基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建研究

趙 琪, 孫 紅, 孫艷梅, 車鵬程

(華北理工大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 河北 唐山 063000)

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基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建研究

趙 琪, 孫 紅, 孫艷梅, 車鵬程

(華北理工大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 河北 唐山 063000)

華北理工大學(xué)通過營建基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺和多元化的教學(xué)模式,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,增加學(xué)生動手操作的機會,幫助學(xué)生掌握科學(xué)研究的基本過程。開放式網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗平臺和慕課(MOOC)教學(xué)資源豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容和手段,逐漸成為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自助學(xué)習(xí)的重要場所和學(xué)習(xí)方式,能夠突出探究、實踐和創(chuàng)新,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)能力。

基礎(chǔ)醫(yī)學(xué); 虛擬仿真實驗平臺； 實驗教學(xué)改革； 自主學(xué)習(xí)； 研究性學(xué)習(xí)

以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的各種知識學(xué)習(xí)逐漸成為世界教學(xué)發(fā)展的一種趨勢。從2012年起,以美國斯坦福大學(xué)和哈佛大學(xué)為代表的一批知名高校構(gòu)建了MOOC網(wǎng)上教學(xué)形式。基于MOOC的虛擬仿真實驗平臺是信息技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容深度融合的產(chǎn)物,具有安全、開放、共享的特點,在實現(xiàn)校內(nèi)外乃至更大范圍內(nèi)的實驗教學(xué)資源共享,滿足多地區(qū)、多學(xué)校和多學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)需求方面呈現(xiàn)出旺盛的生命力和較強的擴展能力[1-2]。

在應(yīng)對醫(yī)學(xué)教育國際化的進程中,華北理工大學(xué)建立了開放式、共享性的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。該平臺具有先進性、逼真性、完整性、靈活性、針對性和普適性,促進了醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)改革、提升了教學(xué)質(zhì)量[3-4],實現(xiàn)了醫(yī)學(xué)教學(xué)資源集約化建設(shè)。

1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗平臺建設(shè)背景

(1) 網(wǎng)絡(luò)化的教育平臺在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。隨著計算機和網(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,哈佛、耶魯、斯坦福等知名大學(xué)已在互聯(lián)網(wǎng)上提供部分免費課程教學(xué)視頻,中國的網(wǎng)易公司則把這些資源收集起來放在一個公共網(wǎng)絡(luò)平臺上供大家觀摩學(xué)習(xí)。例如,通過這個平臺,任何人都可以在世界各地、任何時間聽到哈佛大學(xué)Michael J. Sandel教授講的“正義”課程。互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為一個巨大的教育平臺。

(2) 全世界保護動物的趨勢。醫(yī)學(xué)本身是一門實驗科學(xué),其理論是建立在醫(yī)學(xué)實驗基礎(chǔ)之上的,實驗是醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握醫(yī)學(xué)知識的重要途徑。但是全世界動物保護的發(fā)展趨勢使得醫(yī)學(xué)教學(xué)中的動物實驗越來越少,這必然需要用另外一種手段來代替,虛擬醫(yī)學(xué)實驗在醫(yī)學(xué)教育中將起到越來越重要的作用[5]。

(3) 實驗室開放的要求。進行醫(yī)學(xué)實驗需要動物、藥品等一系列配套資源,涉及到經(jīng)費和隨時變更的資源要求。因此,醫(yī)學(xué)實驗室對學(xué)生開放相對較難,而虛擬醫(yī)學(xué)實驗可以做到隨時隨地開放。

(4) 醫(yī)學(xué)實驗需要直觀展現(xiàn)。醫(yī)學(xué)實驗需要技術(shù)和經(jīng)驗,因此一直存在著傳、幫、帶的教學(xué)模式,需要大量實驗和實踐。對于實踐操作的學(xué)習(xí),模擬是非常重要的一個環(huán)節(jié),通過交互的動畫展示更有利于學(xué)生對實驗操作的學(xué)習(xí)和掌握。

(5) 教育部在高校推行虛擬仿真實驗教學(xué)。教育部在全國開展“國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心”的認(rèn)定和建設(shè)工作,要求虛擬仿真實驗教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù),構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象。學(xué)生進行虛擬仿真實驗?zāi)軌蜻_到教學(xué)大綱要求的教學(xué)效果[6-8]。

2 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)目標(biāo)

(1) 實現(xiàn)學(xué)生隨時隨地的學(xué)習(xí)。整個平臺以Internet為基礎(chǔ)構(gòu)建,持有注冊賬號的學(xué)生可以隨時隨地學(xué)習(xí)平臺上提供的相關(guān)醫(yī)學(xué)課程。

(2) 構(gòu)建豐富、完整的醫(yī)學(xué)知識體系。充分利用平臺的良好展示功能,將完整的醫(yī)學(xué)知識體系置于網(wǎng)絡(luò)上,便于學(xué)生的學(xué)習(xí)和實踐。虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容包括機能學(xué)實驗、形態(tài)學(xué)實驗、人體解剖學(xué)實驗、分子生物學(xué)實驗、PBL教學(xué)等模塊(見圖1)。

圖1 豐富完整的知識體系

(3) 學(xué)習(xí)內(nèi)容易于擴展的框架結(jié)構(gòu)。平臺構(gòu)建完成之后,可以展示學(xué)校的特色科研成果，教師還可以將自己拓展的醫(yī)學(xué)知識上傳到平臺供學(xué)生學(xué)習(xí)(見圖2)。

(4) 追蹤每位學(xué)生學(xué)習(xí)情況。利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的交互操作,跟蹤記錄每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,了解和掌握虛擬實驗中心的使用情況,真正起到促進學(xué)生學(xué)習(xí)的目的。

(5) 積極申請省級虛擬仿真實驗教學(xué)中心項目。華北理工大學(xué)力圖通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè),讓教師善用虛擬仿真實驗教學(xué)方法,提高實驗教學(xué)效果,為申請省級虛擬仿真實驗教學(xué)中心奠定基礎(chǔ)。

(6) 節(jié)約實驗費用,提高學(xué)習(xí)效率。去除繁瑣的實驗準(zhǔn)備工作,節(jié)省人力資源；減少實驗動物的使用、試劑的消耗、實驗器材的損耗。此外,還要充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。

(7) 實現(xiàn)資源共享。開放部分網(wǎng)上課程內(nèi)容,根據(jù)需要做到教學(xué)資源與社會共享。

華北理工大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗平臺包括系統(tǒng)管理平臺和虛擬仿真平臺兩部分。

3 系統(tǒng)管理平臺建設(shè)項目和內(nèi)容

系統(tǒng)管理平臺由學(xué)生管理、教師管理、實驗室管理員、系統(tǒng)管理員等模塊組成。

圖2 易于擴展的框架結(jié)構(gòu)

3.1 學(xué)生管理模塊的功能

(1) 普通知識:是對社會公眾開放的知識,不需要登錄即可以訪問；

(2) 模擬實驗:醫(yī)學(xué)不同分支學(xué)科、不同實驗室的模擬實驗,請求某個模擬實驗要傳入線索信息,例如“基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院→機能實驗室→心血管實驗→動脈血壓調(diào)節(jié)”；

(3) 專業(yè)知識:專業(yè)知識可以是針對某些學(xué)科理論性強的專業(yè)知識,需要登錄才可以訪問；

(4) 實驗預(yù)約:預(yù)約后可以到實驗室進行實驗(屬于實驗室管理模塊的功能)；

(5) 作業(yè)提交:主要指實驗作業(yè)的網(wǎng)上提交；

(6) 作業(yè)反饋:教師批改作業(yè)后反饋給學(xué)生；

(7) 在線考試:進行某種理論知識或?qū)嶒灆C能的在線考試；

(8) 登錄:以自己的賬戶登錄到虛擬仿真實驗系統(tǒng)；

(9) 使用記錄:記錄學(xué)生的使用次數(shù)和使用時間,給教師提供反饋。

3.2 教師管理模塊的功能

(1) 添加內(nèi)容:教師可以添加理論知識或是虛擬實驗,理論知識一般使用一個頁面進行表達,通常不分支；而虛擬實驗則比較復(fù)雜,通常含有分支的功能,即每一個虛擬實驗可能有若干個具有層次性的頁面構(gòu)成；

(2) 布置作業(yè):給學(xué)生布置理論或?qū)嶒炞鳂I(yè)；

(3) 批閱作業(yè):對學(xué)生提交的作業(yè)進行網(wǎng)上批閱；

(4) 在線答疑:對學(xué)生在網(wǎng)上提出的問題進行解答；

(5) 在線考試:組織在線考試,包括考試組題、啟動考試、閱卷等項工作。

3.3 實驗室管理員模塊的功能

(1) 添加設(shè)備:添加一個實驗設(shè)備到數(shù)據(jù)庫；

(2) 刪除設(shè)備:當(dāng)實驗設(shè)備報廢后從實驗室刪除該設(shè)備；

(3) 設(shè)備使用記錄:記錄日常設(shè)備使用情況；

(4) 應(yīng)答實驗預(yù)約:回復(fù)學(xué)生提出的實驗預(yù)約；

(5) 實驗室排課:安排實驗室的實驗課程(如果在學(xué)校層面已經(jīng)安排,則變?yōu)轭A(yù)留功能)；

(6) 信息發(fā)布:實驗室各種信息的對外發(fā)布；

(7) 學(xué)習(xí)統(tǒng)計:統(tǒng)計學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

3.4 系統(tǒng)管理員模塊的功能

(1) 學(xué)校管理:維護學(xué)校主頁,維護學(xué)校獨有的信息(例如學(xué)校自己制作的理論知識網(wǎng)頁,虛擬實驗?zāi)K等)；

(2) 用戶管理:用戶管理包括用戶添加、編輯、刪除等,對于每一個用戶都有一個角色,而每一個角色都具有一定的權(quán)限(例如學(xué)生用戶可以使用學(xué)校購買的資源)；

(3) 系統(tǒng)維護:包括軟件升級,硬件更換等；

(4) 數(shù)據(jù)管理:包括數(shù)據(jù)的添加、編輯和刪除；

(5) 數(shù)據(jù)備份:對有效數(shù)據(jù)進行備份。

4 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)內(nèi)容

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的教學(xué)資源建設(shè)是重中之重。在繼承華北理工大學(xué)原VBL-100醫(yī)學(xué)機能虛擬實驗系統(tǒng)中包含的多項實驗?zāi)K的基礎(chǔ)上,擴展了虛擬標(biāo)準(zhǔn)化病人+PBL教學(xué)臨床思維案例、病原微生物學(xué)、細(xì)胞分子學(xué)、生物化學(xué)、解剖學(xué)等多個虛擬仿真實驗教學(xué)模塊。教學(xué)內(nèi)容的選擇,不但注重知識的完整性,而且注重發(fā)揮虛擬實驗的特殊性,實現(xiàn)人機交互,實現(xiàn)難于在現(xiàn)實中完成的高成本實驗操作[9-10]。

4.1 機能學(xué)實驗?zāi)K

設(shè)置有心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)和骨骼肌系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、藥物實驗室6個模塊,展示37個實驗項目。

4.2 形態(tài)學(xué)實驗?zāi)K

圖片庫由基本組織、神經(jīng)系統(tǒng)、眼和耳、循環(huán)系統(tǒng)、皮膚、免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、消化管、消化腺、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等12部分組成。

實驗操作包括組織標(biāo)本切片和染色技術(shù)、顯微鏡成像原理、流式細(xì)胞檢測技術(shù)、生物芯片技術(shù)、免疫組織化學(xué)技術(shù)、原位雜交組織化學(xué)技術(shù)、干細(xì)胞技術(shù)、體外受精及其衍生輔助生殖技術(shù)、醫(yī)學(xué)寄生蟲學(xué)常用技術(shù)匯總、微生物學(xué)常用技術(shù)匯總、免疫學(xué)常用技術(shù)匯總、細(xì)胞生物學(xué)常用技術(shù)匯總、陰道毛滴蟲、杜氏利什曼原蟲等14類實驗技術(shù)。

4.3 人體解剖學(xué)實驗?zāi)K

設(shè)置了3D模擬人體解剖和圖片庫兩個模塊。圖片庫涵蓋運動系統(tǒng)、內(nèi)臟學(xué)系統(tǒng)、脈管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)。

4.4 人體虛擬實驗?zāi)K

設(shè)置人體心電圖描記、人體血壓測量及影響因素、人體心音、人體呼吸運動的描記及影響因素、人體肺功能的測量、人體腦電圖描記、人體肌肉反應(yīng)、人體肌電、反射與反應(yīng)時間、人體感覺實驗、人體眼動電、人體泌尿系統(tǒng)實驗等12個模塊,展示44個實驗項目。

4.5 實驗動物模塊

實驗動物介紹包括大鼠、小鼠、豚鼠、裸鼠、金黃地鼠、蟾蜍、家兔、犬、獼猴、貓。

實驗動物基本操作包括實驗動物編號、實驗動物插管技術(shù)、實驗動物注射給藥、實驗動物捉拿方法。

4.6 實驗儀器模塊

包括生理儀器、藥理儀器和其他儀器,共展示27種儀器設(shè)備。

4.7 分子生物學(xué)實驗?zāi)K

(1) 基本操作:包括細(xì)菌培養(yǎng)、電泳檢測DNA、酶切及分析鑒定；

(2) 感受態(tài)細(xì)胞的制備:包括總DNA提取、質(zhì)粒DNA提取、PCR、質(zhì)粒載體和外源DNA的連接反應(yīng)、克隆的篩選和快速鑒定；

(3) 總RNA提取及熒光定量PCR:包括總RNA提取、逆轉(zhuǎn)錄(RT)、熒光定量PCR；

(4) 蛋白提取及免疫蛋白實驗:包括總蛋白的提取及濃度測定、SDA-PAGE電泳、轉(zhuǎn)膜過程。

4.8 PBL教學(xué)模塊

PBL教學(xué)模塊設(shè)置了3個情境案例,包括遺傳性球形紅細(xì)胞貧血——小男孩的皮膚為什么會發(fā)黃；失血性休克病情發(fā)展討論——兩個戰(zhàn)士的不同；高血鉀性周期麻痹——一個小女孩的遭遇。

5 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的優(yōu)勢是:能夠讓學(xué)生隨機、隨時、盡興地進入實驗狀態(tài),有利于提高學(xué)習(xí)興趣；基于網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)學(xué)實驗平臺易組建、內(nèi)容豐富且易擴展；虛擬仿真實驗項目具有成本低、安全和可重復(fù)的優(yōu)點,更易于開放共享。網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)模式為學(xué)生提供了可移動的電子教學(xué)場所,教學(xué)不再局限于有形的實驗室中,教學(xué)活動的空間和時間得到了極大擴展[11-12]。同時,可以借助虛擬仿真實驗教學(xué)平臺推進課程整合、PBL/CBL教學(xué)和MOOC建設(shè)。因此,無論是在提高實驗教學(xué)質(zhì)量方面,還是在降低教學(xué)成本方面,基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)都具有重要的現(xiàn)實意義。

References)

[1] 張振虹,劉文,韓智.從OCW課堂到MOOC學(xué)堂:學(xué)習(xí)本源的回歸[J].現(xiàn)代遠程教育研究,2013(3):20-27.

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Research on construction of virtual simulation experimental teaching platform for basic medical sciences

Zhao Qi, Sun Hong, Sun Yanmei, Che Pengcheng

(School of Basic Medical Sciences, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China)

Through the construction of the virtual simulation experimental teaching platform for basic medical sciences and the diversified teaching mode, the students’ learning interest is stimulated，and the students’ hands-on opportunities are increased, helping them to master the basic process of scientific research. The experimental teaching contents and means are enriched by the open network of the virtual simulation experimental platform for basic medical sciences and MOOC teaching resources, which has gradually become an important place and the way for the students to learn independently and autonomously, focusing on the exploration, practice and innovation and improving the students’ ability of autonomous learning and research-oriented learning.

basic medical sciences; virtual simulation experimental platform; experimental teaching reform; autonomous learning; research-oriented learning

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.033

2016-05-26

河北省教育教學(xué)改革研究項目(2015GJJG290,2016GJJG303)；華北理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目(z1408-08)；華北理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目(Z1212-12)

趙琪(1965—),男,河北唐山,本科,高級實驗師,實驗室主任,主要研究方向為實驗教育教學(xué)管理

E-mail：xsum1@hotmail.com

車鵬程(1970—),男,河北景縣,博士,教授,碩士研究生導(dǎo)師,副院長,研究方向為教育教學(xué)管理.

E-mail：3725930@163.com

G642;R-4

A

1002-4956(2016)11-0135-04