虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在藥學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的探索與構(gòu)建*

張寶剛 楊景明 代春美 蒲麗娟

（錦州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

藥學(xué)專(zhuān)業(yè)是培養(yǎng)具備藥學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)等學(xué)科的基本知識(shí)和技能，能在藥品生產(chǎn)、檢驗(yàn)、流通、使用和研究與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域工作的高級(jí)科學(xué)技術(shù)人才的學(xué)科，包含了很多造價(jià)高、損耗大、體系復(fù)雜的實(shí)踐內(nèi)容，在教學(xué)資源十分有限的情況下，大量實(shí)踐教學(xué)無(wú)法進(jìn)行。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用使高等教育產(chǎn)生顛覆性變革，2013 年教育部建立了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，VR 技術(shù)從此走進(jìn)了我國(guó)的教育產(chǎn)業(yè)。藥學(xué)是研究藥物在人體作用機(jī)制的學(xué)科，VR 技術(shù)主要應(yīng)用在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，在其良性帶動(dòng)下，使得藥學(xué)專(zhuān)業(yè)發(fā)展步入快車(chē)道。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1 什么是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR、VR、MR、HR、XR，簡(jiǎn)稱(chēng)R+）是一種創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其利用計(jì)算機(jī)建造一個(gè)模擬環(huán)境，虛擬世界的各種對(duì)象通過(guò)多項(xiàng)的傳感設(shè)備及實(shí)時(shí)交互功能傳遞給使用者，使用者置身于該虛擬環(huán)境下，得到一種較為沉浸的感官體驗(yàn)，在人機(jī)交互中實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景還原[1]。其起源于20 世紀(jì)80 年代，是匯集了多媒體技術(shù)、人工智能、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等一類(lèi)綜合信息技術(shù)，當(dāng)前VR 技術(shù)主要在游戲設(shè)計(jì)、軍隊(duì)訓(xùn)練、空間設(shè)計(jì)、博物館、藝術(shù)欣賞等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征（1）沉浸式：使用者能夠真實(shí)感受到虛擬世界的場(chǎng)景；（2）交互性：使用者能夠操作虛擬世界里的一切，同時(shí)使模擬環(huán)境產(chǎn)生反饋；（3）構(gòu)想性：VR 技術(shù)既能構(gòu)造客觀真實(shí)世界的環(huán)境，也能構(gòu)建虛擬不存在的場(chǎng)景[3]。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)（1）桌面式VR系統(tǒng)：電腦屏幕作為觀察窗口，使用者使用鍵盤(pán)鼠標(biāo)等操作模擬環(huán)境里的物體；（2）沉浸式VR 系統(tǒng)：操作者使用頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、其他手控輸入設(shè)備和聲音等，全身心地沉浸到三維交互式虛擬世界當(dāng)中；（3）共享性VR 系統(tǒng)：在由服務(wù)器構(gòu)造的模擬環(huán)境，多個(gè)用戶(hù)可以經(jīng)客戶(hù)端訪問(wèn)，共同經(jīng)歷虛擬世界。

2 藥學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)和存在問(wèn)題

2.1 藥學(xué)專(zhuān)業(yè)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性藥學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，以化學(xué)為基礎(chǔ)，同時(shí)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、生物學(xué)密切相關(guān)，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力。實(shí)踐教學(xué)效果關(guān)乎藥學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量，直接影響到學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解、技能操作的掌握。

2.2 藥學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容覆蓋面廣包括無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)等多門(mén)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，以及藥物化學(xué)、生藥學(xué)、天然藥物化學(xué)、藥理學(xué)、藥劑學(xué)、藥物分析、生物藥劑學(xué)與藥物動(dòng)力學(xué)等多門(mén)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課[4]，課程體系復(fù)雜，覆蓋面廣，需要掌握藥物制劑、質(zhì)量控制、藥物與生物體相互作用、藥效學(xué)和藥物安全性評(píng)價(jià)等基本方法和技術(shù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系不完善既往藥學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)理論內(nèi)容去設(shè)置，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往碎片化，不成體系，教學(xué)內(nèi)容和操作方法不連貫且重復(fù)。如上開(kāi)發(fā)藥物的一堂綜合性實(shí)驗(yàn)課，其內(nèi)容涵蓋藥物化學(xué)、藥劑學(xué)、生物藥劑、藥物動(dòng)力學(xué)和藥理學(xué)等課程，以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法無(wú)法使學(xué)生們得到全面的操作練習(xí)。

2.4 教學(xué)方法和模式單一傳統(tǒng)的藥學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)形式死板、單一，課程內(nèi)容多年不變，課堂氣氛不活躍，缺少趣味性，禁錮了學(xué)生思維，學(xué)生缺少創(chuàng)新精神，在這種條件下培養(yǎng)出來(lái)的人才無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)代發(fā)展的需要。

2.5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和經(jīng)費(fèi)投入少當(dāng)前，各個(gè)地方性高校均在大量擴(kuò)招，在校生不斷增加，但與之相對(duì)應(yīng)的用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)儀器設(shè)備投入確很少，一些高尖端儀器設(shè)備更是缺乏，設(shè)備老化嚴(yán)重，更新慢，根本無(wú)法滿(mǎn)足教學(xué)需求。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在藥學(xué)實(shí)踐教學(xué)中發(fā)展優(yōu)勢(shì)

3.1 大大降低教學(xué)成本傳統(tǒng)藥學(xué)實(shí)踐教學(xué)受到很多因素限制，如設(shè)備造價(jià)高、材料損耗大、實(shí)踐場(chǎng)地不足等，因此，學(xué)生缺乏實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì)，實(shí)踐教學(xué)效果較差。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建接近現(xiàn)實(shí)的仿真訓(xùn)練場(chǎng)景，使實(shí)驗(yàn)室、實(shí)踐基地和儀器設(shè)備均虛擬化[5]，不但解除了上述諸多限制條件，降低了教學(xué)成本，而且大大增加每位學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)。如高效液相色譜法是測(cè)量藥物含量的一種典型方法，在藥物分析實(shí)驗(yàn)課上應(yīng)該普遍開(kāi)展，但由于實(shí)驗(yàn)儀器造價(jià)高，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普及起來(lái)充滿(mǎn)困難，VR 技術(shù)的應(yīng)用可以虛擬這些實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景還原，不用擔(dān)心設(shè)備造價(jià)高、儀器損耗大的問(wèn)題。

3.2 教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)形象，實(shí)現(xiàn)情景化教學(xué)情景化教學(xué)要求理論知識(shí)和場(chǎng)景相融合，在情境中實(shí)現(xiàn)知識(shí)體系的構(gòu)建。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方法多用圖片、文字和聲音作為載體，表達(dá)抽象深?yuàn)W，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解和掌握十分困難。而且不斷地以書(shū)本為中心教學(xué)，實(shí)踐技能操作被忽視，學(xué)生得不到足夠的實(shí)踐機(jī)會(huì)。運(yùn)用VR 技術(shù)進(jìn)行虛擬化實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)情景化教學(xué)，讓學(xué)生全身心的融入到學(xué)習(xí)環(huán)境中，充分的刺激學(xué)生的感官體驗(yàn)，取得很好教學(xué)效果[6]。如實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)患者的檢查結(jié)果，開(kāi)具相應(yīng)的處方藥物，并囑患者一定按照藥品說(shuō)明服用并觀察效果，隨時(shí)來(lái)診，這樣情景化教學(xué)可以使學(xué)生更好掌握理論知識(shí)并靈活應(yīng)用；VR 技術(shù)可以還原大型高尖端儀器設(shè)備，學(xué)生能夠直觀地觀察這些設(shè)備構(gòu)造并掌握操作方法；在人體解剖學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)性拆分操作，使學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的理解和把握更加準(zhǔn)確[7]。

3.3 提高藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性目前各大高校雖然將提高教學(xué)水平擺在首要位置，但很多高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中安全事故頻發(fā)，甚至奪走學(xué)生們年輕生命，為了盡可能排除課堂上安全隱患，往往放棄這些危險(xiǎn)性較高的實(shí)踐教學(xué)，但是避免危險(xiǎn)的同時(shí)也讓學(xué)生失去了學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。采用VR 技術(shù)，我們可以建設(shè)各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行化學(xué)試劑的調(diào)配、化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行、危險(xiǎn)性較高的大型儀器的操作，在增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的同時(shí)，又避免了危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)的安全事故的發(fā)生，保證學(xué)生們的生命安全。

3.4 增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)性提高學(xué)習(xí)質(zhì)量 VR 技術(shù)設(shè)計(jì)高端，設(shè)備先進(jìn)，青年學(xué)生們易于接受，樂(lè)于操作。VR 技術(shù)實(shí)驗(yàn)操作安全，學(xué)生能夠隨時(shí)自主使用操作，并結(jié)合自身上課學(xué)習(xí)的情況，自行加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生們使用VR設(shè)備，自主設(shè)置時(shí)間和地點(diǎn)，加入選定好的操作對(duì)象，在虛擬環(huán)境里結(jié)合自己的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行獨(dú)立地研究學(xué)習(xí)和操作，極大地提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究能力，增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)效果[8，9]。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作前，在虛擬空間里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，使學(xué)生們對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)步驟和細(xì)節(jié)具有直觀的認(rèn)識(shí)，在進(jìn)行真正實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠抓住重點(diǎn)，熟練掌握操作步驟。對(duì)于具有較高難度、操作復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，課后利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí)，使學(xué)生們對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容進(jìn)一步深入理解和消化。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在藥學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的構(gòu)建

當(dāng)前，VR 技術(shù)在醫(yī)藥教學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)研究人員[10]采用VR 技術(shù)建立手術(shù)預(yù)設(shè)規(guī)劃模型，能夠讓醫(yī)生真正手術(shù)前在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬演練；研究員SHINBANE 等[11]采用VR 技術(shù)構(gòu)建了虛擬藥物分解系統(tǒng)，探索藥物分子在疾病細(xì)胞中的反應(yīng)機(jī)制。我國(guó)研究人員顏苗等[12]使用VR 技術(shù)分析藥物有效成分，將天星南的藥用成分成功的篩選出來(lái)；喬連生等[13]采用3D 技術(shù)，構(gòu)建無(wú)限次藥學(xué)循環(huán)應(yīng)用虛擬場(chǎng)景，使學(xué)生操作具有較高危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠放心驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論并進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

4.1 完善頂層設(shè)計(jì)（1）國(guó)家要高度重視VR 技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，制定產(chǎn)業(yè)政策，加大資金投入，注意人才培養(yǎng)，突破關(guān)鍵技術(shù)，使得VR 技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用取得實(shí)效；（2）加強(qiáng)校企合作，藥學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)個(gè)性化很強(qiáng)，企業(yè)自主研發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)很多無(wú)法融入到實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，這就需要從事一線教學(xué)的廣大院校授課教師提供具體實(shí)驗(yàn)操作思路，由企業(yè)專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行研發(fā)，使得開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠有效地應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中；（3）注重加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。目前，各高校在構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心時(shí)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)意識(shí)很薄弱，更多的是注重虛擬平臺(tái)的實(shí)用性和成本。在高校與企業(yè)的合作過(guò)程中，要對(duì)新形成的知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行權(quán)屬確認(rèn)、保護(hù)和使用分配，使VR 技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)收益的最大化。

4.2 構(gòu)建虛擬教學(xué)團(tuán)隊(duì)在構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的同時(shí)，進(jìn)一步組建虛擬教學(xué)團(tuán)隊(duì)，這支團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)包括課程主講人、課程設(shè)計(jì)者、企業(yè)技術(shù)人員、平臺(tái)管理者和參與學(xué)習(xí)人員等，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合、專(zhuān)兼結(jié)合、遠(yuǎn)近結(jié)合的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，最大限度地使各高校教師資源、課程資源和企業(yè)研究機(jī)構(gòu)技術(shù)資源的相互融合。構(gòu)建虛擬教學(xué)團(tuán)隊(duì)是未來(lái)VR 技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的方向。

4.3 打造虛擬實(shí)踐基地打造虛擬實(shí)踐基地，提高專(zhuān)業(yè)技能水平。如我們將醫(yī)療機(jī)構(gòu)藥學(xué)部的工作場(chǎng)景通過(guò)VR 技術(shù)構(gòu)建出來(lái)，搭建藥品倉(cāng)庫(kù)、配液中心、住院藥局、患者取藥窗口和門(mén)診藥局的三維工作場(chǎng)景，進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)建模，將仿真情境中的崗位執(zhí)行流程、相關(guān)管理規(guī)定和儀器設(shè)備使用方法等內(nèi)容包括在內(nèi)，用游戲的方式，引導(dǎo)學(xué)生完成整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，這樣的虛擬實(shí)踐教學(xué)場(chǎng)景具有很強(qiáng)的操作性、趣味性和互動(dòng)性。

4.4 拓展手機(jī)在藥學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用手機(jī)媒體具有信息量大、不受時(shí)空限制、雙向互動(dòng)等傳播優(yōu)勢(shì)。通過(guò)采集資料、圖片和數(shù)據(jù)處理、圖文設(shè)計(jì)等，將藥學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中涉及的儀器設(shè)備，制作成APP 軟件，學(xué)生們下載后進(jìn)行學(xué)習(xí)。手機(jī)媒體引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，方便預(yù)復(fù)習(xí)，降低實(shí)驗(yàn)成本，要充分利用手機(jī)媒體方便、快捷、使用面廣的優(yōu)點(diǎn)，將手機(jī)媒體利用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)自主性，從而提高教學(xué)效率。

4.5 加強(qiáng)教師培訓(xùn)積極引導(dǎo)學(xué)生 在引入VR 技術(shù)過(guò)后，搭建虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)授課教師進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化系統(tǒng)化培訓(xùn)，讓教師可以熟練進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。授課教師要對(duì)學(xué)生進(jìn)行積極引導(dǎo)，青少年自我控制能力較差，對(duì)新事物接受較快，但也容易成癮，需要授課教師幫他們認(rèn)清仿真情景學(xué)習(xí)性，防治成癮而誤入歧途。

4.6 完善考核評(píng)價(jià)體系建立VR 技術(shù)考核評(píng)價(jià)體系，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐操作情況進(jìn)行打分，以評(píng)價(jià)學(xué)生們的學(xué)習(xí)情況，幫助學(xué)生們?cè)趯?shí)踐操作中找到不足之處。在設(shè)計(jì)考核評(píng)價(jià)體系時(shí)，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)踐操作的同時(shí)，可以在每個(gè)虛擬場(chǎng)景設(shè)置相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)和考題，邊操作邊答題，使學(xué)生掌握核心知識(shí)和操作技術(shù)，并及時(shí)統(tǒng)計(jì)出成績(jī)，供教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)估。

虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，極大豐富了教學(xué)方式，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，推動(dòng)教學(xué)方式改革。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用不僅僅是在教學(xué)方法上的變革，更是教師教學(xué)理念、學(xué)生學(xué)習(xí)觀念、師生關(guān)系和生生關(guān)系的全方面的改變。大膽地將新的教學(xué)模式引進(jìn)實(shí)踐教學(xué)中也是教師對(duì)自我教學(xué)方式的重新認(rèn)識(shí)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由以往被動(dòng)地接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)、協(xié)同學(xué)習(xí)、共同學(xué)習(xí)，把培養(yǎng)具有創(chuàng)造意識(shí)和實(shí)用性強(qiáng)的人才作為出發(fā)點(diǎn)，培養(yǎng)出高素質(zhì)、高水平的合格人才。