馬劍峰， 蔣慧敏， 韓 蓓， 張 斌， 張 茜， 王 麗

（1.山東大學(xué)齊魯醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，濟(jì)南250012；2.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南250103；3.山東電力中心醫(yī)院，濟(jì)南250012）

0 引 言

為貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于強化實踐育人工作的重要指示精神，教育部發(fā)布了《教育信息化2.0行動計劃》，在高校實驗教學(xué)改革和實驗教學(xué)項目信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作，深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合［1］，教育部長陳寶生［2］也在新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議上提出高校要“全面堅持以本為本、推進(jìn)四個回歸、建設(shè)一流本科教育”，其中，在回歸初心中講到“高校要用知識體系教、用價值體系育、用創(chuàng)新體系做”，只有不忘初心、才能方得始終。

虛擬仿真實驗是智能環(huán)境下教育發(fā)展的必然選擇，是信息化教學(xué)的重要組成部分，它通過仿真、數(shù)字建模和多媒體等技術(shù)，在計算機(jī)上創(chuàng)建一個可視化的三維環(huán)境，營造出模擬的儀器性能、實驗對象、實驗條件［3］。與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)相比，虛擬仿真實驗突破時間和空間的制約，為學(xué)生提供全天候互動的開放式實驗環(huán)境，彌補實物教學(xué)資源的特定限制，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)資源的共享。虛擬仿真實驗可以使學(xué)生獲得與真實實驗一樣的體會，從而加深對教學(xué)內(nèi)容的理解，學(xué)生還能隨時隨地在虛擬環(huán)境中開展實驗活動，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實踐能力［4］。虛擬實驗在激發(fā)學(xué)生求知欲，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，提高專業(yè)技能等方面具有重要意義，已成為當(dāng)前許多高校實驗教學(xué)改革發(fā)展的一個重要方向。

1 項目的建設(shè)背景

我國自啟動國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)以來，到目前全國高校已獲批的國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心達(dá)到300個，并在高校開展了示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作［5-6］。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，具有沉浸性、交互性的虛擬仿真技術(shù)也被大量引入醫(yī)學(xué)院校實驗教學(xué)中［7］。例如，吳健樺等［8］構(gòu)建的寄生蟲學(xué)虛擬實驗軟件已在上海交通大學(xué)實驗教學(xué)中心網(wǎng)站開放，學(xué)生可以登錄網(wǎng)站自主操作，由反饋結(jié)果來看，學(xué)生對軟件的易操作性、自主學(xué)習(xí)性能、課堂內(nèi)容延展等方面均有較高的滿意度，并希望繼續(xù)采用虛擬實驗的教學(xué)方式。第三軍醫(yī)大學(xué)的趙志鋼等［9］將虛擬實驗融入病理生理實驗教學(xué)中，通過對虛擬實驗中實驗原理、操作仿真等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生可全方位的了解整個實驗并更加快速有效地掌握相關(guān)理論和實踐知識，受到學(xué)生的普遍歡迎。成都醫(yī)學(xué)院國家級醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心［1］，基于虛擬動物及虛擬標(biāo)準(zhǔn)化病人開展的大葉性肺炎及其診療虛擬仿真實驗項目，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)中的作用，促進(jìn)基礎(chǔ)與臨床有效銜接，開辟了臨床思維訓(xùn)練虛擬仿真教學(xué)資源新途徑。此外，醫(yī)學(xué)微生物學(xué)、分子生物學(xué)等在教學(xué)中也引入虛擬實驗進(jìn)行了探索和嘗試。

關(guān)心和愛護(hù)實驗動物，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展，成為當(dāng)代人類社會文明進(jìn)步的重要標(biāo)志。減少動物實驗的呼聲越來越高，使用新技術(shù)減輕實驗動物的疼痛與不安，開展無創(chuàng)實驗成為醫(yī)學(xué)實驗發(fā)展的趨勢之一。

在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實驗學(xué)科群包括機(jī)能學(xué)融合實驗課、生理學(xué)實驗課、藥理學(xué)實驗課、病理生理學(xué)實驗課和醫(yī)學(xué)心理學(xué)實驗課，各學(xué)科實驗中都有有創(chuàng)血壓實驗如心血管活動的神經(jīng)體液調(diào)節(jié)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物對動物學(xué)院的影響等，由于實驗設(shè)備條件的限制、實驗動物倫理的限制以及學(xué)生實驗技能的局限等諸多因素制約，使學(xué)生在實驗過程中不能反復(fù)、靈活進(jìn)行實驗操作，實驗效果不夠理想，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)的需要，影響對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，使用智能無創(chuàng)血壓儀并輔以不受時空限制的無創(chuàng)血壓虛擬仿真實驗替代有創(chuàng)生理記錄儀開展血壓實驗成為未來選擇之一。以本校平臺為例，購入的智能無創(chuàng)血壓儀由于設(shè)備價格較貴、專業(yè)性強、精密性高、操作復(fù)雜，目前只用于綜合性機(jī)能學(xué)融合實驗課程腎上腺受體激動劑對習(xí)得性焦慮的易化作用實驗，沒有在眾多學(xué)科的循環(huán)系統(tǒng)有創(chuàng)血壓實驗中推廣使用。

2 項目建設(shè)的目標(biāo)和內(nèi)容

為提升醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)科循環(huán)系統(tǒng)實踐教學(xué)效果，提出了建設(shè)多學(xué)科無創(chuàng)血壓虛擬仿真實驗教學(xué)的方案，將復(fù)雜的實驗教學(xué)環(huán)境實時仿真同步呈現(xiàn)并探究學(xué)習(xí)過程，無創(chuàng)血壓虛擬仿真實驗與無創(chuàng)血壓實操實驗虛實結(jié)合，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在實驗教學(xué)中的作用，借以夯實學(xué)生的實驗技能、鞏固專業(yè)知識、開拓科研思路、拓寬思維空間，加深對實驗內(nèi)容的理解，促進(jìn)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)信息化的發(fā)展。

（1）研究目標(biāo)。構(gòu)建較為完善的多學(xué)科無創(chuàng)血壓虛擬仿真實驗及教學(xué)體系，依托云計算、VR/AR、數(shù)字建模等技術(shù)制作虛擬仿真實驗，通過虛擬仿真技術(shù)將復(fù)雜的無創(chuàng)血壓實驗操作制成具可輔助教學(xué)的交互式虛擬實驗［3］。與無創(chuàng)血壓實操實驗教學(xué)有機(jī)結(jié)合，起到輔助實驗教學(xué)、強化實驗教學(xué)的效果和作用［6］。應(yīng)用于實驗教學(xué)中，與傳統(tǒng)模式相輔相成、優(yōu)勢互補，充分開發(fā)實驗教學(xué)的獨特功能，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

（2）具體內(nèi)容。依據(jù)機(jī)能學(xué)科特點并參照機(jī)能學(xué)實驗教材，多學(xué)科無創(chuàng)血壓實驗教學(xué)項目首先構(gòu)建了三大模塊的虛擬仿真實驗，包括智能無創(chuàng)血壓儀操作規(guī)范及指南虛擬仿真實驗、腎上腺受體激動劑對習(xí)得性焦慮的易化作用虛擬仿真實驗、藥物對大鼠動脈血壓的影響虛擬仿真實驗。建設(shè)基于校園網(wǎng)直觀、互動的多學(xué)科智能無創(chuàng)血壓虛擬實驗教學(xué)體系，借助國家醫(yī)學(xué)虛擬實驗教學(xué)示范中心，利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為學(xué)生提供自主式、交互式、開放式的無創(chuàng)血壓實驗環(huán)境，使教務(wù)管理員、學(xué)生、教師均參與其中，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)及虛擬教學(xué)的優(yōu)勢。通過計算機(jī)虛擬技術(shù)模擬真實動物及其組織器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)，借助虛擬的生理指標(biāo)檢測結(jié)果，對藥物作用下機(jī)體病理生理功能出現(xiàn)的變化進(jìn)行觀察，并通過虛擬技術(shù)對動物實驗的過程進(jìn)行演示，使機(jī)能學(xué)多學(xué)科中樞血壓實驗教學(xué)不僅拘泥于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，而更具有感知性和交互性，讓學(xué)生通過實驗學(xué)習(xí)得到更大的收益。

另外，智能無創(chuàng)血壓儀是建立高血壓模型、觀察各種因素對血壓影響、開展高血壓及心腦血管疾病研究專業(yè)性很強的血壓測量設(shè)備，該設(shè)備可為我校大學(xué)生科技創(chuàng)新項目搭建一個實驗平臺。無創(chuàng)血壓虛擬仿真實驗可為學(xué)生正確使用智能無創(chuàng)血壓儀提供直觀的操作指南，有利于實驗室向?qū)W生開放，使精密儀器更好地為教學(xué)服務(wù)、為學(xué)生服務(wù)。

3 項目的建設(shè)方案

在探索構(gòu)建多學(xué)科相交叉的機(jī)能融合實驗過程中，建設(shè)了多學(xué)科循環(huán)系統(tǒng)無創(chuàng)血壓虛擬仿真實驗項目（見圖1），把線下教學(xué)和虛擬實驗有機(jī)結(jié)合起來，建立了虛擬與實訓(xùn)互補、基礎(chǔ)與臨床融通的實驗教學(xué)模式，有效拓展了實驗教學(xué)的空間和時間，讓學(xué)生變被動為主動，顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)成效和線下課堂的學(xué)習(xí)效率。

根據(jù)智能無創(chuàng)血壓儀操作規(guī)范及指南虛擬仿真實驗、腎上腺受體激動劑對習(xí)得性焦慮的易化作用虛擬仿真實驗、藥物對大鼠動脈血壓的影響虛擬仿真實驗的目的要求和實驗方法，依托計算機(jī)三維圖形、視頻建模、虛擬現(xiàn)實等綜合技術(shù)以數(shù)值變化、三維動畫等為展現(xiàn)形式，簡單、直觀、生動地展示出動物的血壓調(diào)節(jié)機(jī)制并分析藥物作用機(jī)制，調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)可快速生成仿真模型，生成一個逼真的將抽象實驗內(nèi)容形象化和具體化的沉浸度較高的高度仿真的虛擬實驗對象和實驗環(huán)境，每個虛擬仿真實驗由實驗簡介、模擬操作、虛擬實驗操作、數(shù)據(jù)分析、思考題等5大操作模塊組成［7］。實驗簡介模塊尤其是虛擬實驗操作模塊的設(shè)計及構(gòu)建是本課題的重點難點［4］。利用虛擬技術(shù)，生動形象、專業(yè)科學(xué)的模擬動物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能及藥物作用下動物病理生理功能的變化，是本課題需要解決的關(guān)鍵問題。

（1）構(gòu)建3大模塊的無創(chuàng)血壓虛擬仿真實驗。以傳出神經(jīng)系統(tǒng)藥物實驗中藥物對大鼠動脈血壓的影響為例，利用虛擬技術(shù)模擬真實動物及其組織器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并擬合心率、呼吸、體溫等生命指標(biāo)，借助虛擬的血壓檢測結(jié)果，對藥物作用下機(jī)體出現(xiàn)的血壓變化進(jìn)行觀察，分析其作用機(jī)制。還擬通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對動物實驗的過程進(jìn)行演示，使實驗教學(xué)更具有感知性和交互性。

（2）虛擬實驗內(nèi)容的模塊設(shè)計。關(guān)于虛擬實驗的內(nèi)容，對于每個實驗分為實驗簡介、操作視頻演示、虛擬實驗操作、數(shù)據(jù)分析、思考題等5個基本模塊進(jìn)行設(shè)計。①實驗簡介模塊以文本、圖表方式對相關(guān)理論知識作簡要闡述，使學(xué)生熟悉實驗?zāi)康?、理解本實驗的理論背景；實驗步驟主要以圖片方式對動物、器材、步驟作逐條展示，使學(xué)生有直觀的感性認(rèn)識；對容易出錯、難掌握的重要步驟，如家兔的頸總動脈插管等，并配備相關(guān)視頻演示并設(shè)置播放控制按鈕，以便學(xué)生反復(fù)觀看、自學(xué)掌握。②操作視頻演示模塊是虛擬實驗的重點部分，以智能無創(chuàng)血壓儀操作規(guī)范及指南虛擬仿真實驗為例，包括軟件安裝、動物固定、參數(shù)設(shè)置及測量、實驗結(jié)果編輯、主機(jī)操作、更換大鼠橡膠膜6大部分，操作視頻真實地再現(xiàn)無創(chuàng)血壓實驗操作的每一個操作步驟的關(guān)鍵點，學(xué)生能通過視頻了解無創(chuàng)血壓實驗的全過程。實驗涉及的知識點、操作重點和注意事項都有配音講解，使學(xué)生知其然也知其所以然，對該項技能心中有數(shù)，避免盲目照搬［10-12］。圖2所示為無創(chuàng)血壓數(shù)據(jù)采集界面。③虛擬實驗操作模塊是虛擬實驗的核心部分，學(xué)生通過與計算機(jī)交互完成實驗操作，生動形象地再現(xiàn)對實體動物處理的每個過程。同樣以智能無創(chuàng)血壓儀操作規(guī)范及指南虛擬仿真實驗為例，虛擬實驗操作模塊包括實驗原理、操作前準(zhǔn)備、儀器參數(shù)設(shè)置、動物固定及儀器操作、操作后處理5部分。虛擬操作系統(tǒng)提供了無創(chuàng)血壓實驗操作情景、操作物品、操作流程、實驗場景、設(shè)備全景界面等內(nèi)容，真實再現(xiàn)了實驗室情境。學(xué)生可對虛擬實驗操作反復(fù)練習(xí)，熟練掌握實驗?zāi)康?、實驗材料、實驗步驟、注意事項等相關(guān)的理論和實驗知識才能進(jìn)入系統(tǒng)操作［10］。④實驗報告模塊要求學(xué)生將各個部分總結(jié)歸納、對實驗結(jié)果進(jìn)行綜合分析，在線填寫并提交，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力。

4 構(gòu)建無創(chuàng)血壓虛擬實驗教學(xué)體系

為了緊扣國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的脈搏，順應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣，為學(xué)生提供更好的虛擬學(xué)習(xí)框架和內(nèi)容，多學(xué)科無創(chuàng)血壓虛擬仿真項目接口層設(shè)有手機(jī)微門戶和門戶網(wǎng)站2種層面；課件層先期有3個無創(chuàng)血壓虛擬仿真實驗項目，后期還將陸續(xù)擴(kuò)展；平臺層建有教學(xué)任務(wù)管理、學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)LMS和形成性評價系統(tǒng)；整個系統(tǒng)由校園網(wǎng)高性能服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫以及云平臺支撐。

（1）微信微門戶。移動互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入生活中的每個角落，兼容手機(jī)瀏覽必然是大勢所趨，學(xué)生通過手機(jī)來訪問學(xué)習(xí)及完成虛擬實驗，是移動互聯(lián)網(wǎng)時代的新特征，也是提升學(xué)生網(wǎng)上學(xué)習(xí)參與度的有效方式［13-16］。建設(shè)的多學(xué)科無創(chuàng)血壓虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可在任意時間，任何空間、任何移動終端上登錄“教育資源”及“教學(xué)應(yīng)用”使用，為實驗平臺構(gòu)建了一個資源共建共享、虛實結(jié)合、教研一體的教學(xué)新模式，使理論教學(xué)和實踐教學(xué)相得益章。微門戶還可聯(lián)動微信作為信息發(fā)布平臺，手機(jī)訪問自適應(yīng)，完成課件學(xué)習(xí)、在線考試等任務(wù)。

（2）門戶網(wǎng)站。多學(xué)科無創(chuàng)血壓虛擬仿真項目采用PC和移動端雙入口設(shè)計，充分滿足學(xué)生多樣化學(xué)習(xí)需求；后臺編輯方便，無需專人維護(hù)。

（3）系統(tǒng)的維護(hù)和管理。采用學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)（LMS），一鍵切換線上教學(xué)模式，平臺提供強大且實用的管理功能，使教師組織線上教學(xué)、開展形成性評價等非常容易，極大地減輕教師負(fù)擔(dān)，提升工作效率和教學(xué)效果［17］。①組織教學(xué)。支持多種創(chuàng)建班級形式，文件導(dǎo)入、復(fù)制已有班級、從數(shù)據(jù)庫添加、手動添加等，靈活方便；每個班級的課件、作業(yè)、測驗等情況一目了然；課件靈活發(fā)布［18］。②教學(xué)活動豐富多彩?？砷_展課前、課后測驗；支持線上互動，作業(yè)批改，實驗報告批改等活動；支持PPT、PDF、Word、Mp4、Flash等多種形式的微課學(xué)習(xí)；支持學(xué)習(xí)時長記錄，課件成績自動統(tǒng)計，平時作業(yè)、測驗等可計入期末成績；學(xué)生可對課程、教師進(jìn)行評價［19］。

5 結(jié) 語

虛擬仿真實驗項目按教學(xué)課程體系設(shè)計，提供智能無創(chuàng)血壓儀操作規(guī)范及指南虛擬仿真實驗、腎上腺受體激動劑對習(xí)得性焦慮的易化作用虛擬仿真實驗、藥物對大鼠動脈血壓的影響虛擬仿真實驗實驗項目，知識體系完整，內(nèi)容豐富，系統(tǒng)性強；內(nèi)容設(shè)計科學(xué)，界面友好，操作提示清晰；開放式設(shè)計，課程設(shè)置多條分支，打破傳統(tǒng)固定教學(xué)模式，手機(jī)可以看虛擬課件，支持移動端靈活接入學(xué)習(xí)；虛擬實驗使用SCORM（Sharable Content Object Reference Model）標(biāo)準(zhǔn)課件跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)可計分、可評價。

機(jī)能學(xué)實驗室教學(xué)平臺現(xiàn)在是我校國家實驗教學(xué)示范中心骨干課程，本項目與實操教學(xué)有機(jī)結(jié)合，有力保障了平臺現(xiàn)有基礎(chǔ)基本實驗和融合交叉實驗的順利開出，并滿足創(chuàng)新性實驗和大學(xué)生科技創(chuàng)新項目的需求，以最大限度的培養(yǎng)大學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。