虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

石新麗，唐飛羽，孫夢(mèng)雯，劉景利

(1.河北中醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，河北 石家莊 050200;2.河北醫(yī)科大學(xué) 河北省重大疾病的免疫機(jī)制及干預(yù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050017;3.四川大學(xué) 華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610041； 4.白求恩醫(yī)務(wù)士官學(xué)校 醫(yī)學(xué)技術(shù)系，河北 石家莊 050081)

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵

虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是早在1989年由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的Wolf教授提出的，用來(lái)描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室綜合利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計(jì)算機(jī)生成的逼真的三維虛擬環(huán)境中，并能夠通過(guò)語(yǔ)言、手勢(shì)等自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互[1-4]。利用計(jì)算機(jī)，再加一套虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，實(shí)現(xiàn)“以虛代實(shí)”、“以軟代硬”，就相當(dāng)于建立了一個(gè)擁有先進(jìn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室。用計(jì)算機(jī)虛擬儀器設(shè)備可以進(jìn)行設(shè)備參數(shù)測(cè)定、操作練習(xí)[3]，將冗長(zhǎng)枯燥的教學(xué)過(guò)程改進(jìn)為“簡(jiǎn)單虛擬實(shí)驗(yàn)—簡(jiǎn)單實(shí)物實(shí)驗(yàn)—復(fù)雜模擬實(shí)驗(yàn)—綜合性實(shí)物實(shí)驗(yàn)”這一循序漸進(jìn)的過(guò)程，不但增強(qiáng)教學(xué)趣味、簡(jiǎn)化知識(shí)體系，同時(shí)也得以確保教學(xué)資源的優(yōu)化與共享[3]。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究和應(yīng)用廣受研究機(jī)構(gòu)和軟件供應(yīng)商的重視。早在1995年，互聯(lián)網(wǎng)上便出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”實(shí)驗(yàn)，“實(shí)驗(yàn)者”可以用虛擬手術(shù)刀層層分離青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織。

目前，國(guó)際上具有代表性的生物、醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室有：霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所(Howard Hughes Medical Institute，HHMI)開發(fā)的細(xì)菌鑒定實(shí)驗(yàn)室、心臟病實(shí)驗(yàn)室、免疫實(shí)驗(yàn)室、神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室等；諾貝爾基金會(huì)(Nobel Foundation)開發(fā)的虛擬生化實(shí)驗(yàn)室[1]。

國(guó)內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)起步要晚一些，與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距，但發(fā)展較快，目前已有部分高校初步建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室和各類虛擬教學(xué)系統(tǒng)[5]。

2003年初，第一軍醫(yī)大學(xué)完成了國(guó)內(nèi)首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集。醫(yī)生可以為虛擬病人模型進(jìn)行手術(shù)，并可以利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。手術(shù)實(shí)際進(jìn)展的圖像也可通過(guò)機(jī)器人攝像機(jī)實(shí)時(shí)傳遞并與虛擬病人疊加，以便醫(yī)生實(shí)時(shí)掌握手術(shù)情況，發(fā)出手術(shù)指令[6]。

第二軍醫(yī)大學(xué)生理學(xué)教研室從20世紀(jì)90年代開始，對(duì)生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步探索，對(duì)“蛙心灌流”、“哺乳動(dòng)物血壓調(diào)節(jié)”以及“動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制和記錄方法”等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了成功的模擬，并先后在國(guó)內(nèi)生理學(xué)界的交流會(huì)上獲得好評(píng)。近年來(lái)，他們對(duì)原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行升級(jí)，初步建成了機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室[1,7]。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

隨著對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究的深入和技術(shù)的完善，虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有了更多的應(yīng)用，并開始出現(xiàn)在各大研究機(jī)構(gòu)中[8-9]。一些虛擬實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中已比較成熟、具有一定代表性并有較高的關(guān)注度。

3.1 虛擬解剖

虛擬三維人體解剖學(xué)展示系統(tǒng)使用虛擬三維技術(shù)進(jìn)行人體解剖學(xué)標(biāo)本的演示，在清晰度、質(zhì)感、素材輸入難易度上全面超越了常規(guī)三維建模方法制作的電子標(biāo)本。三維動(dòng)畫相對(duì)于傳統(tǒng)二維圖片，具有立體直觀、使用方便、無(wú)損耗、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，在人體解剖教學(xué)及醫(yī)學(xué)科普教育中有良好的應(yīng)用前景。

3.2 虛擬診斷學(xué)

以多媒體編程技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用語(yǔ)義識(shí)別、TTS發(fā)音、動(dòng)態(tài)圖形識(shí)別和多種音視頻素材，構(gòu)建一個(gè)仿真的臨床技能培訓(xùn)和診斷思維環(huán)境，采取人機(jī)交互方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。虛擬診斷技術(shù)具有創(chuàng)新性、交互性、智能性、仿真性、開放性和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，用于訓(xùn)練和培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生、研究生和青年醫(yī)師，有助于增強(qiáng)診斷學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、提高學(xué)生的積極性和自主性、培養(yǎng)與學(xué)生臨床技能和思維能力。

3.3 虛擬切片系統(tǒng)

傳統(tǒng)的組織切片存在數(shù)量龐大、不易儲(chǔ)存和查找不便等弊端，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中很不方便。運(yùn)用虛擬切片系統(tǒng)，將組織切片轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的信息，并從中挑選形態(tài)學(xué)科中結(jié)構(gòu)典型的組織切片信息，即可將制作成的虛擬切片存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，按不同學(xué)科和章節(jié)分庫(kù)保存，并且建立相應(yīng)的虛擬切片庫(kù)。虛擬切片庫(kù)在方便教學(xué)的同時(shí)，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了資源共享，增進(jìn)了師生互動(dòng)。

3.4 虛擬胚胎學(xué)教學(xué)

胚胎發(fā)育過(guò)程相對(duì)抽象復(fù)雜，是醫(yī)學(xué)生理解的難點(diǎn)。應(yīng)用虛擬胚胎學(xué)教學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在課堂上的具體展示，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)人胚胎發(fā)生與早期發(fā)育的全過(guò)程，解決因?qū)嶋H教學(xué)中對(duì)孕婦和胎兒進(jìn)行跟蹤研究不便的教學(xué)難點(diǎn)，并且可以在很短的時(shí)間內(nèi)將完整生理過(guò)程呈現(xiàn)出來(lái)。

3.5 虛擬手術(shù)教學(xué)系統(tǒng)

虛擬手術(shù)是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)建立一個(gè)虛擬環(huán)境，并借助該環(huán)境的信息進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃制訂、手術(shù)演練、手術(shù)教學(xué)、手術(shù)技能訓(xùn)練、術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等工作。學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)手術(shù)前準(zhǔn)備、手術(shù)全過(guò)程以及手術(shù)后治療等。虛擬手術(shù)教學(xué)系統(tǒng)使教學(xué)與臨床結(jié)合得更緊密，以更高的質(zhì)量完成教學(xué)任務(wù)。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

虛擬實(shí)驗(yàn)室具有明顯的低成本、高效率、功能全等優(yōu)點(diǎn)，足以彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的不足，因而廣受高校和研究機(jī)構(gòu)推崇。

4.1 自由度大

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往會(huì)因?yàn)榻虒W(xué)經(jīng)費(fèi)短缺、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足、實(shí)驗(yàn)課時(shí)限制等原因，使一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法開展。學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以不受時(shí)間和場(chǎng)所的限制，甚至可以利用網(wǎng)絡(luò)化手段提高效率[10]，使得以前無(wú)法開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得以充分開展。學(xué)生足不出戶便可完成多項(xiàng)操作，豐富感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，從而大大激發(fā)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高自主學(xué)習(xí)能力[11]。

4.2 節(jié)省投入

節(jié)省投入包括2方面：一是可以節(jié)省學(xué)校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的投入；二是可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)器材維護(hù)方面的投入。目前許多高等院校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面均存在經(jīng)費(fèi)投入不足的問(wèn)題，而虛擬實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備功能的充分發(fā)揮。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)資源共享，避免大型、貴重儀器設(shè)備的重復(fù)購(gòu)置[12]。

4.3 安全系數(shù)高

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，由于操作不當(dāng)或者其他原因，學(xué)生人身安全和儀器設(shè)備的安全都受到潛在威脅，甚至有可能造成嚴(yán)重?fù)p失。例如：在低壓電路實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樵匣W(xué)生疏忽大意，會(huì)發(fā)生短路、電流過(guò)大的情況而損壞儀器或芯片；在各種較高電壓的實(shí)驗(yàn)中，也存在設(shè)備漏電、學(xué)生觸電的可能性。采用虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)則可以避免此類事故的發(fā)生[12]。

4.4 提高了教學(xué)效果

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中緩慢過(guò)程的快速化或快速過(guò)程的緩慢化。相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)中單一、被動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)⒚總€(gè)實(shí)驗(yàn)操作最大程度地進(jìn)行仿真，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的圖像、文字、聲音以及動(dòng)畫等各種因素融為一體，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性。學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)可自行設(shè)計(jì)探索性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能力、實(shí)驗(yàn)思維能力和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力[11]。

4.5 可延續(xù)性

根據(jù)教學(xué)改革的需求，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需要不斷再設(shè)計(jì)和補(bǔ)充，其他的計(jì)算機(jī)技術(shù)也可能需要重新開發(fā)，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)良好的二次開發(fā)性能夠很好地適應(yīng)這些變化。設(shè)計(jì)人員只需要將新的實(shí)驗(yàn)建模后放入虛擬實(shí)驗(yàn)室即可，這在很大程度上解決了重新開發(fā)導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問(wèn)題[13]。

5 虛擬實(shí)驗(yàn)室的局限性

虛擬實(shí)驗(yàn)室雖具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在某些局限性，所以在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中不可以完全取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室的局限性體現(xiàn)在以下3方面。

(1) 設(shè)備參數(shù)測(cè)試與實(shí)物測(cè)試有差別，模擬實(shí)驗(yàn)不能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)[3]。

(2) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)屬于新興計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種，要求教師具有較專業(yè)的計(jì)算機(jī)技能，而醫(yī)學(xué)專業(yè)教師主要側(cè)重于教學(xué)能力的培養(yǎng)和教學(xué)方法的探索，兩者有時(shí)不能得到統(tǒng)一。如何實(shí)現(xiàn)兩種能力的有機(jī)組合，又發(fā)揮專業(yè)技能優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題[13]。

(3) 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并通過(guò)合作解決問(wèn)題。對(duì)于較復(fù)雜的自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生能對(duì)課本知識(shí)融會(huì)貫通，提高動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力；要求多位學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作，明確分工。而虛擬實(shí)驗(yàn)室是對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的三維重現(xiàn)，只包含已經(jīng)建模并輸出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，難以模擬具有創(chuàng)新性的自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[13]。

6 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常存在實(shí)驗(yàn)保障和儀器維修方面的局限性，且很多學(xué)校存在辦學(xué)基礎(chǔ)薄弱、經(jīng)費(fèi)不足、實(shí)驗(yàn)器材有限、教學(xué)方式單一等問(wèn)題，極大地影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。虛擬實(shí)驗(yàn)室作為新興的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究的平臺(tái)，擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不可比擬的優(yōu)勢(shì)，且正在逐步應(yīng)用于各大研究機(jī)構(gòu)。但關(guān)于虛擬醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的理論研究基礎(chǔ)仍顯薄弱，其固有的局限性也使教學(xué)效果大打折扣。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展需要揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，輔助完成教學(xué)計(jì)劃、充實(shí)信息交流平臺(tái)，培養(yǎng)更多的有實(shí)踐能力的創(chuàng)新型人才。

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