傅媛媛, 王愛勤, 李世平, 楊鳳萍, 殷寶法, 魏萬紅

(1. 揚(yáng)州大學(xué) 生命科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 揚(yáng)州 225009； 2. 揚(yáng)州大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 揚(yáng)州 225009)

家兔解剖實(shí)驗(yàn)是生物、動(dòng)科、獸醫(yī)、動(dòng)檢、水產(chǎn)等專業(yè)一個(gè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。掌握家兔解剖手術(shù)的規(guī)范化操作流程、各器官形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及生理功能，可為學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)習(xí)態(tài)度的養(yǎng)成、動(dòng)手實(shí)踐能力的提升以及動(dòng)物生理學(xué)、藥理學(xué)等后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)提供必要的支撐[1-4]。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[5-10]。目前，國內(nèi)外與動(dòng)物解剖相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)多以人體和大型動(dòng)物如牛、馬、犬等為主，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、獸醫(yī)等專業(yè)的臨床教學(xué)，且由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的差別以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)等問題，現(xiàn)有的資源很難應(yīng)用于我校動(dòng)物學(xué)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。為此，圍繞解決傳統(tǒng)家兔解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問題，自主開發(fā)了“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，并且通過實(shí)施“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和全過程覆蓋的實(shí)驗(yàn)考核體系[11]，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

1 傳統(tǒng)單一實(shí)體實(shí)驗(yàn)中存在的問題

一是家兔解剖操作流程復(fù)雜、不易掌握。解剖操作從家兔的處死到皮膚的剝離，到腹腔、胸腔的打開，再到各系統(tǒng)、各器官的進(jìn)一步解剖觀察，步驟十分復(fù)雜，且操作要點(diǎn)較多。在傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，一般需要教師在學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手操作前花費(fèi)大量的時(shí)間逐步進(jìn)行演示和講解，示教效果差，不僅浪費(fèi)了有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，而且不利于學(xué)生利用寶貴的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物資源提升實(shí)踐能力。

二是存在部分器官組織幼嫩、微小、易損(如心臟、膽囊、腦組織等)，生理功能不可見、不可逆(如血液循環(huán)、尿液的形成與排放等)、內(nèi)臟器官易纏繞以及結(jié)構(gòu)不易觀察等問題，嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。

三是存在著預(yù)習(xí)難、復(fù)習(xí)難和考核難的問題。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的開展必須借助手術(shù)用具器械和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，無法讓學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生在開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)前對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程和注意事項(xiàng)沒有感性認(rèn)識(shí)，課后也不能有效地鞏固所學(xué)的知識(shí)和技能。實(shí)驗(yàn)考核理論化傾向嚴(yán)重，大多以筆試的方式代替實(shí)體操作，導(dǎo)致對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)考核不全面、不完整。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中還存在家兔購買成本高、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利與倫理和學(xué)生對(duì)動(dòng)物解剖心理畏懼等問題[12-13]。

2 兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建

為解決上述問題，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，使用Unity3D、Maya、3DSMax等開發(fā)工具，構(gòu)建“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，其主要功能架構(gòu)如圖1所示。用戶可以通過PC或智能移動(dòng)終端設(shè)備(智能手機(jī)、平板電腦)訪問虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。進(jìn)入系統(tǒng)前，需要進(jìn)行身份驗(yàn)證(后臺(tái)有數(shù)據(jù)庫支撐，以便記錄學(xué)習(xí)軌跡和實(shí)驗(yàn)成績等數(shù)據(jù))，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判別用戶的身份(學(xué)生、教師或管理員)，以進(jìn)入相應(yīng)的功能區(qū)。PC端的主界面如圖2所示，下面依次介紹系統(tǒng)的各主要功能模塊。

圖1 兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能構(gòu)架圖

圖2 兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面

2.1 解剖模塊

家兔解剖的流程大致包括：致死→體壁解剖→消化系統(tǒng)解剖→泄殖系統(tǒng)解剖→循環(huán)系統(tǒng)解剖→呼吸系統(tǒng)解剖→腦解剖等步驟。為了便于學(xué)生在線開展家兔解剖操作的自主訓(xùn)練，逐步掌握規(guī)范化操作流程，將解剖模塊(圖3)分為3個(gè)子模塊：1)觀摩解剖：此模塊不需要任何互動(dòng)操作，學(xué)生通過對(duì)3D動(dòng)畫的觀摩，初步了解家兔解剖操作的規(guī)范化流程；2)虛擬解剖：學(xué)生可利用鼠標(biāo)，按照操作提示，通過對(duì)相應(yīng)3D模型的點(diǎn)擊和拖動(dòng)，按部就班地完成“仿真兔”的在線解剖，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)兔解剖操作規(guī)范化流程的了解和掌握；3)自主解剖：在沒有任何提示的情況下，學(xué)生自主開展“仿真兔”解剖操作的整個(gè)流程，可進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)相關(guān)技能的掌握。這3個(gè)子模塊由易至難，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，有利于學(xué)生牢固地掌握該部分實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)和技能。

圖3 兔的解剖模塊

2.2 透視結(jié)構(gòu)模塊

在透視結(jié)構(gòu)模塊中，學(xué)生可完成對(duì)兔的外部形態(tài)、骨骼系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、排泄系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成特征的了解，完成對(duì)各器官在體內(nèi)的相對(duì)位置與空間分布，以及相互連接方式等內(nèi)容的學(xué)習(xí)(圖4)。首先點(diǎn)擊右側(cè)菜單中的相應(yīng)系統(tǒng)或器官名稱，即可調(diào)出各系統(tǒng)的3D模型，然后通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊、拖動(dòng)或滾輪滾動(dòng)左側(cè)的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)家兔外部形態(tài)和各系統(tǒng)的縮放和360°全方位觀察。

2.3 生理功能模塊

為了讓學(xué)生直觀地了解兔在完成呼吸、食物消化與吸收、血液循環(huán)、尿液形成等生理活動(dòng)時(shí)其結(jié)構(gòu)組成與生理功能的協(xié)同作用關(guān)系，在生理功能模塊中加入這些內(nèi)容的3D仿真動(dòng)畫(圖5)供學(xué)生觀摩。1)“呼吸系統(tǒng)”動(dòng)畫：實(shí)現(xiàn)呼吸功能時(shí)，家兔鼻腔、氣管、肺、胸膈膜、胸骨等器官的動(dòng)態(tài)變化過程；2)“消化系統(tǒng)”動(dòng)畫：食物從攝入體內(nèi)到排出體外，其在口腔、食道、胃、腸等器官中食物形態(tài)的變化、養(yǎng)分的吸收、廢棄物的排泄等一系列動(dòng)態(tài)變化過程；3)“循環(huán)系統(tǒng)”動(dòng)畫：血液在體內(nèi)循環(huán)時(shí)，動(dòng)脈血、靜脈血在心臟和血管中的流動(dòng)與變化過程；4)“排泄系統(tǒng)”動(dòng)畫：尿液形成與排出時(shí)，其在腎臟、膀胱、輸尿管中的動(dòng)態(tài)變化過程。

2.4 器官復(fù)位模塊

器官復(fù)位就是解剖過程的逆向操作，它有利于學(xué)生進(jìn)一步加深和掌握家兔各系統(tǒng)、器官在體內(nèi)的相對(duì)空間分布。在器官復(fù)位模塊中，學(xué)生可從骨骼系統(tǒng)開始依次選取左側(cè)欄目中的各器官3D模型，并將其放置到“仿真兔”體內(nèi)原有的位置上，直至完成所有器官的拼裝(圖6)。操作過程中，如出現(xiàn)器官選取錯(cuò)誤或位置擺放錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示用戶，以引導(dǎo)用戶完成正確的操作。

圖5 生理功能模塊

2.5 虛擬考核模塊

虛擬考核模塊分為解剖考核、復(fù)位考核和結(jié)構(gòu)考核等3個(gè)部分(圖7)。1)解剖考核：按順序進(jìn)行解剖操作，系統(tǒng)自動(dòng)記操作步驟并計(jì)分，完成學(xué)生對(duì)規(guī)范化操作流程的考核；2)復(fù)位考核：與器官復(fù)位模塊相似，系統(tǒng)記錄操作步驟并計(jì)分，完成對(duì)各器官空間分布的考核；3)結(jié)構(gòu)考核：看圖在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上填出名稱，完成對(duì)兔的外形和各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)名稱的考核。

圖6 器官復(fù)位模塊

(a)解剖考核；(b)復(fù)位考核；(c)結(jié)構(gòu)考核

除了上述主要的功能模塊外，本實(shí)驗(yàn)還包含了目的與器材、在線交流、試題庫、微課視頻、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等模塊，以確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目流程的完整實(shí)施。

3 “虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建

為了充分發(fā)揮虛擬仿真資源的優(yōu)勢(shì)，提高實(shí)驗(yàn)操作的成功率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，將兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，構(gòu)建了涵蓋實(shí)驗(yàn)“前、中、后”3個(gè)階段的“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式(圖8)。

圖8 兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

在新模式下，家兔的解剖實(shí)驗(yàn)共6個(gè)學(xué)時(shí)，其中虛擬仿真學(xué)習(xí)占2個(gè)學(xué)時(shí)。學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗(yàn)開始前，主要以虛擬仿真學(xué)習(xí)為主，通過對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)中各模塊的虛擬操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)有一個(gè)充分的預(yù)習(xí)，初步了解相關(guān)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作流程。線上的虛擬解剖練習(xí)還能起到一個(gè)良好的過渡作用，有效緩解學(xué)生對(duì)動(dòng)物解剖實(shí)驗(yàn)的畏懼心理。進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)體解剖操作時(shí)，學(xué)生可參照虛擬解剖的操作過程，完成自主解剖操作。教師可大幅縮減示教、講授等環(huán)節(jié)的時(shí)間，而以個(gè)別輔導(dǎo)和答疑為主，將實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)最大化地“還于”學(xué)生。同時(shí)，學(xué)生可將實(shí)體解剖、實(shí)體器官與虛擬解剖、3D器官模型相結(jié)合，開展比對(duì)式學(xué)習(xí)，進(jìn)一步規(guī)范實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作流程，分析器官結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異的原因。對(duì)于實(shí)際操作難、組織易破損、微小結(jié)構(gòu)難以觀察的部分，學(xué)生可以使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充學(xué)習(xí)。實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各個(gè)模塊進(jìn)行自主復(fù)習(xí)，進(jìn)一步鞏固知識(shí)和技能。此外，利用系統(tǒng)還可開展師生之間的在線學(xué)習(xí)交流、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交與批復(fù)等。

4 全過程覆蓋的形成性實(shí)驗(yàn)考核體系的構(gòu)建

為解決以往實(shí)體實(shí)驗(yàn)考核難和理論化傾向嚴(yán)重的問題，有效了解學(xué)生對(duì)兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的掌握情況，構(gòu)建了覆蓋實(shí)驗(yàn)全過程的形成性實(shí)驗(yàn)考核體系(表1)。通過線上、線下相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果、操作過程、實(shí)驗(yàn)態(tài)度以及學(xué)習(xí)效果的全方位考核。

5 小結(jié)

綜上所述，揚(yáng)州大學(xué)生命科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為了解決家兔解剖傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的手術(shù)操作流程不易掌握、部分器官微小易損、結(jié)構(gòu)與功能協(xié)同變化過程不可見、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物成本高等問題，構(gòu)建了“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，并通過實(shí)施“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有效擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，減少了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物用量，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)完整、高效、綠色、環(huán)保。2018年，“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”被遴選為國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

表1 覆蓋實(shí)驗(yàn)全流程的形成性實(shí)驗(yàn)考核體系