三維虛擬仿真實驗室在腫瘤放療教學(xué)中的應(yīng)用探討

徐少杰 彭綱 張盛 胡建莉 楊盛力

[摘 要] 隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展與普及，國內(nèi)高校的課堂、實驗教學(xué)等均朝著信息化、智能化與互動化的方向發(fā)展，因此，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高校實驗課得到了廣泛的重視。腫瘤放射治療作為一門理論與實踐緊密聯(lián)系的學(xué)科，以放射物理學(xué)、放射生物學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)以及解剖學(xué)等學(xué)科作為基礎(chǔ)，在學(xué)習(xí)的過程中不僅需要掌握理論知識基礎(chǔ)，更要注重動手實踐能力的培養(yǎng)。三維虛擬仿真實驗室能夠很大程度上推動實驗教學(xué)改革，加快實驗教學(xué)的信息化建設(shè)，提高醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)效率。結(jié)合三維虛擬仿真實驗室在腫瘤放療教學(xué)中的應(yīng)用，探析虛擬仿真實驗室建設(shè)及在腫瘤放療教學(xué)中的效果。

[關(guān)鍵詞] 三維虛擬仿真實驗室;腫瘤放療;實驗教學(xué)

[基金項目] 2020年度華中科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“仿真實驗室教學(xué)在腫瘤教學(xué)中的應(yīng)用”（202002196010）

[作者簡介] 徐少杰（1999—），男，河南漯河人，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院第一臨床學(xué)院2017級臨床本科生，研究方向為臨床教學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué);楊盛力（1982—），男，湖北黃梅人，博士，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院腫瘤中心主治醫(yī)師（通信作者），主要從事腫瘤學(xué)研究。

[中圖分類號] G644 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）30-0037-04 ? ?[收稿日期] 2021-03-22

一、概述

近些年，在西方發(fā)達(dá)國家的科技、工業(yè)、交通、航空等領(lǐng)域，三維虛擬仿真技術(shù)得到相當(dāng)?shù)闹匾昜1]。目前，三維虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，包括教育行業(yè)中的教學(xué)培訓(xùn)及實踐實訓(xùn)、軍事領(lǐng)域內(nèi)的訓(xùn)練及演習(xí)、銷售行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品宣傳介紹及試用等[2]。盡管如此，該技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用仍僅限于教育組織的自發(fā)使用，并未形成系統(tǒng)的、完善的，能夠自主循環(huán)的應(yīng)用系統(tǒng)，尤其是在高校教育與高等職業(yè)培訓(xùn)等方面的應(yīng)用，存在著相當(dāng)大的缺陷[3]。因此，如何將三維虛擬仿真技術(shù)更加完善的應(yīng)用在高校教育與高等職業(yè)培訓(xùn)中是一個具有重要意義和價值的問題。

虛擬仿真實驗室[4]（The virtual/simulation laboratory，VL）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要載體，主要指依托各個計算機系統(tǒng)，以構(gòu)建不同的虛擬實驗環(huán)境為目的，使用虛擬仿真技術(shù)的集合構(gòu)建接近真實的實驗環(huán)境，使實驗者能夠完成預(yù)定的實驗內(nèi)容。建設(shè)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗室，首先應(yīng)以學(xué)生為主導(dǎo)進(jìn)行虛擬實驗操作，其次根據(jù)虛擬實驗操作的熟練程度決定是否可以進(jìn)入后續(xù)的實際操作，不僅能夠大大提高實驗效率，也避免了可能因不熟練而造成的資源浪費，其優(yōu)勢明顯，安全、開放同時資源可共享。

二、三維虛擬仿真實驗在醫(yī)學(xué)課堂教學(xué)中的價值

現(xiàn)階段的醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)大部分是教師講解、按部就班操作的“填鴨式”教育，學(xué)生往往是被動接受學(xué)習(xí)內(nèi)容[5]，缺少機會與動機去主動思考，在培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性與創(chuàng)造性方面有一定的不足，因此該教育方式很難激發(fā)學(xué)生主動思考，很難培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，缺少對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深刻理解的動力，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果事倍功半[6]。此種教育方式實際上受到客觀條件的限制，僅采用教師演示學(xué)生觀看的教學(xué)方法很難讓學(xué)生產(chǎn)生參與感，學(xué)生無法動手，僅靠眼睛觀看，靠筆記錄，無法參與到臨床操作中去，幾乎沒有機會親手實踐，如此便造成醫(yī)學(xué)理論與實際的脫節(jié)。

三維虛擬仿真實驗室以Virtools平臺為基礎(chǔ)[5]，以虛擬現(xiàn)實操作與仿真等多種方式作為實驗教學(xué)及操作的手段。建設(shè)應(yīng)用該實驗室，幫助學(xué)生更加迅速全面地熟悉實驗儀器，由于使用計算機進(jìn)行操作容錯率更高，能夠在不熟練的情況下重復(fù)練習(xí)，大大提高了實驗教學(xué)的效率。虛擬仿真實驗除了在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中具有優(yōu)勢外，本身還具有非常明顯的優(yōu)勢，如低損耗，零污染，符合教育部建設(shè)綠色實驗室標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，三維虛擬仿真實驗室的建立能夠有效解決目前傳統(tǒng)教學(xué)中無法解決的多種問題，為解決實驗儀器的不足與日益增加的實驗學(xué)生之間的矛盾提供了更大的可能性。

（一）三維虛擬仿真實驗室內(nèi)容豐富

虛擬現(xiàn)實技術(shù)充分利用學(xué)生好奇的特點，使用計算機創(chuàng)造具有新意的操作界面，將音樂、動畫、影像等多種元素結(jié)合，制作出良好的動態(tài)效果[7]。其模擬場景與實際實驗室?guī)缀跬耆恢拢瑢W(xué)生在模擬場景中有身臨其境的真實感。三維虛擬仿真實驗室以強大的涵蓋能力將完整的實驗項目包括其中。以氣相色譜為例，三維虛擬仿真實驗室包含以下內(nèi)容：實驗用儀器的介紹展示、實驗用樣品的預(yù)處理、儀器操作及數(shù)據(jù)處理等，并帶有具體操作步驟提示，錯誤扣分及實時計時等功能。三維虛擬仿真實驗室除了允許學(xué)生自己動手完成醫(yī)學(xué)實驗儀器相關(guān)操作外，還能夠自行根據(jù)實驗結(jié)果對實驗進(jìn)行優(yōu)化，如出現(xiàn)分離不理想或峰型拖尾等現(xiàn)象，學(xué)生能夠繼續(xù)優(yōu)化虛擬氣相色譜儀的工作條件以達(dá)到理想的實驗結(jié)果[8]。

（二）有助于全面了解實驗過程

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)儀器在對實驗項目進(jìn)行分析時，需要考慮的客觀因素很多，包括操作條件、安全性及經(jīng)費等，因此推廣某些高難度實驗十分困難，實驗項目基本采用教師演示為主的教學(xué)模式[9]。以一項小白鼠腦動脈手術(shù)實驗為例，這類實驗往往由教師在課堂上以PPT演示方式向?qū)W生講述操作步驟及注意事項，與真實的實驗存在明顯的差距。為了突破這種限制，引入三維虛擬仿真實驗室后，學(xué)生可以通過三維虛擬仿真實驗室了解小白鼠腦動脈的三維空間位置、形態(tài)以及精準(zhǔn)的直徑等數(shù)據(jù)，同時可以操作虛擬儀器，并根據(jù)模擬實驗結(jié)果對實驗進(jìn)行優(yōu)化[ 10 ]，在上課時就能熟練地掌握實驗全流程。

（三）共享性及開放性強

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)的時間和地點都不易變通，且受到各種客觀因素的影響。三維虛擬仿真實驗室是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，對實驗時間和地點幾乎毫無影響。學(xué)生能夠在三維虛擬仿真實驗室進(jìn)行無限操作，不停進(jìn)行練習(xí)，實驗成本及安全性等因素幾乎不需要考慮。該實驗室不僅本專業(yè)學(xué)生可以使用，也為其他相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供學(xué)習(xí)的機會，實現(xiàn)資源的有效利用，極大地提高了教學(xué)效率。