虛擬仿真實驗在組織學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用*

王少蘭 李 濤 范 妤 劉 芳

（陜西中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院組織學(xué)與胚胎學(xué)教研室，咸陽 712046）

虛擬仿真實驗是借助虛擬現(xiàn)實、計算機仿真、多媒體和人機交互等現(xiàn)代技術(shù)，通過構(gòu)建高仿真的實驗環(huán)境和對象，讓“網(wǎng)上做實驗”和“虛擬做真實驗”成為現(xiàn)實，實現(xiàn)對傳統(tǒng)實驗資源的遠程訪問和高效共享[1]。開展虛擬仿真實驗教學(xué)不受時空限制，并且可以完成真實實驗設(shè)備不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容，因此，虛擬仿真技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)院校的教學(xué)和科研領(lǐng)域，成為高等醫(yī)學(xué)改革的發(fā)展方向和未來趨勢[2]。組織學(xué)虛擬仿真實驗通過信息技術(shù)實現(xiàn)基于顯微鏡下組織結(jié)構(gòu)的真實情景再現(xiàn)，從而實現(xiàn)實驗教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化、自動化管理，讓學(xué)生可以隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。為了順應(yīng)高校信息化教學(xué)改革的發(fā)展，本校形態(tài)實驗中心積極探索建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化實驗教學(xué)系統(tǒng)，采用線上、線下相結(jié)合的教學(xué)方式，將虛實結(jié)合的虛擬教學(xué)貫穿到整個形態(tài)學(xué)教學(xué)的全過程，2017年獲批陜西省虛擬仿真實驗教學(xué)中心?，F(xiàn)就本校組織學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)的實施予以總結(jié)。

1 組織學(xué)虛擬仿真實驗實施的必要性

課程整合是當(dāng)今教學(xué)改革的一項主要任務(wù)[3]，醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程之間密切聯(lián)系，如泌尿系統(tǒng)腎的知識點涉及各學(xué)科的整合交叉（圖1）。隨著高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的搭建，實驗課程體系逐漸由分散平行狀態(tài)向?qū)哟畏置鞯臉錉罱Y(jié)構(gòu)發(fā)展，各學(xué)科間的實驗通過網(wǎng)絡(luò)平臺或共享開放的鏈接在校內(nèi)或校際之間有機地聯(lián)合在一起，有利于開展綜合性實驗。醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗的建設(shè)遵循“從宏觀到微觀，從形態(tài)到功能，從正常到異常，從疾病到治療藥物”的原則[4-5]，借助計算機構(gòu)建高仿真的實驗環(huán)境和對象，建立規(guī)范化的實驗教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫和創(chuàng)新性設(shè)計平臺，設(shè)置不同學(xué)科的虛擬仿真實驗，讓學(xué)生自主設(shè)計實驗內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛能，提高創(chuàng)新精神和實踐能力。通過不同學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)的聯(lián)合，學(xué)生可以系統(tǒng)全面地對某一知識點掌握并理解。

圖1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)多學(xué)科間整合交叉

組織學(xué)虛擬切片（數(shù)字切片）是利用玻片掃描系統(tǒng)采集高分辨率、超大容量的數(shù)字化圖片，包含玻片的所有信息。數(shù)字切片可以通過網(wǎng)絡(luò)在電腦、iPad、智能手機上觀測到玻片上的任何位置，如同使用顯微鏡一樣，可任意縮放和移動[6]。通過虛擬仿真實驗教學(xué)方式，不僅可以彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式和課時的不足，降低切片的損耗，此外實現(xiàn)實驗室實時開放，克服資源限制，極大鼓勵了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，同時能激發(fā)學(xué)生求知欲、培養(yǎng)創(chuàng)造性、提高專業(yè)技能等，為獲得良好的教學(xué)效果提供了保障。

2 組織學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)實施

組織學(xué)虛擬仿真實驗項目依托本校省級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，秉承“虛實結(jié)合，能實不虛，以虛促實”的實驗教學(xué)理念[7]，經(jīng)過4年多的建設(shè)，目前已建成門戶網(wǎng)站，中心網(wǎng)址為http：//xtxn.sntcm.edu.cn/hislab/，擁有用戶權(quán)限管理、組織學(xué)實驗圖庫、課件學(xué)習(xí)、虛擬實驗、信息發(fā)布統(tǒng)計、上傳題庫、網(wǎng)絡(luò)自測、在線答疑等多項功能。現(xiàn)以項目中實驗7消化系統(tǒng)的“胃”做介紹，虛擬實驗教學(xué)方法如下：

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

①掌握消化系統(tǒng)胃的微細結(jié)構(gòu)。②擴展學(xué)習(xí)：觀察胃潰瘍病理學(xué)虛擬切片，強化正常胃的組織結(jié)構(gòu)特點及提高讀片的實戰(zhàn)能力。

2.2 實驗過程

2.2.1 消化系統(tǒng)胃微細結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí) 學(xué)生通過身份認證，登錄后進入組織學(xué)虛擬仿真實驗，點擊“實驗7消化系統(tǒng)”的虛擬切片，選擇胃的微細結(jié)構(gòu)進行學(xué)習(xí)。

2.2.2 虛擬切片觀察方法 按照說明，結(jié)合標本信息中的描述在不同的放大倍數(shù)下觀察相關(guān)的結(jié)構(gòu)。這一部分至少包含3個步驟：①低倍鏡（觀察胃底由內(nèi)到外的結(jié)構(gòu)及分層）→②中倍鏡（觀察黏膜層的3層以及胃小凹和胃底腺的縱、橫斷面）→③高倍鏡（觀察胃底腺的細胞組成）依次觀察（圖2A～2C）→④不斷移動標本尋找典型的組織結(jié)構(gòu)，并比較不同斷面的形態(tài)差異。

2.2.3 學(xué)生對標本重要結(jié)構(gòu)進行標注 繪制折線，標注胃底腺橫縱斷面的輪廓并保存。此標注可保存，可供使用者以后的瀏覽及教師來判斷觀察區(qū)域以及標注是否正確。學(xué)生通過瀏覽標注與教師標注內(nèi)容進行對比。

2.2.4 虛擬切片擴展學(xué)習(xí) 觀察正常胃底的虛擬切片后，同時觀察胃潰瘍病理學(xué)虛擬切片（圖2D），學(xué)生通過比較病變部位形態(tài)、結(jié)構(gòu)的改變，有利于掌握人體的正常組織結(jié)構(gòu)和相關(guān)的病理疾病的關(guān)系。

圖2 胃底部虛擬切片H-E染色

2.2.5 建立自己的形態(tài)學(xué)虛擬切片庫 學(xué)生可有選擇地收藏并保存虛擬切片，進而選擇地建立自己的形態(tài)學(xué)虛擬切片庫（可以包含組織學(xué)、病理學(xué)的虛擬切片以及病理學(xué)大體標本）。

2.2.6 實驗考核 實驗完成后學(xué)生可進行章節(jié)練習(xí)和模擬練習(xí)。點擊在線練習(xí)→章節(jié)練習(xí)→章節(jié)內(nèi)容，或在線練習(xí)→模擬練習(xí)→名稱，進行自測，隨后教師發(fā)布客觀性試題，學(xué)生應(yīng)在規(guī)定的時間完成。另外，學(xué)生的實驗報告、分組討論匯報也是考核的一部分。

2.3 實驗結(jié)果

學(xué)期末學(xué)生學(xué)科總成績=期末理論成績×70%+實驗成績×30%，結(jié)果顯示：采用組織學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)和往年實體切片實驗教學(xué)的學(xué)生相比，成績明顯提高。通過比較虛擬實驗與過去實體實驗教學(xué)考核結(jié)果，顯示學(xué)生在無須教師講解下就能更快更準確找出各器官組織的微細結(jié)構(gòu)，大大提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量，也拓寬了學(xué)生的實驗操作思維。采用雨課堂調(diào)查問卷形式評價虛擬仿真實驗教學(xué)的效果，結(jié)果顯示，學(xué)生更傾向于虛擬切片教學(xué)，普遍反映提高了自主學(xué)習(xí)能力和實踐創(chuàng)新能力等（表1）。

表1 學(xué)生對虛擬仿真實驗滿意度調(diào)查（n=150, %）

3 討論

組織學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)和應(yīng)用極大增加了實驗教學(xué)資源，緩解了實驗學(xué)時的不足。虛擬仿真平臺具有內(nèi)容擴展性、課程高效性、自主開放性、師生交互性等特點[8-9]，可以鍛煉學(xué)生的獨立構(gòu)思和設(shè)計能力，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地強化實驗技能，并激發(fā)其求知欲。另外，形態(tài)學(xué)虛擬仿真實驗平臺中還包含病理學(xué)虛擬仿真實驗，如消化系統(tǒng)的實驗中，添加胃潰瘍、肝硬化等病理學(xué)虛擬切片，學(xué)生通過比較病變部位形態(tài)、結(jié)構(gòu)的改變，有利于掌握人體的正常組織結(jié)構(gòu)和相關(guān)的病理疾病的關(guān)系，密切聯(lián)系臨床，這種潛移默化、循序漸進的實驗教學(xué)逐漸地培養(yǎng)了學(xué)生的分析創(chuàng)造能力，虛擬仿真實驗教學(xué)真正實現(xiàn)了理論教學(xué)與實驗教學(xué)的融合。由于本校虛擬仿真實驗建設(shè)起步晚，在實施過程中也存在較多的問題，而且由于數(shù)字化、智能化技術(shù)手段還有一定的不足之處，虛擬仿真實驗所營造的虛擬環(huán)境、實驗對象及過程雖然逼真，缺乏“實物感”，與學(xué)生實際動手操作的效果還是存在一定的差距，此外以虛代實的實驗項目如果過多，將會造成學(xué)生避實就虛、眼高手低等弊端，因此虛擬仿真實驗項目還不能完全替代真實的實驗[10]，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實體實驗發(fā)展需要，將虛擬實驗與實體實驗緊密結(jié)合，提升實體實驗效果，重點要做好以虛促實。

綜上，將虛擬仿真實驗項目與真實的實驗有機結(jié)合，做到優(yōu)勢互補、相輔相成，才能真正提升實驗教學(xué)效果，將在以后的工作中，不斷完善組織學(xué)虛擬仿真實驗平臺的功能，做到虛實相結(jié)合，此外加強基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)各虛擬仿真實驗平臺之間的橫向聯(lián)合，構(gòu)建符合本校特色的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)新模式。