(yàn)提供了方便。這就消除了時(shí)間和空間的限制,讓學(xué)生在不受限定的時(shí)間和地點(diǎn),都能夠進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的開發(fā)和制作

國內(nèi)已有一些高校和公司研發(fā)了功能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件,但經(jīng)學(xué)生使用后普遍認(rèn)為存在圖像不夠真實(shí),交互性不強(qiáng),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對簡單等不足。

因此,復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院合作,聯(lián)合開發(fā)了全新的功能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件。在兩校長期積累的功能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提供素材和設(shè)計(jì)思路,由上海夢之路數(shù)字科技有限公司具體制作,采用多種多媒體技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)。多媒體素材制作軟件包括:圖像圖形處理:Photoshop、CorelDraw,freehand;動(dòng)畫制作:3Dmax、maya、flash;聲音處理:ulead media studio、sound forge、cool edit、wave edit;視頻處理:ulead media studio、adobe premiere 等。 多媒體程序語言包括:flash actionscript、director Shockwave等。

目前已經(jīng)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括:常用動(dòng)物介紹,常用儀器介紹,家兔手術(shù)的基本操作、蟾蜍手術(shù)的基本操作兩個(gè)基礎(chǔ)性操作訓(xùn)練和離體心臟灌流、坐骨神經(jīng)縫匠肌實(shí)驗(yàn)、影響尿生成的實(shí)驗(yàn)、多因素對呼吸系統(tǒng)功能的影響、行為藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)、腸道平滑肌受體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、微循環(huán)灌流與血液動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)共七個(gè)綜合性虛擬實(shí)驗(yàn)。正在開發(fā)制作的有:神經(jīng)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)、心血管系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)等。每個(gè)綜合性虛擬實(shí)驗(yàn)中又包含有多個(gè)子實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,均含有真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的視頻錄像,虛擬實(shí)驗(yàn)操作,知識(shí)點(diǎn),測試題庫,思考題等內(nèi)容。

客戶、服務(wù)器結(jié)構(gòu)(C/S結(jié)構(gòu))網(wǎng)絡(luò)模式是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本模式之一。虛擬實(shí)驗(yàn)室采用ASP、javaScript、ActiveX、SQL server等工具軟件構(gòu)建了后臺(tái)處理系統(tǒng),并在C/S模式下運(yùn)行。服務(wù)器操作系統(tǒng)采用windows server 2003,采用javaScript腳本語言編寫主服務(wù)器程序,達(dá)到了遠(yuǎn)程訪問虛擬實(shí)驗(yàn)的目的,實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)功能的拓展。

操作平臺(tái)分為學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái),教師實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)和管理員平臺(tái)三個(gè)層面。通過不同的平臺(tái),學(xué)生能夠通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作,獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果,填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告,完成試題測試,并能夠通過在線答疑平臺(tái)獲得老師的指導(dǎo)。教師能夠?qū)W(xué)生進(jìn)行分組管理,布置教學(xué)內(nèi)容,檢查完成進(jìn)度,批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告,回答學(xué)生提問等,完成對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理工作。管理員則可以進(jìn)行對學(xué)生的身份、信息歸納整理,設(shè)置不同教師和學(xué)生的權(quán)限,課程管理,統(tǒng)計(jì)審計(jì)和軟件維護(hù)等工作。

五、虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的應(yīng)用

目前復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院已經(jīng)建立了功能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室,并已經(jīng)將功能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)用于本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安排中,專門安排了一次5個(gè)學(xué)時(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)課程,有教師專門輔導(dǎo),另外在課余時(shí)間,學(xué)生可以隨時(shí)通過局域網(wǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過一個(gè)學(xué)期的使用,每個(gè)學(xué)生都對虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式有了體驗(yàn)。

為了解應(yīng)用的效果和學(xué)生的反饋意見,我們以問卷的方式對學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查。下發(fā)問卷260份,收回有效問卷248份。調(diào)查涉及了2008級和2009級兩個(gè)年級,涵蓋專業(yè)包括臨床醫(yī)學(xué)5年制,臨床醫(yī)學(xué) 8年制,基礎(chǔ)醫(yī)學(xué),預(yù)防醫(yī)學(xué),法醫(yī)學(xué)。

問卷調(diào)查的結(jié)果顯示:65.5%的學(xué)生表示能夠非常熟練的應(yīng)用計(jì)算機(jī),33.5%能夠一般熟練使用,僅有不到1%的學(xué)生表示不太熟練。在現(xiàn)在的學(xué)習(xí)和生活場所中,除了2位學(xué)生,其他學(xué)生都表示能夠方便的使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)。所有接受調(diào)查的學(xué)生都表示能夠接受虛擬實(shí)驗(yàn)這樣的新型教學(xué)方式并希望能夠繼續(xù)使用。

對于專門設(shè)置一次虛擬實(shí)驗(yàn)課,僅16.3%的學(xué)生認(rèn)為有必要,理由是可以有老師隨時(shí)解答疑問,能夠提高學(xué)習(xí)效率,另外83.7的學(xué)生表示能夠獨(dú)立的完成虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,只需要通過答疑平臺(tái)就能夠解決實(shí)驗(yàn)過程中遇到的困難。對此,我們在以后的教學(xué)中,將取消這5個(gè)學(xué)時(shí)的專門課程安排,需要得到專門指導(dǎo)的學(xué)生可以在其他時(shí)間單獨(dú)找老師咨詢。

目前我校的虛擬實(shí)驗(yàn)只是作為探索性的使用,不計(jì)成績。問卷調(diào)查中顯示,50%的學(xué)生愿意利用課余時(shí)間主動(dòng)反復(fù)的進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí),因?yàn)樗麄冇X得虛擬實(shí)驗(yàn)室對理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)都很有幫助。另外40%的學(xué)生則表示雖然對虛擬實(shí)驗(yàn)很感興趣,但是不能保證有足夠的動(dòng)力主動(dòng)去完成虛擬實(shí)驗(yàn),只愿意偶爾看看。還有10%的學(xué)生認(rèn)為如果沒有要求,可能會(huì)忽略這部分的學(xué)習(xí)。因此,我們將在以后更好的利用虛擬實(shí)驗(yàn)室中作業(yè)布置和實(shí)驗(yàn)考試平臺(tái)的功能,對學(xué)生提出一定的要求,并將這部分成績按一定比例計(jì)入功能實(shí)驗(yàn)課程總成績,在制度上保證所有學(xué)生都能夠完成一定數(shù)量虛擬實(shí)驗(yàn)。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院已經(jīng)嘗試將虛擬實(shí)驗(yàn)成績計(jì)入功能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程總成績,占20%,效果很好,我們將借鑒這一經(jīng)驗(yàn)[5]。

在學(xué)習(xí)效果方面,學(xué)生們認(rèn)為自己通過虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí),對功能學(xué)科涉及的生理學(xué),藥理學(xué)和病理生理學(xué)的相關(guān)知識(shí)有了更深的了解(69.5%),對功能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的興趣大大提高(96.3%),更好的掌握了功能學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)方法(87.2%),并認(rèn)為對實(shí)際操作的功能學(xué)實(shí)驗(yàn)課有很好的輔助作用(100%)。

六、結(jié) 語

虛擬實(shí)驗(yàn)在物理,化學(xué),計(jì)算機(jī)等學(xué)科的教學(xué)中已經(jīng)得到了比較成熟的應(yīng)用,在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形態(tài)學(xué)中,也有著廣泛的使用。但是在功能學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,由于活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)性,動(dòng)物解剖結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,影響因素多導(dǎo)致結(jié)果的不確定性等諸多因素,虛擬實(shí)驗(yàn)的研究開發(fā)和應(yīng)用情況仍不太成熟。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展,功能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)有了實(shí)現(xiàn)并發(fā)展成熟的可能。

虛擬實(shí)驗(yàn)在功能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的使用,并不是為了取代動(dòng)物實(shí)驗(yàn),只是將一部分基礎(chǔ)性驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和簡單的綜合性實(shí)驗(yàn),從課堂上搬到網(wǎng)絡(luò)上,將課堂上有限的教學(xué)資源更好的利用到更高層次的綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性試驗(yàn)中去,讓學(xué)生更好的利用課堂寶貴的時(shí)間,更多的培養(yǎng)動(dòng)手操作能力,創(chuàng)新性思維能力,基本的科研素養(yǎng),以此來解決越來越少的實(shí)驗(yàn)課時(shí)和日益增長的培養(yǎng)要求之間的矛盾。另外,對于原來就無法開設(shè)或很難開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和技術(shù)方法,也可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)的方式讓學(xué)生掌握,給傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程擴(kuò)容。這樣,虛擬實(shí)驗(yàn)不但沒有影響功能學(xué)實(shí)驗(yàn)課程,反而能夠起到相輔相成的巨大作用。

虛擬實(shí)驗(yàn)在功能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用,必將成為21世紀(jì)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教育改革的重要內(nèi)容和必然發(fā)展趨勢。

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