多層次綜合性醫學虛擬仿真實驗教學中心的建設與成效分析

李忠玉, 劉良專, 梁　瑜, 周文化, 何戰勝, 陳　熙

(南華大學 醫學院, 湖南 衡陽　421001)

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多層次綜合性醫學虛擬仿真實驗教學中心的建設與成效分析

李忠玉, 劉良專, 梁瑜, 周文化, 何戰勝, 陳熙

(南華大學 醫學院, 湖南 衡陽421001)

虛擬仿真實驗教學在醫學教育中發揮著重要作用。建立開放、資源共享的綜合性醫學虛擬仿真實驗教學平臺,是培養醫學創新人才的主要途徑。南華大學醫學院通過建設醫學虛擬仿真實驗教學中心,開展了虛擬仿真實驗教學,促進了學生實踐創新能力的培養,提高了教學質量。

醫學教育； 虛擬仿真實驗教學中心； 建設與成效

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要組成部分。教育部發布的《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》明確提出,要加強實踐教學,建設國家級虛擬仿真實訓基地,促進開放共享的虛擬仿真實踐教學環境建設,提示我國虛擬仿真實驗中心的建設進入了規模化、標準化和可持續發展階段。我校以“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”為指導思想,以提高學生創新精神和實踐能力為宗旨,以建設信息化實驗教學資源為重點,積極推進醫學虛擬仿真實驗教學中心的建設,取得了明顯成效。

1　醫學虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性

1.1緩解實驗室條件限制,彌補實驗教學資源不足

在醫學實驗教學中,有些實驗設備昂貴、實驗動物缺少、醫學生物類實驗試劑和耗材價格高[1-2],使一些應該開設的基本的教學實驗項目難以開展,不能滿足實驗教學的需要。醫學虛擬仿真實驗教學中心可通過發揮虛擬仿真技術在實驗教學的優勢,真實模擬昂貴的實驗設備和實驗場景,通過人機交互的方式使學生在虛擬的實驗設備和實驗場景中開展實驗,提供與實際操作相類似的實踐體驗,實現各種預定實驗項目,既彌補教學儀器的不足,節約教育資源,同時也實現了在現實條件下無法開展的實驗教學工作,達到教學互動、資源共享的實驗教學目的[3]。

1.2豐富教學內容,擴展實驗教學時空

開展醫學虛擬仿真實驗,極大地豐富了實驗教學內容。通過借助虛擬仿真技術,對一些具有危險性的場景或者現實中難以實現的實驗進行虛擬仿真,如高致病性微生物實驗、劇毒類物質實驗或放射性物質實驗；有些實驗如心肺復蘇急救、穿刺、插管等臨床技能實驗操作項目不允許學生直接在病人身體上進行,但我們可依托虛擬現實構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象,使抽象知識具體化、形象化和現實化,使學生更好理解并掌握相關知識。

虛擬仿真實驗打破了傳統醫學教學在時間和空間的限制[4-6],學生在任何時間、任何場合都可以進行自主學習,并與教師進行交流互動,并且可在較短的時間內呈現給學生需要較長時間才能觀察的某些變化過程。如微生物學的分離培養與鑒定、病毒的培養過程等,需要1周乃至數周的時間,而利用虛擬仿真技術在一堂課內就可以實現[7]。尤其是對某些細微的、不常見的或難以直接觀察的變化,可以多方位、多維度、多層次地再現出來[8-9],吸引學生有意識觀察,培養學生良好的觀察能力。

1.3激發學生求知欲,增強學生的實踐創新能力

醫學虛擬仿真實驗教學平臺為學生提供全天候的開放式實驗環境,學生可隨時借助平臺,根據自己需求選擇實驗器材、實驗動物和試劑等進行虛擬實驗,使學生從灌輸式被動學習到積極靈活的主動學習[10],極大地激發了學生的求知欲,充分調動學習的積極性與主動性。同時醫學虛擬仿真實驗教學平臺提供了豐富多彩的立體化教學資源和形式多樣的實驗情境,能夠將復雜變簡單,化抽象為具體,將宏觀或微觀的機體結構、形態與機能、生理或病理現象及實驗過程表現得形象生動、逼真,通過人機交互,加強學生對知識的內化和遷移,促進學生形象思維和直覺思維能力的發展[11-12]。通過臨床技能仿真訓練和臨床思維拓展實驗的實踐學習,增強了學生的實踐操作和臨床思維能力,激發學生的創新意識,培養實踐創新能力。

2　多層次綜合性醫學虛擬仿真實驗教學中心的建設

醫學虛擬仿真實驗教學中心下設形態學數字化、機能學、病原生物學與免疫學、臨床技能仿真訓練、臨床思維拓展五個虛擬仿真實驗教學平臺,開設虛擬仿真實驗項目共計111項,其中:形態學數字化虛擬仿真實驗24項,機能學虛擬仿真實驗25項,病原生物學和免疫學虛擬仿真綜合實驗26項,臨床技能仿真訓練平臺教學資源28項,臨床思維拓展平臺教學資源8項。學生可根據實驗項目的要求,通過實驗平臺提供的儀器設備進行配置、連接、調節和使用虛擬實驗儀器開展實驗。

2.1形態學數字化虛擬仿真實驗教學平臺

該實驗教學平臺融合數字圖像處理、計算機圖形學和多媒體技術等多種信息技術,在終端顯示二維平面及三維立體真實可靠的人體正常結構圖像和器官組織內部結構,并可呈現三維動畫,學生可在三維空間里對人體中感興趣的結構進行放大、任意旋轉和平移,使學生清楚地了解人體內部復雜的空間結構關系。同時通過顯微數碼互動教學系統與數字切片進行實物和虛擬圖像對比學習,增強了學生的操作能力,培養了學生的學習興趣。

2.2機能學虛擬仿真實驗教學平臺

機能學虛擬仿真實驗教學平臺將生理學、病理生理學和藥理學有機整合,開設了大氣懸浮顆粒PM2.5-PM15對人體健康傷害、微循環灌流與血流動力學、膜片鉗應用等25項虛擬仿真實驗項目。每項實驗均包含實驗原理、實驗方法、實驗儀器和虛擬實驗操作等內容,學生可選擇合適的實驗動物、儀器和藥物完成虛擬操作過程,虛擬實驗系統可根據實驗過程中產生的各種數據實時記錄,并對實驗結果進行分析和評價。實驗項目充分應用了多媒體豐富直觀的表達形式、將仿真動畫、實驗錄像相結合,增強學生對實驗操作的理解和掌握。

2.3病原生物學與免疫學虛擬仿真實驗教學平臺

該虛擬仿真實驗教學平臺開設了分離培養模擬實驗、培養基的制備模擬實驗、鉤端螺旋體暗視野顯微凝集模擬實驗、陽性釘螺與尾蚴釋放觀察模擬實驗等一系列虛擬仿真實驗。同時根據課程特點,聯系生物安全相關知識,以不同的病原生物對象設為問題,讓學生選擇相應級別的生物安全實驗室進行虛擬操作,將生物安全知識靈活運用于實踐中[13],不僅能拓寬學生的知識領域,而且可以促進學生建立更為完善的生物安全相關知識體系。

2.4臨床技能虛擬仿真訓練實驗教學平臺

臨床技能虛擬仿真訓練包括心肺聽診訓練系統、腹部觸診訓練系統、外傷急救、胸腔穿刺、腰椎穿刺、腹腔穿刺等多種模型,學生可通過模型和計算機軟件實現心臟、胸肺部體格檢查中的擴聽示教、基礎聽診、鑒別聽診；腹部體格檢查中腹部聽診和觸診教學與考核等。軟件中有“心臟聽診病例”80例、“肺臟聽診病例”60例、“腹部觸診病例”43例,心電圖考核圖形約40幅,學生可以在虛擬環境中反復訓練和規范基本操作,實現了早臨床和多臨床實踐,提高了學生臨床技能和思維能力。

2.5臨床思維拓展虛擬仿真實驗教學平臺

該實驗教學平臺采取全方位、多途徑、多形式開放方式,支持學生開展綜合性和創新性實驗,特別是臨床應用、病例討論等實驗項目,加深學生對醫學知識的理解。同時該實驗教學平臺也增加了三維適形及調強放射治療仿真系統,如肺癌放療中正向適形與逆向調強計劃設計、前列腺癌的適形和調強適形放療計劃設計和三維逆向調強適形放射治療計劃的設計和優化等,該系統可根據腫瘤的具體形狀通過仿真模擬放療,最大限度地提高了腫瘤的照射劑量和減少周圍正常組織、器官的照射體積和劑量。

3　醫學虛擬仿真實驗教學中心建設過程與成效

1992年,我校在國內率先將生理學、病理生理學、藥理學課程實驗有機整合成機能學實驗教學平臺,之后將人體解剖學、醫學微生物學等基礎課實驗課程整合形成形態學、病原生物學、臨床技能學等實驗教學平臺。2002年和2003年獲批為中央與地方共建基礎實驗室；2004—2008年分別被評為湖南省實驗教學示范中心；2008年和2010年臨床醫學專業實驗中心和臨床醫學專業基礎實驗中心獲批為中央與地方共建特色優勢學科實驗室；2015年8月被批準為湖南省醫學類虛擬仿真實驗教學中心建設單位；2016年被批準為國家級醫學虛擬仿真實驗教學中心建設單位。

近3年,約有300名學生參與了實驗中心教師的科研項目,并在中心教師指導下積極參加國家級、省級、校級等各類科技創新活動,主持或參與大學生創新性科研項目40余項；撰寫完成SCI、CSCD收錄論文50余篇；參與完成專利設計或醫學儀器制作多項。2015年榮獲“第六屆全國高等醫學院校大學生臨床技能競賽”全國總決賽特等獎；2014年榮獲“第五屆全國高等醫學院校大學生臨床技能競賽”全國總決賽一等獎和“第五屆全國高等醫學院校大學生臨床技能競賽”華中賽區一等獎；2013年榮獲“第四屆全國高等醫學院校大學生臨床技能競賽”全國總決賽三等獎和“第四屆全國高等醫學院校大學生臨床技能競賽”華中賽區一等獎；2012年榮獲“第三屆全國高等醫學院校大學生臨床技能競賽”華中賽區一等獎；“衡陽市第五屆大學生科技創新大賽”二等獎和三等獎各1項。

4　結語

虛擬仿真實驗教學是學科專業與信息技術深度結合的現代產物,是推進高等教育信息化建設的重要組成部分。將虛擬仿真技術應用于醫學教育,突破了傳統的教學方法無法滿足現代醫學發展的需要,具有傳統實驗不可比擬的優越性[12]。南華大學醫學虛擬仿真實驗教學中心秉承“名德博學,求是致遠”的校訓精神,積極探索,勇于創新,不斷完善實驗教學改革,為推動我國醫學高等教育事業不斷向前發展做出了積極的貢獻。

References)

[1] 黃坪,李紅松,潘克儉. 基于MOOC的醫學虛擬仿真實驗室建設探討[J]. 實驗技術與管理,2014,31(12):104-109.

[2] 李媛媛,吳洪娟,劉雨清. 醫學虛擬仿真實驗室的定位及應用前景[J]. 基礎醫學教育,2015,17(4):362-364.

[3] 鄒家柱,程品晶. 高校虛擬仿真實驗室建設總結[J]. 中國電力教育,2014(12):80-81.

[4] 傅舒,王洪志,張微,等. 虛擬仿真技術在中醫學實驗教學中的實踐與探索[J]. 成都中醫藥大學學報:教育科學版,2013,15(4):13-14.

[5] 李軒,隋建峰. 機能虛擬實驗室在基礎醫學實驗教學中的應用體會[J]. 基礎醫學教育,2011,13(10):930-931.

[6] 潘榮斌,陳喬,劉升長，等. 虛擬仿真平臺在中醫類院校基礎醫學實驗教學中的優勢探析[J]. 亞太傳統醫藥,2015,11(24):150-151.

[7] 高蕓. 虛擬現實技術在醫學教育中的應用[J]. 成都中醫藥大學學報:教育科學版,2013,15(3):47-48.

[8] 侯振江,王風玲,李紅巖. 虛擬現實技術在醫學教育中的應用價值[J]. 中國醫學裝備,2014,11(8):70-72.

[9] 周彩根. 虛擬現實技術及其在高等教育領域的應用[J]. 產業與科技論壇,2012,11(18):63-64.

[10] 李光仲,劉俊英,閆鵬,等. 虛擬仿真技術在醫學電子學多媒體輔助教學中的應用研究[J]. 中國醫學教育技術,2009,23(3):290-292.

[11] 馮婭湘,屈剛.運用醫學仿真實驗設備 促進教學質量的提高[J]. 衛生職業教育,2010,28(8):77-78.

[12] 胡曉松,潘克儉,張曉. 依托虛擬仿真實驗教學平臺 促進醫學生實踐創新能力[J]. 中國現代教育裝備,2015(1):6-8.

Analysis on construction and achievement of multi-level comprehensive medical virtual simulation experimental teaching center

Li Zhongyu, Liu Liangzhuan, Liang Yu, Zhou Wenhua, He Zhansheng, Chen Xi

(School of Medicine,University of South China,Hengyang 421001,China)

Medical virtual simulation experimental teaching plays an important role in medical education. To establish an open and resources-sharing medical experiment teaching platform is the main way to cultivate innovative talents. Through the establishment of a virtual simulation experiment teaching center,School of Medicine at Nanhua University has well run a virtual simulation experiment teaching program,promoted the students’ practical and innovative ability and improved the quality of teaching.

medical education; virtual simulation experimental teaching center; construction and achievement

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.058

虛擬仿真實驗教學中心建設

2016-03-03修改日期：2016-05-05

國家級醫學虛擬仿真實驗教學中心項目(教高廳函[2016]6號)；湖南省教育科學“十三五”規劃項目(XJK016AGD005)

李忠玉(1972—),女,湖南郴州,博士,教授,主要研究方向為病原體致病機制

E-mail：lzhy1023@hotmail.com

陳熙(1964—),男,湖南邵陽,教授,南華大學醫學院院長,主要研究方向為高等教育管理.

E-mail：2241332533@qq.com

G451

A

1002-4956(2016)9-0220-03