陳獻(xiàn)雄　林桂淼　雷明軍　翟鵬　王曉梅　高俊輝

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)普及和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)越來越多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。借助虛擬仿真技術(shù)，可以展現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以展現(xiàn)的學(xué)科前沿技術(shù)。建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心不僅是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)發(fā)展大趨勢，也是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所迫切需要的。本文針對基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的特點(diǎn)和實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行了詳盡的探討，目的在于促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在本校的推廣使用，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享，揭示了基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展前景和對未來醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的重要作用。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真；基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號： G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0021-002

【Abstract】With the popularization of computer and the development of network technology， more and more virtual simulation technology is used in experiment teaching. With the help of virtual simulation technology， it can show the cutting-edge technology that traditional experiment can not show well. The construction of virtual simulation experiment center is not only a trend of development of experimental teaching in colleges and universities， but also an urgent need of basic medical experimental teaching. The purpose of this paper is to promote the use of virtual simulation experiment in our school and realize the sharing of teaching resources， and to reveal the development prospect of network-based virtual simulation experiment and the application of virtual simulation experiment teaching platform. The future of medical teaching an important role.

【Key words】Virtual simulation；Basic medicine；Experimental teaching

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，國家教育部早在2013年8月就已下發(fā)通知，要求各高校積極開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作。之后全國各地高校紛紛開始著手此項(xiàng)工作，2014年03月教育部高等教育司對全國各高校申報(bào)材料進(jìn)行遴選后確定了100家普通本科高等學(xué)校和軍隊(duì)高等學(xué)校作為首批“國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，其內(nèi)容涵蓋地理信息、醫(yī)藥醫(yī)學(xué)、電力能源、工業(yè)制造、軍事戰(zhàn)場等各個(gè)領(lǐng)域，旨在通過這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的示范、引領(lǐng)作用的，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動(dòng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[1]。乘著這個(gè)東風(fēng)，我們購買了上海夢之路數(shù)字科技有限公司的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，借助他們強(qiáng)大的技術(shù)力量和支持服務(wù)體系，初步構(gòu)建了可用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)平臺——《深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心》（網(wǎng)址http：//xnfz.szu.edu.cn/），并逐步在我?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣使用。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢

建立“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向之一[2]。借助虛擬仿真技術(shù)，我們可以展現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以展現(xiàn)的學(xué)科前沿技術(shù)，對受場地、資源、倫理等條件限制較難開設(shè)的醫(yī)學(xué)類實(shí)驗(yàn)和教學(xué)尤其必要。它依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建了高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，使學(xué)生可以在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中體驗(yàn)同樣的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。其突出的優(yōu)勢如下：

1）突破了時(shí)間、空間和儀器套數(shù)的限制。虛擬實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的模式，學(xué)生不再受時(shí)間、空間的制約，可實(shí)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)，師生可隨時(shí)、隨地進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行

虛擬實(shí)驗(yàn)操作，瞬間觀察到一些需要幾十年甚至上百年才能觀察到的變化過程，還可以進(jìn)入大到宇宙宏觀物體，小到原子分子層面內(nèi)部觀察現(xiàn)象[3]，這是電視錄像和多媒體無法達(dá)到的。

2）避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來的各種危險(xiǎn)。醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作中，不可避免的涉及到部分對人體有毒有害微生物菌種和毒品，利用虛擬技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可避免人體直接接觸危險(xiǎn)的或?qū)θ梭w健康有害的實(shí)驗(yàn)，還可以降低傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大量廢棄試劑排放所造成的環(huán)境污染[4]。

3）實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。涉及高危或極端環(huán)境，不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以真實(shí)、全面的展示教學(xué)內(nèi)容，從而提供給學(xué)生更多學(xué)習(xí)實(shí)踐機(jī)會。

4）大幅降低教學(xué)成本。虛擬實(shí)驗(yàn)減少了教學(xué)實(shí)驗(yàn)耗材的實(shí)際使用量，尤其對于醫(yī)學(xué)院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要使用大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和人體標(biāo)本，如能采用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助教學(xué)，可大大減少實(shí)驗(yàn)耗材經(jīng)費(fèi)的支出，大幅降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的耗材成本。endprint

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的模塊結(jié)構(gòu)：

上海夢之路數(shù)字科技有限公司所開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)采用了J2EE技術(shù)和B/S構(gòu)架模式，二維和三維技術(shù)，結(jié)合程序控制，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)操作。該教學(xué)平臺分為前臺操作系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)兩大模塊，前臺操作系統(tǒng)主要包括學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)K和教師教學(xué)模塊，后臺管理系統(tǒng)主要包括學(xué)校管理、實(shí)驗(yàn)管理、考核管理、公告答疑管理、系統(tǒng)管理等模塊，每個(gè)模塊下面包括3-4個(gè)不同的功能。該平臺具備豐富的題庫系統(tǒng)，提供在線自測自評功能，為學(xué)生的自我鞏固學(xué)習(xí)提供一個(gè)良好的平臺。教師可以在本平臺開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，還可以上傳個(gè)人教學(xué)資源、布置批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告、網(wǎng)上考試、答疑等；學(xué)生可通過平臺進(jìn)行成績查詢和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的在線提交和查看批閱情況。這些功能的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的共享，減少教師們的重復(fù)勞動(dòng)，促進(jìn)師生的互動(dòng)交流，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的內(nèi)容

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)主要針對以下三類教學(xué)資源：一是，真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法開展或高危實(shí)驗(yàn)；二是，大型綜合的虛擬實(shí)驗(yàn)資源；三是，成本高、資源（包括能源和實(shí)驗(yàn)原材料）消耗大、污染嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺包括機(jī)能學(xué)、生化與分子生物學(xué)、病原生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)PBL教學(xué)六大類共73個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中機(jī)能學(xué)14個(gè)、生化與分子生物學(xué)28個(gè)、病原生物學(xué)28個(gè)（包含微生物學(xué)12、病毒學(xué)3和寄生蟲學(xué)13）和臨床醫(yī)學(xué)PBL教學(xué)3個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。每個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)里包含有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)視頻、虛擬實(shí)驗(yàn)操作、思考題等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)?zāi)康目墒箤W(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)前充分了解虛擬實(shí)驗(yàn)操作所需達(dá)到的要求；實(shí)驗(yàn)原理通過文字或動(dòng)畫形式全面生動(dòng)的描述；實(shí)驗(yàn)視頻真實(shí)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作全過程；思考題涵蓋實(shí)驗(yàn)中可能會遇到的各類問題；虛擬實(shí)驗(yàn)操作首先進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的儀器、設(shè)備和器材頁面，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有總體概念。通過虛擬的動(dòng)畫演示和互動(dòng)操作，依靠虛擬仿真技術(shù)準(zhǔn)確還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作步驟，具有實(shí)驗(yàn)操作提示功能。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)流程完全模擬實(shí)驗(yàn)室中的操作過程。實(shí)驗(yàn)可以反復(fù)操作，使學(xué)生有更多的嘗試與實(shí)踐的機(jī)會，減少實(shí)驗(yàn)資源的耗費(fèi)。實(shí)驗(yàn)過程中穿插相關(guān)知識點(diǎn)考核以及操作要點(diǎn)提示。

在虛擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)還配備相應(yīng)的知識庫，里面可查到與該實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識點(diǎn)，或者在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟配有文字提示，選錯(cuò)了可按提示糾正實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)全過程有語音解說或文字解說，尤其適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)或課后的復(fù)習(xí)，比如在《生化與分子生物學(xué)》這門虛擬實(shí)驗(yàn)課程中，醫(yī)學(xué)細(xì)胞培養(yǎng)綜合實(shí)驗(yàn)、移液槍基本操作、電泳基本操作等都是醫(yī)學(xué)生必須掌握的最基本的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生做這些真實(shí)實(shí)驗(yàn)前，隨時(shí)可以登陸本平臺進(jìn)行自由學(xué)習(xí)，學(xué)生預(yù)習(xí)中遇到某個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不明白的可以反復(fù)重播，反復(fù)操作練習(xí)，直到熟練并完全掌握為止。熟練全部實(shí)驗(yàn)步驟后，再回到實(shí)驗(yàn)課堂開始真實(shí)操作，既可減少課堂中教師的講解和演示實(shí)驗(yàn)時(shí)間，又可縮短學(xué)生實(shí)驗(yàn)摸索的時(shí)間，大大提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確率和學(xué)習(xí)效果。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺后臺管理：

4.1 管理員后臺管理系統(tǒng)的功能：

后臺管理系統(tǒng)分管理員、教師個(gè)人和學(xué)生個(gè)人三個(gè)管理模塊，管理員后臺管理系統(tǒng)包括個(gè)人資料管理、公告管理、賬戶管理、課程管理、學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)管理六個(gè)模塊，個(gè)人資料管理里可以修改用戶個(gè)人密碼；公告管理可發(fā)布各類公告通知新聞等；賬戶管理可以導(dǎo)入或刪除教師和學(xué)生用戶，可以對學(xué)生進(jìn)行分班管理等。在課程管理中，既可以對已有的課程進(jìn)行設(shè)置管理，也可以通過“導(dǎo)入課程”新添加用戶所需的課程；可以對每一門課程進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)置，比如添加課程學(xué)習(xí)課件圖片，知識點(diǎn)，考試題庫，實(shí)驗(yàn)報(bào)告，是否允許學(xué)生加入為助教，是否允許訪客瀏覽等等；通過“用戶管理”，不僅可將已有的用戶添加到這個(gè)課程中，還可以對已申請參與課程的用戶進(jìn)行審核。學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)可以查看課程內(nèi)所有學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)成績和時(shí)間，并可以通過設(shè)置計(jì)算規(guī)則以學(xué)習(xí)進(jìn)度、成績和時(shí)間作為評分依據(jù)來生成每位學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)課成績。

4.2 教師用戶系統(tǒng)的功能：

教師用戶系統(tǒng)包括個(gè)人信息資料管理、教師個(gè)人教學(xué)管理和課程申請三個(gè)管理模塊。在人信息資料管理中可以添加或修改個(gè)人資料和密碼，在個(gè)人資源區(qū)可上傳各類教學(xué)資源，公共資源區(qū)可以查閱系統(tǒng)中其他老師共享的教學(xué)資源，在日程表中可以記錄或標(biāo)記某日的教學(xué)活動(dòng)（類似備忘錄）；在教學(xué)管理中可以查閱個(gè)人課程所有學(xué)生的學(xué)習(xí)詳細(xì)情況，可以給學(xué)生進(jìn)行分組管理，可以上傳實(shí)驗(yàn)作業(yè)和考試卷并在網(wǎng)上進(jìn)行批改，可以進(jìn)行學(xué)生答疑等。在課程申請中教師可以查閱已有的課程和申請?zhí)砑有碌恼n程。

4.3 學(xué)生用戶系統(tǒng)的功能：

學(xué)生用戶系統(tǒng)包括個(gè)人信息資料管理、學(xué)生個(gè)人學(xué)習(xí)管理兩個(gè)管理模塊。個(gè)人管理部分的功能跟教師的模塊功能相似；在個(gè)人學(xué)習(xí)管理模塊中，學(xué)生可以選課學(xué)習(xí)，可以向任何教師提問并查閱老師答疑的回復(fù)，查閱本班或本小組同學(xué)，還可以在系統(tǒng)中完成老師布置的作業(yè)和批改情況，或查閱測驗(yàn)或考試成績等。

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺使用反饋

虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種新型的信息化教學(xué)方式，它的出現(xiàn)將有效緩解實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、場地、器材等方面普遍面臨的困難和壓力，能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的“時(shí)空”限制，無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、隨時(shí)隨地登錄。但是我們也要看到虛擬實(shí)驗(yàn)不足的一面。我們曾對14、15級臨床專業(yè)共109名學(xué)生進(jìn)行了一次問卷調(diào)查，結(jié)果顯示學(xué)生們普遍認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)占傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比例在20-40%左右比較合適，他們認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)更多的適用于拓展性實(shí)驗(yàn)而不是教學(xué)大綱（下轉(zhuǎn)第73頁）（上接第22頁）內(nèi)的實(shí)驗(yàn)；超過半數(shù)的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)考前復(fù)習(xí)更適合使用虛擬實(shí)驗(yàn)，隨時(shí)都可以進(jìn)行學(xué)習(xí)，方便省時(shí)。盡管學(xué)生普遍反映真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式可以加深他們對實(shí)驗(yàn)原理、步驟、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的掌握和理解，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，但他們普遍認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)不能替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，“虛擬”不叫實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)無法鍛煉動(dòng)手能力，沒有實(shí)際操作就無法積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等等。由此可見，虛擬實(shí)驗(yàn)最適宜作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的輔助和補(bǔ)充，應(yīng)用于學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)；或者用于彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)教學(xué)中內(nèi)容的不足，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓寬學(xué)生學(xué)術(shù)視野。對于很多受現(xiàn)有教學(xué)條件所限無法正常開展的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)類實(shí)驗(yàn)（如人體器官的活動(dòng)、病毒實(shí)驗(yàn)等等），則可借助虛擬實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親臨其境開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的覆蓋范圍。

6 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的展望

我國虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用剛剛開始，一些理工科院校如清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校走在前列。從各地高校在不同學(xué)科開展的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[5]中可以看出，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為一個(gè)新型的教學(xué)媒體，以其自身強(qiáng)大的功能，在醫(yī)學(xué)院校的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和臨床技能訓(xùn)練中起著廣泛應(yīng)用，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無可替代的優(yōu)點(diǎn)，然而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物操作之間仍然存在一定的差異，虛擬實(shí)驗(yàn)的過程是看不到、摸不著實(shí)物的，實(shí)際操作過程中出現(xiàn)的各種復(fù)雜情況也是虛擬實(shí)驗(yàn)中無法完全復(fù)制的，因此虛擬實(shí)驗(yàn)只能作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種輔助手段，它不能完全取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。此外，從技術(shù)上還可以進(jìn)一步開發(fā)個(gè)人移動(dòng)終端版本，讓學(xué)生能隨時(shí)隨地應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方面，還可以增加基于知識點(diǎn)的微視頻、微動(dòng)畫、微考核，拆分冗繁的實(shí)驗(yàn)過程，設(shè)計(jì)問答式提示以引起學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的思考和知識點(diǎn)的回顧等。總之，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)其優(yōu)缺點(diǎn)都是顯而易見的，它對未來醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而且隨著技術(shù)的逐漸成熟還能使虛擬技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)其它領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程手術(shù)、合作治療、醫(yī)療救護(hù)等緊急醫(yī)務(wù)處理等方面，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

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