在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用

王晉 高麗

摘 要： 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以計(jì)算機(jī)操作和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于學(xué)生更系統(tǒng)，更形象的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的想象力，并全面提高教學(xué)實(shí)驗(yàn)水平。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1003-9082（2016）07-0240-02

機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)是通過復(fù)制人類某些疾病的動(dòng)物模型，以生物正常的生理機(jī)能和疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制以及藥物的作用規(guī)律為研究內(nèi)容，將生理學(xué)、病理生理學(xué)和藥理學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化、整合并重組后形成的一門全新的實(shí)驗(yàn)性學(xué)科[1]。我校機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)室組建于2006年，通過近十年的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不斷的更新教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法，其構(gòu)建了由驗(yàn)證性、綜合性和設(shè)計(jì)性三個(gè)層次構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并形成具有自已教學(xué)的特色和模式。然而，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，教育也在發(fā)生著深刻的變化[2]。傳統(tǒng)的機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于受到多種因素的制約，如：師資力量、實(shí)驗(yàn)場地及儀器設(shè)備等，已經(jīng)無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展則成為解決上述問題的新的契機(jī)，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的迫切需要。

一、機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)面臨的問題

一直以來，機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)都是在實(shí)驗(yàn)室中完成的，包括實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備（實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、器械儀器、藥品試劑等）、手術(shù)操作過程以及觀察項(xiàng)目的實(shí)施等，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展中其面臨的問題也日益突出。

1.實(shí)驗(yàn)成本高、損耗大

機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中所用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（蟾蜍、大鼠、家兔等）數(shù)目龐大，某些實(shí)驗(yàn)設(shè)備造價(jià)昂貴（如微循環(huán)觀察中的圖像分析系統(tǒng)），實(shí)驗(yàn)器械儀器種類繁多，且易損壞（如手術(shù)器械、換能器、神經(jīng)屏蔽盒、心電導(dǎo)線等），造成了機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)的高成本、大耗損。

2.手術(shù)復(fù)雜，成功率低

機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均為活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，手術(shù)過程復(fù)雜且操作難度大，如動(dòng)物的麻醉、家兔動(dòng)脈插管、靜脈插管、失血性休克中失血量的控制、高鉀血癥中K+量的控制等。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中大多是第一次接觸某些實(shí)驗(yàn)技術(shù)，操作的不規(guī)范或失誤往往會(huì)造成實(shí)驗(yàn)的失敗。

3.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限、學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少

由于場地、設(shè)施、學(xué)時(shí)、師資等因素的，某些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法開展，如需要配套顯微鏡的休克實(shí)驗(yàn)中血管的微循環(huán)現(xiàn)象，需要使用有毒物質(zhì)的缺氧實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通常是分組進(jìn)行，有限的動(dòng)物、有限的場地、有限的時(shí)間無法滿足每位學(xué)生都能夠動(dòng)手操作，造成某些學(xué)生無法完全參與到實(shí)驗(yàn)中。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

面對以上的問題，我校組建了機(jī)能學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通過采用虛擬仿真技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，以人機(jī)互動(dòng)的方式，使學(xué)生像在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣通過運(yùn)用各種虛擬器械設(shè)備對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行虛擬操作，從而完成各項(xiàng)預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不受場地、對象及藥品試劑的制約。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)的開展，其在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢也得到深刻體會(huì)。

1.可以減少實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)

虛擬實(shí)驗(yàn)中，所有的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、藥品試劑、手術(shù)器械等可以自動(dòng)復(fù)原、無限使用，不僅節(jié)約了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，降低耗材以及大型儀器的費(fèi)用，也減少了建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的成本經(jīng)費(fèi)。

2.具有優(yōu)良的可替代性和豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

對于某些在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無法開展的高耗能、高成本、高危的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如需要使用有毒氣體的缺氧實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，無需考慮安全性、成本高低、實(shí)驗(yàn)對象等。虛擬實(shí)驗(yàn)中有上百個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生都可以通過觀看視頻，動(dòng)手參與，反復(fù)練習(xí)，還可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)度結(jié)合自身的實(shí)際情況，自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，極大程度地豐富了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅能夠加深學(xué)生對知識(shí)的理解鞏固、同時(shí)還大大拓寬學(xué)生的知識(shí)面。

3.能夠增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)

虛擬實(shí)驗(yàn)一人一機(jī)單獨(dú)開展，可以反復(fù)進(jìn)行、反復(fù)修改，增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，保證實(shí)驗(yàn)方法的掌握。此外，學(xué)生可以在覆蓋區(qū)域內(nèi)的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)終端訪問該系統(tǒng)，隨時(shí)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，足不出戶便可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，徹底打破了機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制。學(xué)生可以主控實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，使自己處于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主導(dǎo)地位。

4.具有趣味性

虛擬實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用大量的三維立體圖片、動(dòng)畫及視頻音頻素材，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，任意選擇實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、藥品器械。動(dòng)態(tài)的、非固定的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲粌H具有趣味性，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦能力和創(chuàng)新性思維能力。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的局限性

盡管虛擬實(shí)驗(yàn)具有上述諸多優(yōu)勢，可以解決學(xué)生增多與實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、設(shè)備、場地短缺的矛盾，而且虛擬實(shí)驗(yàn)的形象、直觀、生動(dòng)、交互性，及其在展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)的強(qiáng)大表現(xiàn)力都是真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法比擬的，但是虛擬實(shí)驗(yàn)也有其局限性，無法完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

第一， 機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科， 培養(yǎng)的是學(xué)生的基本理論、基本知識(shí)、基本技能的掌握。而虛擬實(shí)驗(yàn)只是模擬了真實(shí)場景，在培養(yǎng)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)和動(dòng)手能力方面比較薄弱。

第二， 機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)注重學(xué)生分析解決問題能力的培養(yǎng)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)多種異?，F(xiàn)象或故障，學(xué)生需要探索問題的所在。排除故障，解決實(shí)驗(yàn)中的各種問題以保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。而虛擬實(shí)驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)上述情況。

第三， 傳統(tǒng)的機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師的示教是重要環(huán)節(jié)，直觀，真實(shí)，深刻，講解全面，而在虛擬實(shí)驗(yàn)中，即使是模擬真實(shí)場景，但其仍舊與真實(shí)場景處在巨大差異，無法做到身臨其境。

第四， 機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)注重學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)，為以后的臨床工作奠定基礎(chǔ)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過程也是小組成員協(xié)同合作、默契配合、相互幫助、相互欣賞的過程，而虛擬實(shí)驗(yàn)的一人一機(jī)模式無法達(dá)到此種效果。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相輔相成

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)正處于初步發(fā)展階段，在仿真性、立體性、交互性等方面仍有很長的路要走。在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)注重虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與動(dòng)手操作的真實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，優(yōu)劣互補(bǔ)，提高實(shí)驗(yàn)的成功率和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，從而更好地服務(wù)于培養(yǎng)高質(zhì)量、高素質(zhì)的醫(yī)學(xué)人才的目標(biāo)。

綜上所述，根據(jù)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，我們將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與學(xué)生動(dòng)手操作的真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，做到了與虛實(shí)結(jié)合，提高了學(xué)生的對實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)的興趣和實(shí)驗(yàn)的成功率。就目前來講，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，更加進(jìn)一步地拓寬了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的適用范圍，不僅為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課考試，而且也為師生互動(dòng)提供了更加便利的條件，在當(dāng)今有效的教學(xué)資源和教師資源，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)極大地提高教學(xué)質(zhì)量，更好地服務(wù)于學(xué)生，把培養(yǎng)高質(zhì)量醫(yī)學(xué)人才作為目標(biāo)[3]。

參考文獻(xiàn)

[1]陳麟東.淺析醫(yī)學(xué)機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)中仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013，8：84-85.

[2]陳長秀.基于 matlab 的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析[J].輕工科技， 2012（1） ： 29.

[3]吳青鳳，江帆，龍?jiān)?機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2013，30（9）：170-172.