基于虛實結(jié)合的基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺構(gòu)建與應用

章喜明， 李錦新， 朱曉琴， 戴建威， 宣愛國， 馬長玲， 周麗芬， 魏悅姿

(廣州醫(yī)科大學 基礎醫(yī)學院 基礎醫(yī)學實驗教學中心，廣州 511436)

0 引 言

國家教育信息化“十三五”規(guī)劃的建設目標是基本建成“人人皆學、處處能學、時時可學”的教育信息化體系，依托信息技術營造信息化教學環(huán)境，促進教學理念、教學內(nèi)容和教學模式改革，推進信息技術在日常教學中的廣泛應用，著力提升學生的綜合能力和素質(zhì)?？梢姡t(yī)學院校應順應“十三五”規(guī)劃的目標和要求，更新教育教學理念，大力推進信息化教學，特別是探索現(xiàn)代信息技術與醫(yī)學教育內(nèi)容的深度融合，打造匯聚一批優(yōu)質(zhì)教學資源的網(wǎng)絡化教學平臺，并依托平臺構(gòu)建線上與線下相結(jié)合的教學模式，致力于學生自主學習與創(chuàng)新實踐能力、信息素養(yǎng)的培養(yǎng)[1-2]。

醫(yī)學實驗教學是培養(yǎng)醫(yī)學生自主學習、創(chuàng)新實踐能力的重要途徑，但在教學實施過程中由于受制于實驗特殊條件、教學成本和教學資源等因素，有些實體實驗開展不了，不利于學生的能力培養(yǎng)[3-6]。而構(gòu)建開放共享的虛擬仿真實驗教學平臺，線上與線下教學相結(jié)合，可有效解決這些不足，如解決珍稀標本和病種來源以及高危險性、高耗材、實驗周期長等問題[7-9]?；A醫(yī)學實驗教學中心從2006年起，與知名公司聯(lián)合研發(fā)原創(chuàng)性的虛擬仿真實驗軟件，在此基礎上逐步構(gòu)建了基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺，并作為傳統(tǒng)實驗的輔助教學與自主學習平臺。自2013年起，在實體實驗的基礎上,依托該平臺創(chuàng)新實驗教學模式，在臨床醫(yī)學1～2年級本科生探討虛實結(jié)合實驗教學模式，線上與線下教學有機結(jié)合，既拓展學習時空、提高學習興趣[10-11]，也強化了自主學習、創(chuàng)新實踐能力和臨床思維能力的培養(yǎng)，有利于提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學效果。

1 基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺的構(gòu)建

1.1 基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺的構(gòu)建

該教學平臺包括機能學、形態(tài)學、病原生物與免疫學、細胞與分子醫(yī)學、虛擬生命博物館5個虛擬仿真實驗教學模塊。

(1) 機能學虛擬仿真實驗模塊。該模塊包括虛擬機能實驗操作系統(tǒng)、VBL-100醫(yī)學機能虛擬實驗室、虛擬標準化病人PBL教學系統(tǒng)以及自主研制的原創(chuàng)性虛擬仿真實驗軟件，虛擬仿真實驗項目共100多項，其中自主研發(fā)的項目30多項，包括原創(chuàng)性的特色虛擬仿真實驗項目18項，如“溺水后人體生理病理變化與搶救方法”“辛伐他汀對抗H2O2所致的動脈內(nèi)皮急性損傷”“高端綜合模擬人教學系統(tǒng)”等虛擬軟件。這些教學軟件的使用,可讓學生早期接觸臨床情景,有利于啟迪學生開展設計性實驗。

(2) 形態(tài)學虛擬仿真實驗模塊。該模塊包括數(shù)字人解剖系統(tǒng)、全息三維解剖虛擬實驗教學系統(tǒng)、形態(tài)學數(shù)字切片系統(tǒng)以及自主研制的原創(chuàng)性虛擬仿真實驗軟件。其中“形態(tài)學數(shù)字切片系統(tǒng)”可在虛擬環(huán)境下，模擬顯微鏡的操作和觀察，完成虛擬切片的教學過程，在倍率轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)測量、地圖漫游和知識點標注等方面突破了顯微鏡本身的功能限制，學生可按章節(jié)系統(tǒng)對正常與病理組織結(jié)構(gòu)進行比較，并可實現(xiàn)正常與病理組織切片的自測與考試。

(3) 病原生物與免疫學虛擬仿真實驗模塊。該模塊包括醫(yī)學微生物學、免疫學、寄生蟲學3個子模塊，共有虛擬實驗項目近30項，其中，包括與附屬醫(yī)院聯(lián)合研發(fā)的“高致病性病原體患者采樣及檢測”“華支睪吸蟲病的檢測與防治”“血吸蟲感染誘導的免疫細胞反應”等虛擬實驗項目。通過該模塊的教學，可避免學生因使用高致病性病原體所帶來生物安全的危害、縮短病原體培養(yǎng)時間以及拓展低成功率、高成本的病原體感染動物模型綜合性實驗項目。

(4) 細胞與分子醫(yī)學虛擬仿真實驗模塊。該模塊包括虛擬基本技能訓練、綜合實驗、創(chuàng)新實驗3個子模塊，共有30多個虛擬實驗項目，包括自主研發(fā)的虛擬實驗項目，如“肝癌的檢測方法與防治”“PM2.5對血管內(nèi)皮細胞損傷”“染色體制備與分析診斷”等虛擬實驗軟件。利用3D游戲引擎、處理因素數(shù)據(jù)庫、體感交互技術等手段虛擬實驗過程及模擬結(jié)果，可模擬細胞培養(yǎng)、外源基因細胞轉(zhuǎn)染及定量分析基因分型等實驗，可調(diào)用虛擬化的儀器設備、實驗用品開展自主設計實驗。該模塊解決了分子醫(yī)學實驗所涉及的高成本、高消耗和實驗周期長等問題。

(5) 虛擬生命博物館。目前已建成“醫(yī)學形態(tài)學數(shù)字化標本館”，力爭實現(xiàn)網(wǎng)絡化、低成本、寬輻射的科普教育目標。數(shù)字化標本館界面分為目錄區(qū)、標注列表區(qū)、功能區(qū)、中央展示區(qū)和縮略圖區(qū)域，現(xiàn)建有2 000多張數(shù)字化的正常人體標本、各期正常與異常胚胎標本、大體病理標本及致病性寄生蟲標本。該模塊既可作為傳統(tǒng)實驗教學的拓展項目，也可兼顧科普教育之功用。

1.2 基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺的特點

(1) 基礎醫(yī)學實驗教學與虛擬實驗教學體系互補。中心圍繞“夯實基礎、強化能力、突出創(chuàng)新”的教學理念，本著虛實結(jié)合的原則，以能力培養(yǎng)為核心，以“建設優(yōu)質(zhì)共享實驗教學資源、研發(fā)特色虛擬仿真實驗軟件、創(chuàng)新教學內(nèi)容和教學模式”為目標，探索基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學體系與教學模式改革。構(gòu)建了5個模塊的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，自主研發(fā)或合作開發(fā)了虛擬實驗項目近300項，涵蓋了基礎醫(yī)學所有實驗教學內(nèi)容，形成了與實驗課程對應、功能互補、內(nèi)容拓展的基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學體系。

(2) 自主研發(fā)特色虛擬仿真實驗項目。自主研發(fā)20多款原創(chuàng)性的虛擬仿真實驗項目，包括科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學項目、基礎與臨床結(jié)合項目、高端科研設備的虛擬化項目等虛擬仿真實驗軟件，這些軟件在實驗教學中應用情況良好。①科研成果轉(zhuǎn)化為原創(chuàng)性的虛擬實驗項目?？蒲谐晒D(zhuǎn)化為原創(chuàng)性的虛擬實驗項目并應用于教學，既拓展學生視野,也培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新性思維能力。目前，已研制成原創(chuàng)性的虛擬實驗軟件6項，如將教育部獲獎成果—“辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及機制”轉(zhuǎn)化為“辛伐他汀對抗H2O2所致的動脈內(nèi)皮急性損傷”虛擬實驗項目，啟發(fā)學生進行機能學設計性實驗；衛(wèi)生部獲獎成果-AFP酶標對流電泳測定法轉(zhuǎn)化為“肝癌的檢測方法與防治”虛擬實驗軟件，解決了實體實驗中特殊試劑配置難的問題，也利于開展肝癌防治的科普工作。②研發(fā)基礎與臨床結(jié)合的特色虛擬實驗項目。中心與附屬醫(yī)院聯(lián)合研發(fā)基礎與臨床結(jié)合的虛擬實驗項目5項，如開發(fā)“椎間盤的解剖與臨床”“溺水后人體生理病理變化與急救”“高致病性病原體患者采樣及檢測”“華支睪吸蟲病的檢測與防治”等虛擬實驗軟件，作為拓展性特色項目應用于實驗教學。如以椎間盤為中心，圍繞其解剖學基礎和臨床應用的核心知識進行整合，研發(fā)“椎間盤的解剖與臨床”的虛擬實驗軟件，通過三維大體標本、影像學圖片、動畫、視頻及人機交互等模塊，逐層遞進式幫助學生梳理知識點，引導學生更好地理解和掌握椎間盤的相關知識，也讓學生了解基礎學科相關知識在臨床上的應用，培養(yǎng)運用多學科知識解決實際問題的臨床思維能力。

(3) 醫(yī)學教育與科普教育并用。線上與線下科普教育有機結(jié)合,虛擬生命博物館既作為實體實驗的拓展內(nèi)容，也兼顧科普教育之功用。該模塊為廣州地區(qū)大專院校、中小學及社會人士提供了一個在線了解人體結(jié)構(gòu)、胚胎發(fā)育、寄生蟲病以及正常與異常器官變化的科普教育平臺。目前受眾已達5萬多人次，受益人群將逐年遞增。

2 虛實結(jié)合的實驗教學模式

虛實結(jié)合的實驗教學模式是當前實驗教學模式改革的方向之一[12-13]。為充分發(fā)揮傳統(tǒng)實驗與虛擬仿真實驗教學各自的優(yōu)勢,探索線上與線下相結(jié)合的新型實驗教學模式，中心在臨床醫(yī)學1～2年級本科生試行“虛實結(jié)合”實驗教學模式改革，包括虛擬實驗與實操、模擬實驗與實操相結(jié)合，線上與線下教學有機結(jié)合，取得了良好的教學效果[14-15]。

2.1 虛擬實驗與實操相結(jié)合

自2013年起，中心在機能實驗學、形態(tài)實驗學等模塊的實驗教學中，嘗試開展虛擬實驗與實操相結(jié)合的教學模式，即在實體實驗的基礎上，將平臺網(wǎng)站的優(yōu)質(zhì)虛擬實驗資源有效應用于各實驗課程的課前預習、課中教學、課后鞏固提高，線上與線下實驗教學有機結(jié)合。在教學實踐中，研究團隊發(fā)現(xiàn)該模式有如下優(yōu)勢：①方便學生在網(wǎng)絡自主開展課前實驗預做、課后鞏固提高。學生通過操作相關虛擬實驗，預習實驗內(nèi)容及操作流程，為實體實驗操作做好充分的準備，而對于實驗過程中沒有完全掌握的操作，可通過課后開展虛擬實驗項目來鞏固提高；②加深學生對實驗原理和難點內(nèi)容的深入理解,如機能實驗學綜合實驗，有些實體實驗看不到的結(jié)構(gòu)和給藥途徑，通過相應的虛擬實驗作為有效的補充，加深學生對這些難點內(nèi)容的理解；③開展比對學習、提高學習效果，如"數(shù)字人解剖系統(tǒng)"直觀顯示人體3D立體結(jié)構(gòu)，既可進行多維的解剖斷層學習，也可與真實的斷層標本進行比對學習，通過“虛實結(jié)合”來提高學習效果；④對于一些有必要開展但因條件限制暫時開展不了的實體實驗，可通過拓展性的虛擬仿真實驗項目來補充，如“溺水后人體生理病理變化及搶救方法”“華支睪吸蟲病的檢測與防治”等虛擬實驗。

2.2 模擬實驗與實操相結(jié)合

從2006年開始，中心率先將高端綜合模擬人系統(tǒng)應用于臨床醫(yī)學等本科生的機能實驗教學中，自主研發(fā)了15個虛擬仿真實驗項目，如心臟因素對血壓的影響—甲亢并發(fā)高血壓、綜合因素對肺通氣和肺換氣的影響—II型呼吸衰竭和失血性休克等。以高端綜合模擬人(ECS)為載體，按照“臨床病例-計算機編程語言-ECS演示其體征-動物實驗”方式開展模擬與實操相結(jié)合的教學，讓學生早期接受臨床思維訓練。通過ECS演示臨床病例，學生從病情的演變過程獲取相關信息，然后教師引導學生獨立思考如何應用相關基礎知識解釋臨床現(xiàn)象以及疾病的發(fā)生機制。在教學實踐中，研究團隊發(fā)現(xiàn)該模式有如下優(yōu)勢：①補充了動物機能學所不能觀察到的部分病理生理變化現(xiàn)象，也拓展了在動物和人體不能實現(xiàn)的實驗；②實現(xiàn)了基礎與臨床的深度融合，有利于學生早期接觸臨床情景和培養(yǎng)臨床思維能力。在學校2007年接受教育部組織的本科教學水平評估的專家現(xiàn)場考察中，該模式受到了評估專家的高度肯定。

3 建設成效與實施效果

3.1 教學平臺建設成效與應用效果

(1) 建成一個開放共享的虛擬仿真實驗教學平臺?；A醫(yī)學虛擬仿真實驗教學中心于2015年被評為國家級虛擬仿真實驗教學中心。中心通過自主研發(fā)及與企業(yè)的合作研發(fā)，目前已建有虛擬實驗項目近300項，充分滿足了同學們的自主學習和能力培養(yǎng)的需要。建成的教學平臺網(wǎng)站開放共享，既對校內(nèi)全部本科專業(yè)學生開放，也對我校附屬醫(yī)院以及廣東省12所聯(lián)盟高校開放共享。師生可隨時登陸校內(nèi)外網(wǎng)絡終端訪問學習，目前登陸訪問人數(shù)已達10萬多人次，廣大師生獲益良多。

(2) 構(gòu)建了一個開展自主學習的平臺。與知名公司合作對原來的平臺網(wǎng)站進行升級改造，優(yōu)化各教學模塊及平臺管理功能，新增在線作業(yè)與考試、學習進度與學習情況統(tǒng)計、在線互動交流等功能。升級改造后的學習平臺，通過問答環(huán)節(jié)、題目自測、學習進度與學習情況統(tǒng)計等，既能開展形成性評價，也可以綜合考評學生在線開展虛擬實驗情況及學習成績。平臺網(wǎng)站對本科生開放共享，打破了時空限制，學生可隨時聯(lián)網(wǎng)自學、討論并進行虛擬實驗，實現(xiàn)了線上自主學習。

(3) 自主研發(fā)一批有特色的虛擬仿真實驗教學軟件。中心自主研發(fā)55項虛擬實驗教學項目，其中有自身特色的原創(chuàng)性虛擬實驗項目28項，包括科研成果轉(zhuǎn)化實驗項目6項、基礎與臨床結(jié)合項目4項、高端科研設備虛擬化項目3項，基于高級智能綜合模擬人的虛擬仿真實驗項目15項。這些自研的特色虛擬仿真實驗項目應用于教學，既開闊了視野，拓展實驗教學內(nèi)容，也提升了自主學習、創(chuàng)新實踐能力和臨床思維能力，取得了良好的教學效果。

(4) 實現(xiàn)原創(chuàng)性的虛擬實驗教學軟件轉(zhuǎn)化。為發(fā)揮優(yōu)質(zhì)教學資源開放共享與示范引領作用，中心還將自主研發(fā)的原創(chuàng)性虛擬仿真實驗軟件通過合作公司轉(zhuǎn)化到山西醫(yī)科大學、鄭州大學基礎醫(yī)學院、長江大學醫(yī)學院、廣州中醫(yī)藥大學、山東中醫(yī)藥大學等20所大學使用，目前已有15個原創(chuàng)性虛擬仿真軟件被上述高校購買并使用，產(chǎn)生了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

3.2 虛實結(jié)合實驗教學模式的實施成效

在實體實驗的基礎上，依托教學平臺在臨床醫(yī)學1～2年級本科生試行虛實結(jié)合實驗教學模式改革，經(jīng)過5年多的教學實踐，取得了良好的教學效果。該模式既提高了學生的學習興趣，也有效提升了學生的自主學習、創(chuàng)新實踐能力和創(chuàng)新性思維能力的培養(yǎng)，人才培養(yǎng)質(zhì)量逐年提升:近5年來，學生獲得各類課外科研項目351項；開發(fā)創(chuàng)新性實驗項目500多項；公開發(fā)表論文116篇；獲國家專利7項；獲“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生臨床技能大賽等學科大賽獎項100多項。此外，在學校2016年接受教育部臨床醫(yī)學專業(yè)認證的專家現(xiàn)場考察中，該教學模式受到了評估專家的肯定與贊揚。

在試行該模式的學生評價反饋中，大多數(shù)學生認為該模式提高了學習興趣、實驗成功率以及開闊視野,也有利于培養(yǎng)自主學習能力、創(chuàng)新實踐能力和臨床思維能力。同時，學生認為通過虛擬仿真實驗，可加深對實驗原理、關鍵環(huán)節(jié)以及一些實體實驗看不到的結(jié)構(gòu)等難點內(nèi)容的理解，而對于改進建議，學生認為還須進一步解決好實體實驗與虛擬仿真實驗的深度融合。

4 結(jié) 語

綜上，在基礎醫(yī)學實踐教學中，構(gòu)建基于虛實結(jié)合的基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺作為實體實驗的輔助教學與自主學習平臺,線上與線下教學相結(jié)合，是實現(xiàn)現(xiàn)代信息技術與醫(yī)學教育內(nèi)容深度融合的有益嘗試。而摸索以學習者為中心的虛實結(jié)合實驗教學模式，雖然在實踐中取得了一定成效，但如何進一步發(fā)揮虛實結(jié)合的疊加效應，持續(xù)提高教學效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量，還須進一步探討。