小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件的構建及其在教學中的應用

劉 蘇，盧宏濤，張榮佳，韓 玲*

（1.海軍軍醫(yī)大學航海醫(yī)學國家級實驗教學示范中心，上海 200433；2.海軍軍醫(yī)大學海軍醫(yī)學系海軍營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學教研室，上海 200433）

0 引言

小動物活體成像技術利用熒光素酶基因或熒光報告基因等標記細胞或DNA，通過高靈敏度的成像檢測系統(tǒng)和圖像處理軟件，可直接觀察和監(jiān)測活體動物體內(nèi)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移、基因表達、藥物作用等生物學過程[1-2]。該技術具有靈敏度高、檢測快、直觀、無毒、無放射性、易于操作、實驗數(shù)據(jù)真實可靠等優(yōu)勢，在醫(yī)學研究、生命科學及藥物開發(fā)等領域應用廣泛[3-4]。小動物活體成像儀（Bio-Real，Quick View3000）是我校航海醫(yī)學國家級實驗教學示范中心使用率較高的大型儀器之一，在我?？蒲屑敖虒W工作中發(fā)揮著重要作用。我校航海醫(yī)學國家級實驗教學示范中心自2016年開始于每年秋季學期開設小動物活體成像技術應用與操作研究生選修課，目前這門課程已經(jīng)納入我校研究生選修課中的重點學習內(nèi)容。這是一門實踐性很強的課程，學生通過課程學習掌握小動物活體成像儀的使用與操作，并利用已掌握的系統(tǒng)知識解決科研工作中遇到的問題。作為一門大型儀器操作使用的培訓課程，實驗課擔負著重要角色，在授課中占有較大比重。因此，必須加強實驗教學，才能將教師機械地傳授理論知識轉(zhuǎn)化為學生積極主動地探索實踐，從而提高學生的動手能力和專業(yè)水平[5]。

本課程傳統(tǒng)的實驗教學模式是教師集中講解小動物活體成像儀的組成、使用方法、技術要點并進行操作演示，再安排學生進行實際操作。我校2020年秋季學期共有7名一年級研究生選修該門課程，但僅有1臺小動物活體成像儀，實驗教學效率不高，難以滿足全體學生的實驗教學需求。徐召等[6]將虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術應用于小動物活體成像儀的培訓中，構建了虛擬培訓系統(tǒng)，但是該培訓系統(tǒng)需要在專業(yè)的VR實驗室運行，對場地和設備都有較高的要求。本文構建小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件，本軟件可在手機、平板計算機或者計算機等終端上直接使用，克服了時間和空間的限制，能幫助學生更好地理解與掌握小動物活體成像儀的操作與應用，彌補傳統(tǒng)實驗教學的不足，拓寬學生的科研思路，提升學生的科研能力。

1 小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件的設計

小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件整體場景真實模擬整個小動物活體成像儀的實驗室環(huán)境，學生可以置身于較逼真的場景中進行虛擬實驗操作。本軟件包括背景知識、儀器簡介、實驗模擬和課后鞏固4個模塊。在背景知識模塊，學生需要學習小動物活體成像技術相關的理論知識，包括小動物活體成像儀的結(jié)構、原理等基礎理論知識的要點。儀器簡介模塊將以視頻的形式讓學生了解實驗室內(nèi)整個儀器的組成、結(jié)構特點。實驗模擬模塊將模擬小動物活體成像儀的操作過程，即進入實驗室—開啟小動物活體成像儀—小動物的麻醉—實時顯示控制—生物發(fā)光成像/熒光成像（若需去除背景干擾、多熒光目標分離則進行熒光多光譜分離）—圖像處理—關閉小動物活體成像儀（如圖1所示）。最后一個模塊是課后鞏固，當學生完成虛擬實驗操作后，可以通過這些習題對知識點和操作注意事項進行回憶和鞏固。

圖1 小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件操作流程圖

2 小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件的實現(xiàn)

小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件的開發(fā)是利用MAYA、3D Max等軟件搭建實驗環(huán)境，構建儀器、動物等模型，通過三維建模的方式制作出模型的雛形，添加模型貼圖，渲染三維素材，獲得逼真的實物效果圖[如圖2（a）～（b）所示]。場景中的實驗儀器均按照真實實驗器材進行建模，可展示儀器的細節(jié)，學生能夠身臨其境地參與到整個實驗過程當中，可以感性認知實驗課程的內(nèi)容和相關知識。二維虛擬實驗中的儀器、操作界面、習題界面等素材是運用SAI、AI、Photoshop、Flash和數(shù)字繪圖工具繪制，所有素材全為二維矢量素材[如圖2（c）所示]。再結(jié)合Flash Max、Flash Builder、ActionScript 2.0、ActionScript 3.0以及Unity3D等高級程序語言來進行交互式動作的設計，比如麻醉裝置旋鈕的調(diào)節(jié)、暗箱門的打開與關閉等。所有動畫過程均為交互式動畫，學生可以觸屏或使用鼠標點擊完成動畫交互過程。

圖2 小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件的制作過程

小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件采用瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構，支持網(wǎng)頁界面操作方式，可在手機、平板計算機或者計算機等終端上使用瀏覽器直接打開，無需下載，克服了早期虛擬仿真實驗由于軟件的限制而不能夠廣泛使用的弊端。本軟件可與本中心的網(wǎng)站進行無縫對接，通過本中心的網(wǎng)站實現(xiàn)學習和共享，支持系統(tǒng)管理員、教師、學生使用不同的身份登錄軟件，完成班級組建、課件學習以及考核評價等所有與該課件相關的教學功能。

3 小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件的功能模塊

3.1 背景知識模塊

背景知識模塊包括實驗目的和實驗原理2個部分[如圖3（a）所示]。實驗目的是需要學生掌握小動物活體成像儀的系統(tǒng)構造和操作過程，熟悉小動物活體成像儀的成像原理。實驗原理部分介紹了小動物活體成像技術的分類、幾種小動物活體成像技術的優(yōu)缺點比較、生物發(fā)光和熒光2種光學成像技術的原理、小動物活體成像儀的系統(tǒng)構造及重要部件電荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）的原理。

3.2 儀器簡介模塊

儀器簡介模塊是一段實體實驗室儀器的介紹視頻，主要介紹了小動物活體成像儀由暗箱、計算機和氣體麻醉系統(tǒng)組成，以及氣體麻醉系統(tǒng)的使用和暗箱系統(tǒng)的結(jié)構特點[如圖3（b）所示]。本著“虛實結(jié)合”的原則，這部分加入了實體儀器的視頻，學生配合實體儀器視頻的觀看和學習，可以加強對儀器組成和結(jié)構特點的實體感性認識。

3.3 實驗模擬模塊

實驗模擬模塊是整個軟件的核心內(nèi)容，涵蓋了小動物活體成像儀操作過程中的9個實驗步驟[如圖3（c）所示]。從進入實驗室查看實驗室內(nèi)陳列開始，開啟小動物活體成像儀和計算機系統(tǒng)中的軟件，然后對小動物進行氣體麻醉，將麻醉后的小動物放入暗箱中，通過計算機中的軟件系統(tǒng)調(diào)整好保溫臺溫度和最佳視野。此時，根據(jù)個人實驗需要選擇生物發(fā)光成像模式或熒光成像模式，2種成像模式都需要設置參數(shù)后進行圖像數(shù)據(jù)采集，在熒光成像模式中如果需要去除背景干擾和進行多熒光目標的分離則需要進行熒光多光譜分離。圖像數(shù)據(jù)采集結(jié)果出來后需要進行保存和處理，實驗結(jié)束后關閉小動物活體成像儀和計算機系統(tǒng)。整個模擬實驗過程中共設置約60個交互操作，包括儀器的開機與關機、氧氣瓶和麻醉裝置的調(diào)節(jié)、軟件參數(shù)的設置、實驗結(jié)果的保存與處理等。在模擬實驗操作過程中，學生可以按順序逐步完成實驗，也可以在界面左側(cè)調(diào)節(jié)進度條，直接跳到想要學習的步驟。

3.4 課后鞏固模塊

課后鞏固模塊列出了與實驗原理和操作注意事項相關的習題[如圖3（d）所示]，題型主要有選擇題和填空題，考核內(nèi)容涉及儀器的組成、氣體麻醉劑的選擇、CCD溫度的調(diào)節(jié)等知識點。當學生回答錯誤時界面會給出正確答案提示，借此幫助學生理解和強化實驗操作過程中需要掌握和注意的知識點。

圖3 小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件的各模塊界面圖

小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件具有學習和考核相結(jié)合的模式，既可供學生自主學習，也可以進行考核評價，使教師掌握學生的學習情況。學習模式中會有文字等引導提示，可以幫助學生完成學習和實驗操作，尤其是關鍵步驟的操作注意事項，會用醒目的提示表示出來，便于學生在操作時把握使用技巧，當出現(xiàn)操作錯誤時也會出現(xiàn)提示。而考核模式會根據(jù)設置的知識點自動判分，記錄學生學習成績，結(jié)束時給出考核評價結(jié)果（如圖4所示）。

圖4 虛擬仿真實驗考核評價結(jié)果

4 小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件的教學效果

小動物活體成像技術應用與操作課程共30課時，其中實驗課為14課時，占比接近50%。為了保證每個學生都能夠動手操作儀器，安排6課時用于學習儀器操作，其余8課時用于實驗動物模型成像檢測，基本以教師操作和講解為主。整個實驗教學過程只能保證學生學會儀器的基本操作，難以讓學生將所學知識與自己的科研工作相結(jié)合，不利于培養(yǎng)學生的科研思維和科研能力。

小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件自2020年10月研發(fā)成功以來，迅速投入教學實踐中。以2020年秋季學期選修小動物活體成像技術應用與操作課程的研究生為授課對象，將小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件應用于實驗教學中，取得了良好的教學效果。

4.1 課前預習

課前預習是實驗教學中的重要環(huán)節(jié)，學生在這個環(huán)節(jié)中需要熟悉實驗的基本過程和實驗儀器的操作。傳統(tǒng)的課前預習過程中，學生只能通過教材學習實驗的相關知識，難以形成深刻的印象。而虛擬仿真實驗操作比靜態(tài)的文字更加直觀，更能激發(fā)學生的學習興趣，提高其學習效果。在課前，教師安排學生通過計算機、手機或平板計算機登錄本中心的網(wǎng)站對小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件進行學習。學生通過學習背景知識模塊、儀器簡介模塊，對小動物活體成像儀有一個系統(tǒng)的了解，之后模擬操作小動物活體成像儀并進行考核。學生完成考核后將考核評價結(jié)果發(fā)送給教師，可以幫助教師掌握學生的學習情況，并對課程內(nèi)容做出及時調(diào)整。在進入實體實驗室進行儀器操作課程前，所有學生考核結(jié)果均已達到90分以上。

4.2 課中教學

通過本軟件的學習和探索，學生已經(jīng)對整個儀器操作有了一個基本的認識，課堂教學轉(zhuǎn)向以學生為主體。學生根據(jù)所學知識實際操作儀器并提出自己的困惑和想法，教師在旁指導并針對學生的問題及前期掌握的學生學習情況有針對性地進行教學，引導學生在課堂中進行激烈的討論。這樣不僅可以使學生在課程上更加輕松自如，增強學生的自信心和學習興趣，而且可以縮短學習儀器操作的課時數(shù)，將更多的實驗課時用于實驗動物模型成像檢測。學生結(jié)合自身的科研工作設計并制作實驗動物模型，在課堂上分享自己的科研思路和實驗結(jié)果，教師和其他學生可以給出自己的想法和建議。

4.3 課后鞏固

實驗課結(jié)束后，如果學生覺得自己的操作不夠熟練，可以到本軟件上進行反復訓練，查漏補缺，并將考核評價結(jié)果發(fā)送給教師，教師針對學生的問題再單獨進行交流解答。另外，本中心的網(wǎng)站上還可以開設討論組，供教師和學生進行互動、交流、答疑。

4.4 課程考核

課程結(jié)束后，教師可以對小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件的考核評價結(jié)果進行匯總，實現(xiàn)教學過程量化，為過程性考核提供可靠依據(jù)。教師結(jié)合學生線上考核成績和線下考核成績進行綜合評價，在教學過程和教學評價、虛擬實驗和實地實驗等方面進行相互結(jié)合和補充。

5 教學效果評價

在課程結(jié)束后，通過問卷調(diào)查的方式了解學生對該實驗教學模式的評價。調(diào)查結(jié)果顯示：100%的學生認為通過本軟件不僅使儀器的操作流程學習起來更加簡單快速，而且對儀器的應用有了更加深刻的認識；85.7%的學生認為課程中的理論知識與自己的實際需要結(jié)合得更加緊密，對自己的科研工作有所幫助，以后更愿意繼續(xù)參與這種教學模式；28.5%的學生反映雖然課上學會了儀器操作，但是課程結(jié)束后一段時間再次使用儀器時已經(jīng)忘記如何操作，通過本軟件可以快速回憶起儀器操作流程。有多名學生還將本軟件推廣給沒有選修該課程的同學，讓他們可以在軟件上進行自主學習和訓練。將虛擬仿真技術應用于實驗教學，增強了實驗教學的新穎性和趣味性，有利于學生對知識的深入掌握，培養(yǎng)了學生的自學能力，激發(fā)了學生的學習興趣，充分發(fā)揮了學生的主觀能動性，提高了學生的參與積極性。同時，本軟件的設計、制作及應用也對教師提出更高要求，促使教師的自身素質(zhì)得到提高。

6 結(jié)語

本文針對小動物活體成像技術應用與操作研究生選修課中存在的儀器數(shù)量及時間、空間受限與教學模式單一等問題，基于虛擬仿真技術構建了小動物活體成像儀操作訓練軟件，并將該軟件應用于小動物活體成像技術應用與操作研究生選修課中，在“課前—課中—課后”輔助實驗教學。與傳統(tǒng)課程相比較，利用小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件進行實驗教學可以大大激發(fā)學生的學習熱情和參與意識，增強了師生之間的互動性，在一定程度上提高了課堂教學效率，是對傳統(tǒng)實驗教學模式的豐富和創(chuàng)新。綜上，小動物活體成像儀操作訓練虛擬仿真軟件有助于小動物活體成像技術應用與操作課程的實驗教學，是虛擬仿真技術在教學領域的一次有益嘗試。但是由于本軟件使用時間較短，所得到的教學效果評價的數(shù)據(jù)還不夠完善，會在后期的教學工作中繼續(xù)應用并觀察該種教學模式的教學效果。