蔡洪濤 黃和 金戈

摘 要：藥理學(xué)課程是醫(yī)學(xué)院校開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要課程，通過(guò)選做經(jīng)典、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作方法，進(jìn)一步掌握學(xué)習(xí)藥理學(xué)知識(shí)的科學(xué)方法和技能。本文以“藥物對(duì)家兔動(dòng)脈血壓的作用”實(shí)驗(yàn)課程為例，介紹使用Auhtorware7開(kāi)發(fā)交互式虛擬仿真軟件所用到的開(kāi)發(fā)方法及使用的交互技術(shù)。

關(guān)鍵詞：交互式；虛擬；仿真；藥理學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）03-0087-03

Development of Virtual Simulation Software Based on

Interactive Pharmacology Experiments

——An example of virtual simulation experiment of“the effect of drugs on arterial blood pressure in rabbits”

CAI Hongtao1，HUANG He1，JIN Ge2

（1.Shenyang Medical College Computer Teaching and Research Office，Shenyang 110034，China；

2.Shenyang Medical College Pharmacology Teaching and Research Office，Shenyang 110034，China）

Abstract：The pharmacology course is an important course offered by medical colleges. By selecting classic and practical experiments，students are familiar with the basic operation methods and skills of pharmacological experiments，and further master the scientific methods of learning pharmacology. This article takes the experimental course“the effect of drugs on arterial blood pressure in rabbits”as an example to introduce the development methods used to create interactive virtual simulation software using Auhtorware7.

Keywords：interactive；virtual；simulation；pharmacology

0 引 言

當(dāng)前，信息技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)教育技術(shù)的進(jìn)步，隨著高性能計(jì)算機(jī)不斷推出，利用計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)醫(yī)學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)虛擬仿真軟件在眾多醫(yī)學(xué)高校的課程建設(shè)中逐漸興起。醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件在教學(xué)實(shí)踐中具有安全和高效的特點(diǎn)，學(xué)生使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)能夠得到近乎真實(shí)的體驗(yàn)。藥理學(xué)課程是醫(yī)學(xué)院校開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要課程，通過(guò)選做經(jīng)典、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作方法，進(jìn)一步掌握學(xué)習(xí)藥理學(xué)知識(shí)的科學(xué)方法和技能，驗(yàn)證藥理學(xué)的基本理論，加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解，從而更牢固地掌握藥理學(xué)的基本概念，學(xué)習(xí)新藥臨床前藥理學(xué)研究的方法以及定量藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)和藥物的檢定方法。藥理學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容比較完整，但由于其所涉及的相關(guān)實(shí)驗(yàn)部分存在風(fēng)險(xiǎn)性，且實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜，有些實(shí)驗(yàn)需要保證讓每個(gè)學(xué)生充分掌握并重復(fù)制作，但是在時(shí)間和空間上的保障具有較大的難度，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難免有一定的影響。因此，在藥理學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)中，需要通過(guò)制作具有交互功能的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，并應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)來(lái)彌補(bǔ)不足。

1 藥理學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)制作虛擬仿真軟件的意義

1.1 倫理學(xué)對(duì)人的觀念的限制

醫(yī)學(xué)倫理學(xué)要求善待患者，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理學(xué)要求善待動(dòng)物。課程中具有危險(xiǎn)性的技能操作不允許學(xué)生直接在病人身體上進(jìn)行，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也要遵循減少（reduction）、替代（replacement）和優(yōu)化（refinement）的3R原則。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件對(duì)使用者的限制

課程實(shí)驗(yàn)中包含高致病性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、帶有劇毒類(lèi)物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)或者放射性的實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)條件要求高，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此開(kāi)設(shè)此類(lèi)實(shí)驗(yàn)的教師會(huì)格外擔(dān)心。

1.3 實(shí)驗(yàn)成本和資源在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的限制

很多醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行制作時(shí)使用的設(shè)備極其昂貴，同時(shí)又面臨實(shí)驗(yàn)動(dòng)物稀少，醫(yī)學(xué)藥物類(lèi)實(shí)驗(yàn)試劑和耗材價(jià)格過(guò)高的情況。有些藥理實(shí)驗(yàn)的對(duì)象不僅難得，而且重復(fù)使用率低，即便實(shí)驗(yàn)開(kāi)出，但每組實(shí)驗(yàn)人員過(guò)多，并且實(shí)驗(yàn)操作不可逆，所以無(wú)法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

1.4 學(xué)生制作實(shí)驗(yàn)的時(shí)間與空間限制

在藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)中，如藥物穩(wěn)定性考察、藥物毒副作用實(shí)驗(yàn)等，實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月或者更久，即便能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中受各種條件的影響，也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生觀察結(jié)果不明顯，獲取實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)不容易，從而導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

綜上所述，在藥理學(xué)實(shí)踐課程中，開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)供教師和學(xué)生使用可以避免一些不利因素，使教師能夠?qū)W(xué)生所需的實(shí)踐學(xué)習(xí)內(nèi)容全部展現(xiàn)出來(lái)。

2 藥理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的總體設(shè)計(jì)

藥理學(xué)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件開(kāi)發(fā)目的在于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用使教學(xué)過(guò)程的構(gòu)建高度仿真，具有交互功能的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠還原真實(shí)體驗(yàn)的教學(xué)情境。在實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用中，讓學(xué)生先進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，完成相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后，再進(jìn)入實(shí)際操作，能提高實(shí)驗(yàn)效果，節(jié)約資源。藥理學(xué)課程虛擬仿真軟件整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

在開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件時(shí)，使用Authorware7作為主要開(kāi)發(fā)工具，它是美國(guó)Macromedia公司開(kāi)發(fā)的一種多媒體制作軟件，是一個(gè)圖標(biāo)導(dǎo)向式的多媒體制作工具，開(kāi)發(fā)人員能快速開(kāi)發(fā)多媒體軟件，具有強(qiáng)大的交互功能。它不需要傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程，只通過(guò)對(duì)圖標(biāo)的調(diào)用就可以編輯一些控制程序走向的活動(dòng)流程圖，將文字、圖形、聲音、動(dòng)畫(huà)和視頻等各種多媒體項(xiàng)目數(shù)據(jù)匯在一起，可達(dá)到多媒體軟件制作的目的。Authorware7通過(guò)圖標(biāo)的調(diào)用來(lái)編輯流程圖，用以替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程的設(shè)計(jì)思想，并充分利用其交互功能制作。在人機(jī)對(duì)話中，它提供了按鍵、按鼠標(biāo)和限時(shí)等多種應(yīng)答方式，同時(shí)還提供了許多系統(tǒng)變量和函數(shù)，可以根據(jù)用戶響應(yīng)的情況來(lái)執(zhí)行特定功能。

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的導(dǎo)航設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件中的導(dǎo)航設(shè)計(jì)屬于學(xué)習(xí)者和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件之間的一種個(gè)性化交互。實(shí)驗(yàn)仿真的實(shí)質(zhì)是學(xué)習(xí)的人與虛擬實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)掌握基本的原理或者技術(shù)。在設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容時(shí)，對(duì)于抽象的原理、概念及實(shí)驗(yàn)中的各種現(xiàn)象，如果僅僅使用文字進(jìn)行描述，學(xué)生就會(huì)缺乏感性認(rèn)知，而單純依靠教材內(nèi)容的描述，又會(huì)令學(xué)生缺乏獨(dú)立思考以及探索的能力，逐漸失去學(xué)習(xí)興趣。

在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，首先應(yīng)著重對(duì)課程實(shí)踐體系的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有目的的課程教學(xué)導(dǎo)航設(shè)計(jì)，以激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)的興趣。利用超文本結(jié)構(gòu)組織教學(xué)信息的呈現(xiàn)，為學(xué)生提供多種學(xué)習(xí)路徑。超文本是按照人的聯(lián)想思維方式，非線性地組織管理信息的一種先進(jìn)的技術(shù)。由于超文本結(jié)構(gòu)信息組織的聯(lián)想式和非線性符合人類(lèi)的認(rèn)知規(guī)律，所以便于學(xué)生進(jìn)行聯(lián)想思維。另外，由于超文本結(jié)構(gòu)的信息結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，學(xué)生可以按照自己的目的和認(rèn)知特點(diǎn)重新組織信息，按照不同的學(xué)習(xí)路徑進(jìn)行學(xué)習(xí)。

藥理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件總計(jì)由24個(gè)實(shí)驗(yàn)組成，各個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立。對(duì)于通識(shí)性內(nèi)容，利用Authorware7的框架圖標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，再由導(dǎo)航圖標(biāo)進(jìn)行超文本方式鏈接，構(gòu)成一個(gè)完整的知識(shí)體系。例如，“藥物對(duì)家兔動(dòng)脈血壓的作用”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路為：首先通過(guò)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的介紹了解在實(shí)驗(yàn)中使用的藥物參數(shù)及特性，然后通過(guò)相關(guān)的微課視頻讓學(xué)生看清楚實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，最后將藥物對(duì)家兔動(dòng)脈血壓的作用效果利用虛擬儀器測(cè)量家兔動(dòng)脈血壓值的曲線變化的仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠?qū)Ρ緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行充分學(xué)習(xí)?！八幬飳?duì)家兔動(dòng)脈血壓的作用”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)制作框架如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)制作框架

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件中的多媒體視頻和音頻處理技術(shù)及編程技術(shù)

藥理學(xué)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中使用的多媒體素材在設(shè)計(jì)時(shí)使用Adobe Premiere標(biāo)記來(lái)顯示不同格式的視頻和音頻，包括WMV、AVI和MPEG等。為保證軟件的教學(xué)效果，視頻使用分辨率在800線以上的高清素材。在進(jìn)行軟件集成應(yīng)用時(shí)，利用Authorware7的視頻插入功能和交互功能控制視頻和音頻的播放?，F(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遵循面向?qū)ο蟮脑?，底層的開(kāi)發(fā)工具通常采用OpenGL圖形庫(kù)等，常用的商業(yè)化、集成化虛擬仿真環(huán)境開(kāi)發(fā)軟件有WTK、Vegas、Virtools、OpenGVS等。可以在虛擬仿真軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中加入預(yù)先制作好的視頻及動(dòng)畫(huà)素材，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中利用多媒體視頻及音頻素材直觀、現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)，來(lái)增強(qiáng)學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的互動(dòng)性。

Authoreare7支持用戶編寫(xiě)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)一些功能，利用編程技術(shù)可以靈活地完成虛擬仿真部分的制作。例如，在展示藥物對(duì)家兔動(dòng)脈血壓作用時(shí)，通過(guò)虛擬儀器監(jiān)控家兔的血壓變化，當(dāng)注射不同藥物時(shí)，家兔的血壓產(chǎn)生動(dòng)態(tài)曲線，這部分的仿真設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其核心源代碼如下所示：

yrandom：=Random（3，10，1）

x1：=x1+3

y1：=200+yrandom+h

x2：=x2+3

y2：=250+yrandom+h

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)窗口設(shè)計(jì)

在藥理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中使用圖片和動(dòng)畫(huà)等可以動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)仿真過(guò)程中根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要提供動(dòng)態(tài)顯示的絕大部分用戶界面的內(nèi)置支持，用以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的交互功能。例如，放大和縮小矩形、更改窗口大小等。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中融合動(dòng)畫(huà)和編程技術(shù)來(lái)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果、模擬各種現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的變化過(guò)程、虛擬各種實(shí)驗(yàn)儀器的效果和各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及演示一些連續(xù)變化系統(tǒng)在各種狀態(tài)的改變效果。實(shí)驗(yàn)中涉及的動(dòng)態(tài)窗口的實(shí)現(xiàn)方法，可以利用Authorware7提供的熱對(duì)象方式或者熱區(qū)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

例如，熱對(duì)象方式在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中涉及的藥物說(shuō)明的具體制作過(guò)程為：首先將虛擬實(shí)驗(yàn)中涉及到的藥品圖片在主界面上按次序進(jìn)行羅列擺放，每一張圖片為一個(gè)熱對(duì)象，學(xué)生將鼠標(biāo)移動(dòng)到圖片上方時(shí)，會(huì)有相應(yīng)的提示。學(xué)生在操作時(shí)，逐一對(duì)各個(gè)藥品圖片進(jìn)行點(diǎn)擊，之后會(huì)彈出一個(gè)動(dòng)態(tài)窗口，用于顯示相關(guān)的詳細(xì)信息。當(dāng)學(xué)生觀看完畢后，再點(diǎn)擊動(dòng)態(tài)窗口中的任意位置，關(guān)閉動(dòng)態(tài)窗口，返回到主界面。

另外，使用熱區(qū)域交互可將每個(gè)圖片或屏幕的某些部分劃分成不同的區(qū)域，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到這些區(qū)域上方后，會(huì)出現(xiàn)手型圖標(biāo)進(jìn)行提示，當(dāng)使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊后，會(huì)彈出一個(gè)動(dòng)態(tài)窗口來(lái)顯示各個(gè)藥品的特性、功效等基礎(chǔ)信息。

動(dòng)態(tài)窗口的使用是在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行全過(guò)程演示時(shí)的必要補(bǔ)充，在對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要從情境窗口、實(shí)踐窗口和小結(jié)窗口等幾方面進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，操作過(guò)程中使用的各種實(shí)驗(yàn)素材要進(jìn)行合理規(guī)劃，根據(jù)場(chǎng)景需要進(jìn)行調(diào)度，最后在屏幕上展示給學(xué)生。

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件中微課的應(yīng)用

微課作為目前流行的一種輔助教學(xué)方式在課程教學(xué)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的設(shè)計(jì)中，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟、藥物實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)物的反應(yīng)作用以及在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的各種手術(shù)視頻等制作成各種類(lèi)型的微課，集成在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，增強(qiáng)仿真實(shí)驗(yàn)的逼真程度。學(xué)生根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程和發(fā)生的各種情況以及使用微課進(jìn)行學(xué)習(xí)，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的同步教學(xué)。

利用Authorware7提供的ActiveX加載微課視頻的過(guò)程為：首先將微課視頻錄制好，然后將視頻生成wmv格式，用控件方式插入到主程序中。具體步驟如下：首先選擇“插入”菜單，再選擇“控件”選項(xiàng)，選擇ActivcX…，在彈出的窗口中選擇“windows media player”；然后點(diǎn)擊“custom…”，再在彈出的窗口中點(diǎn)擊“瀏覽”，選擇本地硬盤(pán)上的微課視頻，調(diào)整參數(shù)；最后點(diǎn)擊“確定”，完成微課的導(dǎo)入。

3 結(jié) 論

藥理學(xué)課程實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)軟件在我院2015級(jí)臨床醫(yī)學(xué)本科生藥理學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了比較滿意的教學(xué)效果。在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，一方面能緩解設(shè)備更新壓力、提高實(shí)驗(yàn)效率，另一方面能有效地提高學(xué)生的興趣，使學(xué)生接受更多、更具體、更完整的信息，從而更加深刻地理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

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作者簡(jiǎn)介：蔡洪濤（1975-），男，漢族，遼寧沈陽(yáng)人，教研室主任，副教授，碩士。研究方向：虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)課程中的應(yīng)用。