虛擬仿真平臺在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用＊

李 侃 楊 輝 龔 權(quán) 王 超 聶 浩

（長江大學(xué)醫(yī)學(xué)部，湖北 荊州 434000）

為解決目前醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)成本等問題[1]。長江大學(xué)技術(shù)與專業(yè)科技公司合作開發(fā)出來了用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真教學(xué)平臺。該平臺結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)，幫助學(xué)生掌握檢驗(yàn)技術(shù)中分析系統(tǒng)、操作流程、技術(shù)管理等基礎(chǔ)知識與技能對檢驗(yàn)專業(yè)快速地掌握實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)發(fā)揮了重要作用。在這里對構(gòu)建醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的基本狀態(tài)及在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的使用現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并不斷探索虛擬仿真平臺用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足之處，從而進(jìn)一步去完善教學(xué)效果。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建

1.開發(fā)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行環(huán)境

構(gòu)建用于教學(xué)的虛擬仿真系統(tǒng)需要利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、SQL SERVER 數(shù)據(jù)庫、Javascript等編程軟件技術(shù)，以圖形工作站為核心進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)運(yùn)行的，長江大學(xué)創(chuàng)建虛擬仿真平臺的開發(fā)人員使用actionscript 3.0、javascript1.5等編程語言，在WindowsXP 及以上中文操作系統(tǒng)上運(yùn)行。它可以通過簡單的用戶界面迅速高效地創(chuàng)建對象、導(dǎo)入外部資源，并通過簡單的拖放動作實(shí)現(xiàn)為變量賦值，連接腳本等操作。全新版本的引擎能夠發(fā)布支持Windows等在內(nèi)的多個(gè)系統(tǒng)平臺軟件，其操作環(huán)境簡單、直觀，且界面運(yùn)行良好。

細(xì)菌藥物敏感試驗(yàn)虛擬教學(xué)軟件是2019年由上海夢之路有限公司協(xié)助長江大學(xué)編制。該軟件了解基礎(chǔ)培養(yǎng)基制備方法及用途；細(xì)菌分離培養(yǎng)技術(shù)；觀察細(xì)菌在培養(yǎng)基中的生長現(xiàn)象，并掌握紙片擴(kuò)散法，操作方法及結(jié)果判斷；掌握病原微生物對各種抗生素的敏感（或耐受）程度，以指導(dǎo)臨床合理選用抗生素藥物技術(shù)特點(diǎn)：利用javascript1.5 編寫動畫和人機(jī)交互界面，可以和網(wǎng)絡(luò)平臺SQL SERVER 數(shù)據(jù)庫完美連接。多次根據(jù)學(xué)校教學(xué)的實(shí)際反饋進(jìn)行改進(jìn)，在學(xué)生教學(xué)實(shí)踐中解決了貴重教學(xué)設(shè)施不足的問題，教師和學(xué)生普遍反映良好，起到了很好的教學(xué)效果。

2.虛擬仿真平臺框架的構(gòu)建

分為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件操作人機(jī)互動接口（操作界面）以及通過真實(shí)的設(shè)備和藥物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩大塊。在虛擬教學(xué)平臺上設(shè)計(jì)有供學(xué)生進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)的菜單“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹薄皩?shí)驗(yàn)原理”為醫(yī)學(xué)常識部分，從醫(yī)學(xué)書上就可以完成資料填充；在“實(shí)驗(yàn)操作視頻”里是根據(jù)真實(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)錄制的視頻，當(dāng)學(xué)員需要查看時(shí)可以調(diào)取相關(guān)視頻。當(dāng)理解實(shí)驗(yàn)操作后，就可以進(jìn)入“虛擬實(shí)驗(yàn)操作”進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)了。另外，系統(tǒng)設(shè)置有“流程出錯(cuò)停止”和“實(shí)驗(yàn)操作考核”兩種模式，分別用于學(xué)生初次學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)考核。

3.虛擬仿真平臺在校園的構(gòu)建及運(yùn)行狀態(tài)

長江大學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)的主干帶寬1000Mbps，出口帶寬1040Mbps。經(jīng)過教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，該校園虛擬仿真平臺能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。師生都可通過校園網(wǎng)或進(jìn)入虛擬平臺，注冊的學(xué)生可以根據(jù)需要進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。在完成實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可以遞交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。老師隨后就能進(jìn)行檢查評分；學(xué)生可以查看老師的評語以及個(gè)人實(shí)驗(yàn)成績。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容的選擇

長江大學(xué)對于受藥品或設(shè)備資源有限而不能廣泛開展教學(xué)的內(nèi)容作為虛擬仿真平臺研究的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如在臨床血液學(xué)、臨床檢驗(yàn)基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)診斷學(xué)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)中流式細(xì)胞儀、全自動血細(xì)胞分析儀、全血發(fā)光血小板聚集系統(tǒng)、全自動凝血儀等。我們開發(fā)了與這些課程有關(guān)的虛擬仿真軟件，在里面包含各種設(shè)備的原理與外觀、操作演示和操作模擬。學(xué)生很快就能夠熟悉并掌握這些虛擬仿真的教學(xué)內(nèi)容。

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的制作

1.1 教學(xué)圖片的搜集與分類

為完成虛擬仿真的制作，首先對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的臨床設(shè)備、儀器、藥品進(jìn)行拍照；如果還有部分在實(shí)驗(yàn)室難以獲得（比如：不便于捕捉瞬間的圖片），還可以通過查詢專業(yè)醫(yī)學(xué)網(wǎng)站、動畫制作等方式完成剩余圖片的收集，隨后按照各學(xué)科特點(diǎn)進(jìn)行分類。如在血液細(xì)胞形態(tài)學(xué)、體液形態(tài)學(xué)中對其涉及的細(xì)胞發(fā)育各個(gè)階段去區(qū)分，通過這些便構(gòu)建了基礎(chǔ)的教學(xué)圖片[2]。

1.2 教學(xué)視頻的收集與制作

根據(jù)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)錄制符合規(guī)范的實(shí)驗(yàn)視頻并保存在數(shù)據(jù)庫里。對于不便于詳細(xì)觀察細(xì)節(jié)的內(nèi)容，編輯人員使用軟件進(jìn)行動畫編輯。再利用“互聯(lián)網(wǎng)+”計(jì)算機(jī)編程技術(shù)制作虛擬實(shí)驗(yàn)室，電腦屏幕上展示的各種場景和動畫、讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)室布局以及設(shè)備功能、藥品的特性等注意事項(xiàng)，這樣初學(xué)者就能夠很快地掌握要點(diǎn)。

1.3 將素材嵌入虛擬仿真平臺

最后為了實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的相關(guān)功能，編輯人員將利用計(jì)算機(jī)根據(jù)長江大學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，編譯成各個(gè)模塊的菜單等，并在編輯完成后轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓤?zhí)行文件。隨后教師和學(xué)生就可以登錄局域網(wǎng)并運(yùn)行該可執(zhí)行文件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)了。

三、在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真平臺

1.實(shí)驗(yàn)課堂上應(yīng)用虛擬仿真平臺的教學(xué)

在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中，教師結(jié)合虛擬教學(xué)仿真平臺的方法，“虛實(shí)互補(bǔ)”，優(yōu)化教學(xué)的步驟和計(jì)劃[3]。如臨床血液學(xué)中在虛擬實(shí)驗(yàn)電腦屏幕上展示各個(gè)方位血細(xì)胞的圖片，使學(xué)生掌握血細(xì)胞來源、組成、增殖、分化的過程，打好了學(xué)生實(shí)驗(yàn)診斷學(xué)的基礎(chǔ)。為給學(xué)生清晰地講解臨床醫(yī)學(xué)設(shè)備的工作原理的結(jié)構(gòu)。我們引入檢驗(yàn)儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維動畫模型，不熟悉設(shè)備的學(xué)生在計(jì)算機(jī)上就能夠?qū)x器虛擬拆解成不同的功能部分，這樣學(xué)生很快就能夠掌握儀器的原理，各部分的操作要求。類似的還有：半自動生化分析儀數(shù)量少，不能滿足學(xué)生人人上機(jī)動手操作訓(xùn)練。采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)辦法，即先由老師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)上講解如何使用操作半自動生化分析儀，學(xué)生通過平臺的“人機(jī)交互”功能，在電腦上模擬操作半自動生化分析儀；然后讓學(xué)生在真實(shí)儀器上訓(xùn)練操作，如此反復(fù)多次虛實(shí)結(jié)合教學(xué)。雖然臨床生化檢驗(yàn)分析檢測項(xiàng)目（血糖、血脂、轉(zhuǎn)氨酶等）多達(dá)數(shù)十種；并且檢測方法還有多種方法；每種方法涉及10余種參數(shù)設(shè)置。但經(jīng)虛實(shí)結(jié)合教學(xué)，即使半自動生化分析儀數(shù)量不足，學(xué)生仍能較快掌握儀器的操作技能。即便是難點(diǎn)和重點(diǎn)的連續(xù)測定酶活性及K值的計(jì)算，在虛擬仿真平臺的幫助下學(xué)生也能夠很快的掌握。我們還導(dǎo)入臨床真實(shí)病例，學(xué)生先按虛擬平臺上提示的說明書要求進(jìn)行臨床生化試劑盒操作，然后在傳統(tǒng)操作訓(xùn)練平臺上學(xué)習(xí)實(shí)際的操作訓(xùn)練，較以前的純理論學(xué)習(xí)的方法，學(xué)生更容易理解新教學(xué)方式下的教學(xué)內(nèi)容。可見新的教學(xué)模式，有助于學(xué)生的操作技能訓(xùn)練，提高了臨床生化檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[4]。

2.教學(xué)方法創(chuàng)新及應(yīng)用

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上的重要輔助教學(xué)方式，和原理純傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，有很強(qiáng)的趣味性、互動性、可操作性，安全性（沒有生物病毒泄漏的風(fēng)險(xiǎn)）。具體表現(xiàn)為：第一，破除了不同的學(xué)科的邊界，比如臨床和病原基礎(chǔ)互相融合，使知識體系變得更加的完整。第二，長江大學(xué)和專業(yè)的科技公司合作，融合了問題式學(xué)習(xí)、案例式學(xué)習(xí)、資源式學(xué)習(xí)并與醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互聯(lián)系。第三，通過虛擬仿真的互動教學(xué)實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生能夠自主的將真實(shí)傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來學(xué)習(xí)。第四，可作為科普教育。第五，通過虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺對臨床快速檢驗(yàn)新技術(shù)的具體實(shí)例進(jìn)行演示和講解，學(xué)生的更容易形成學(xué)以致用的思維習(xí)慣，將所學(xué)的和醫(yī)學(xué)實(shí)例結(jié)合，從而在真正參加工作后能夠很快地進(jìn)入職業(yè)的提升過程[5]。

3.自主學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

學(xué)生可以在課下通過網(wǎng)絡(luò)，登錄虛擬的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行課程教學(xué)點(diǎn)預(yù)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)等學(xué)習(xí)內(nèi)容，還可以在學(xué)習(xí)完成后做實(shí)驗(yàn)練習(xí)題目等，從而幫助學(xué)生進(jìn)行有效率的預(yù)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)的步驟和設(shè)備的基本操作方法。學(xué)生在沒有真正接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備前就能夠充分地掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理，基本的實(shí)驗(yàn)操作步驟，關(guān)鍵設(shè)備的操作要點(diǎn)、注意事項(xiàng)等。從而在真正利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備和藥物做實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠很快地進(jìn)入狀態(tài)。減少了藥物的消耗和提高了貴重設(shè)備的有效使用率。

四、教學(xué)效果

長江大學(xué)通過“校—校合作、醫(yī)院—學(xué)校合作”等多種渠道加速構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。目前在校師生可以在需要的時(shí)候通過局域網(wǎng)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室場景。

1.對象及方法

長江大學(xué)選取了兩個(gè)檢驗(yàn)專業(yè)班級分別作為實(shí)驗(yàn)組與對照組，作為實(shí)驗(yàn)組的52個(gè)學(xué)員通過虛擬仿真輔助傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)；對照組51個(gè)學(xué)員，仍然沿用傳統(tǒng)教學(xué)模式。通過師生調(diào)查問卷和對比不同分組學(xué)員的實(shí)驗(yàn)成績兩種方式調(diào)研不同的教學(xué)方式下的教學(xué)效果。之后通過專業(yè)統(tǒng)計(jì)用軟件對兩組不同的教學(xué)方式實(shí)驗(yàn)組的成績結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由于用于樣本含量較小，樣本檢驗(yàn)的方法通過t檢驗(yàn)進(jìn)行。

2.結(jié)果

采用虛擬仿真平臺教學(xué)的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)的成績?yōu)椋?5.5±6.7）分，對照組實(shí)驗(yàn)考試成績?yōu)椋?9.5±8.5），實(shí)驗(yàn)組學(xué)員的成績結(jié)果明顯優(yōu)于對照組學(xué)員，兩組學(xué)員的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）調(diào)查問卷發(fā)放83份，回收有效問卷82份，結(jié)果如表1顯示，大多數(shù)師生認(rèn)同采用虛擬仿真平臺開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺可以引導(dǎo)學(xué)員的實(shí)驗(yàn)積極性，對學(xué)員快速的掌握實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)有很大的幫助。

表1 對實(shí)驗(yàn)組中師生進(jìn)行問卷調(diào)查的結(jié)果和評論狀態(tài) 人(%）

目前，長江大學(xué)基于虛擬仿真用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)成果已經(jīng)連續(xù)獲得兩屆湖北省大學(xué)生虛擬教學(xué)比賽一等獎、一項(xiàng)國家軟件著作權(quán)、二項(xiàng)省級軟件著作權(quán)。

結(jié)語

虛擬仿真教學(xué)模式由于節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，特別是在貴重實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限的情況下，能夠利用電腦模擬仿真讓學(xué)生在不接觸真實(shí)的設(shè)備就能夠?qū)ο嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行形象的操作和理解，從而縮短使用貴重設(shè)備的時(shí)間，有效地利用有限資源起到很好的教學(xué)效果，因此在國內(nèi)外多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展均十分迅速，同時(shí)我們也要認(rèn)識到持久、有效、系統(tǒng)的創(chuàng)新教育，是醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)教育深化發(fā)展的必由之路。雖然長江大學(xué)的虛擬仿真教學(xué)研究表明該教學(xué)模式能夠顯著促進(jìn)教學(xué)效果，但仍然有許多地方值得進(jìn)一步去完善。比如，目前長江大學(xué)的虛擬仿真教學(xué)平臺仍然要求學(xué)生在大學(xué)內(nèi)安裝了軟件的電腦上操作才能進(jìn)行教學(xué)。在外地學(xué)生不能夠到校的情況下，無法進(jìn)行網(wǎng)上教學(xué)，可以考慮繼續(xù)改善軟件，讓學(xué)生在自己家中就能夠通過上網(wǎng)訪問教學(xué)平臺，做到在家中就能夠有效地進(jìn)行線上教學(xué)，減小對教學(xué)的影響。