醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

諶新興，龔興牡，石慧娟，姚元春，朱耀峰，梁成青（吉首大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖南吉首416000）

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醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

諶新興，龔興牡*，石慧娟，姚元春，朱耀峰，梁成青
（吉首大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖南吉首416000）

摘要：醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮著巨大的作用，使醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)操作簡單化，有助于提高學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)效率。通過虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感、立體感，使學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)的全部操作過程，可加強(qiáng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和對(duì)知識(shí)的理解力，使學(xué)生掌握基本的操作技能和運(yùn)用知識(shí)的能力，克服傳統(tǒng)教學(xué)方式呆板、師生間互動(dòng)不足、趣味性不強(qiáng)的弊端，真正提升醫(yī)學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)價(jià)值。醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可為學(xué)生提供隨時(shí)隨地的實(shí)驗(yàn)服務(wù)，為虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教育的發(fā)展提供廣闊前景。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；資源共享

醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在無實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和無實(shí)驗(yàn)儀器的情況下，利用計(jì)算機(jī)模擬生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的全部操作過程。利用醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感、立體感、多媒體性，在沒有真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件的情況下，使學(xué)生仿佛身臨其境地做實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了很多實(shí)驗(yàn)沒有條件做的不足，加強(qiáng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和對(duì)知識(shí)的理解力，使學(xué)生掌握了基本的操作技能和運(yùn)用知識(shí)的能力。醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感、立體感就如同動(dòng)漫和3D電影一般，學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，模擬實(shí)驗(yàn)的全部操作過程。對(duì)于教師而言，醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠起到輔助教學(xué)的作用，同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)生命的敬畏。對(duì)于學(xué)校而言，可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本，提高教學(xué)質(zhì)量。醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)改變了傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，學(xué)生通過開展網(wǎng)上仿真實(shí)驗(yàn)，就可以獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體驗(yàn)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)教師也可以通過網(wǎng)絡(luò)共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、及時(shí)反饋教學(xué)效果，從而達(dá)到提升醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于圖形、圖像或仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充[1]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)活動(dòng)中的重要環(huán)節(jié)，有利于學(xué)生深刻理解理論知識(shí)、積極發(fā)揮主觀能動(dòng)性、進(jìn)行科學(xué)研究與再創(chuàng)造，是從理論走向?qū)嵺`的橋梁，也是高校教學(xué)中不可或缺的重要組成環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)條件的好壞直接影響到學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。隨著高校擴(kuò)招，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和規(guī)模已不能滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)空間都受到限制。尤其是在醫(yī)學(xué)院校，醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展受實(shí)驗(yàn)動(dòng)物以及試劑等諸多因素影響，且實(shí)驗(yàn)成本較高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及科研的進(jìn)一步深入，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)日漸成熟和完善，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革也迫切地需要虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用能夠早日從理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)[2]。

醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一門集自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬技術(shù)和多媒體技術(shù)等而興起的新興實(shí)驗(yàn)技術(shù)，最早是一些國外的醫(yī)學(xué)院及醫(yī)院的人員使用。近年來，國內(nèi)上海中醫(yī)藥大學(xué)、山東大學(xué)、南方醫(yī)科大學(xué)、中山大學(xué)、天津中醫(yī)藥大學(xué)等已經(jīng)成功入選國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，并且建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有廣闊的應(yīng)用前景，但虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求比較高，在實(shí)際教學(xué)中還未得到廣泛應(yīng)用，有關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式還有很多工作值得教育者去深入探討。

1　研究內(nèi)容

采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立醫(yī)學(xué)顯微形態(tài)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。醫(yī)學(xué)顯微形態(tài)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)，使學(xué)生、教師可在任何地點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的操作學(xué)習(xí)，沒有客戶端數(shù)量的限制，平臺(tái)采用負(fù)載均衡技術(shù)，配合多線機(jī)房云服務(wù)器存儲(chǔ)，使得訪問速度更快。

2　研究目標(biāo)

通過該項(xiàng)目的研究，制作醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)課件，建立醫(yī)學(xué)顯微形態(tài)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及資源庫，促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)。

3　醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1情景設(shè)置

虛擬實(shí)驗(yàn)的情景設(shè)置需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)和多媒體技術(shù)等，從而創(chuàng)造出逼真的情景。只有這樣，才能使學(xué)生產(chǎn)生真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。通過視覺、聽覺等的刺激，使學(xué)生在虛擬情景中掌握知識(shí)，并遷移到真實(shí)的實(shí)踐當(dāng)中，能獨(dú)立解決問題，并真正理解所學(xué)知識(shí)。另外，注重知識(shí)的呈現(xiàn)方式，分析學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)、能力水平，適當(dāng)?shù)匕才乓恍┦÷?、空白或者令人感到奇怪之處，以激發(fā)學(xué)生的興趣。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者是通過用戶界面與之交互作用的。因此，界面的設(shè)計(jì)要方便、美觀、易于操作。

3.2過程模擬

在虛擬實(shí)驗(yàn)過程模擬階段，學(xué)生通過觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)反饋調(diào)整策略、澄清錯(cuò)誤概念，檢驗(yàn)自己的假設(shè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，這有助于提高學(xué)生對(duì)反饋的反應(yīng)能力以及對(duì)因果關(guān)系的敏感性。另外，在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生必須有意識(shí)地運(yùn)用自己的經(jīng)驗(yàn)，并用現(xiàn)有的知識(shí)綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，要注重虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和智能化。真實(shí)性可以豐富學(xué)生在虛擬情景中的體驗(yàn)，智能化主要表現(xiàn)為可在實(shí)驗(yàn)過程中跟蹤學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，并適時(shí)地為其提出指導(dǎo)性建議。

3.3遷移學(xué)習(xí)

在開展虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生應(yīng)該學(xué)會(huì)運(yùn)用遷移理論，其定義就是“在一種情景中獲得的技能、知識(shí)或形成的態(tài)度對(duì)另一種情景中技能、知識(shí)的獲得或態(tài)度形成的影響”。簡言之，遷移學(xué)習(xí)就是一種學(xué)習(xí)對(duì)另一種學(xué)習(xí)的影響。在虛擬實(shí)驗(yàn)情景創(chuàng)設(shè)中，虛擬與真實(shí)學(xué)習(xí)情景的共同要素越多，遷移的程度就越高，反之，則遷移的程度越低；虛擬與真實(shí)學(xué)習(xí)情景的共同因素越多，遷移就越容易發(fā)生。遷移的發(fā)生依賴于學(xué)習(xí)者在虛擬與真實(shí)學(xué)習(xí)情景里對(duì)共同原理的掌握和運(yùn)用程度。例如實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)環(huán)境是根據(jù)真實(shí)環(huán)境模擬開發(fā)的，只有創(chuàng)設(shè)逼真度高、現(xiàn)場感強(qiáng)的虛擬情景，對(duì)學(xué)生來說才能感覺到真實(shí)。

3.4總結(jié)評(píng)價(jià)

分析虛擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程、描述自己的感覺和反應(yīng)，以判斷自己的概念掌握程度以及分析和解決問題能力，意識(shí)到自己存在的問題和不足，并尋求新的解決問題的方法。同時(shí)，把虛擬情景與真實(shí)世界相比較，把虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，即遷移學(xué)習(xí)，將在虛擬情景中掌握的概念和解決問題的方法運(yùn)用于實(shí)際情景中，提高學(xué)生的自信心和靈活性。

3.5修改完善

通過對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握、態(tài)度情感、能力培養(yǎng)方面的分析，進(jìn)一步修改完善虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。分析學(xué)生是否通過虛擬實(shí)驗(yàn)達(dá)到基本的教學(xué)目標(biāo)，如概念原理、實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)及操作的掌握；是否培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣、熱情，提高其積極性和參與度；是否能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的解決能力等。

醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)在無實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和實(shí)驗(yàn)儀器的情況下，利用計(jì)算機(jī)模擬生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的全部操作過程。在虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生可逼真地觀察虛擬實(shí)驗(yàn)場景，真正做到直接、直觀和及時(shí)了解某些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的基本操作過程，熟悉實(shí)驗(yàn)步驟，厘清實(shí)驗(yàn)思路，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式呆板、師生間互動(dòng)不足、趣味性不強(qiáng)的不足，被越來越多地應(yīng)用于高校教學(xué)中，逐漸成為一種新型的互動(dòng)體驗(yàn)式教學(xué)模式。作為一種有力的教學(xué)補(bǔ)充手段，虛擬實(shí)驗(yàn)為成功實(shí)施真實(shí)的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。對(duì)學(xué)生而言，可以很好地完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；對(duì)于教師而言，能夠起到輔助教學(xué)的作用；對(duì)于學(xué)校而言，可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本，提高醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

4　醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)越性

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠大大節(jié)省常規(guī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)；由于硬件和軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，用戶往往只需經(jīng)歷一次組建工作。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可使參與實(shí)驗(yàn)的人員在遠(yuǎn)程相互合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

5　研究意義及補(bǔ)充

5.1加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)概念、原理的理解

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)把教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教師指導(dǎo)和學(xué)生操作等有機(jī)地融為一體。借助仿真技術(shù)，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)直觀地展示了儀器的三維全貌，并附加形象生動(dòng)、圖文并茂的使用說明書，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)儀器的了解，有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)從整體到局部建立起直觀的感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)概念、原理的理解。

5.2培養(yǎng)學(xué)生解決問題的方法和能力

虛擬實(shí)驗(yàn)省略真實(shí)實(shí)驗(yàn)中因儀器本身干擾或人為因素所造成的繁瑣操作細(xì)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生將注意力集中在實(shí)驗(yàn)上，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的方法和能力，能有效地避免在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的盲目操作和實(shí)驗(yàn)走過場的現(xiàn)象，提高實(shí)驗(yàn)效率。

5.3加強(qiáng)師生、生生互動(dòng)合作學(xué)習(xí)

虛擬情景中學(xué)生之間的協(xié)作互動(dòng)環(huán)境是較理想、較活躍的，因?yàn)樵趨f(xié)作過程中，他們就某一項(xiàng)具體的任務(wù)進(jìn)行交流并分享各自的觀點(diǎn)，以使工作順利進(jìn)行。同時(shí)，以E－mail和BBS論壇等形式在學(xué)生與輔導(dǎo)教師之間建立起清晰、高效的對(duì)話渠道，加強(qiáng)師生間的溝通交流。

5.4教學(xué)方式靈活

基于因特網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不同于傳統(tǒng)面對(duì)面的教學(xué)模式，它能夠靈活地提供給用戶（學(xué)生）不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，用戶（學(xué)生）可以根據(jù)實(shí)際情況確定學(xué)習(xí)內(nèi)容和安排學(xué)習(xí)進(jìn)程，從而可以最大限度地滿足用戶（學(xué)生）的不同需要。它突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式時(shí)間、地點(diǎn)、人次的限制，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)長期受到課堂、課時(shí)限制這一問題，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間、空間上得到延伸。

5.5虛擬實(shí)驗(yàn)適合于發(fā)展網(wǎng)上遠(yuǎn)程教育

由于客觀條件的限制，能夠進(jìn)入高等院校接受教育的人畢竟有限，網(wǎng)上的遠(yuǎn)程教育可以滿足人們渴望獲得知識(shí)的要求，虛擬實(shí)驗(yàn)為遠(yuǎn)程教育的發(fā)展提供了廣闊前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭丹．網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與探討[J]．高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2008（3）：16－18．

[2]張曉萌．普通高等醫(yī)學(xué)院校網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式的研究與探討[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2012．

（*通訊作者：龔興牡）

基金項(xiàng)目：湖南省普通高校實(shí)踐教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目（湘教通[2014]272號(hào)）

中圖分類號(hào)：G40－057

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671－1246（2016）02－0045－02