基礎醫學虛擬仿真實驗教學中心的建設與實踐

劉克敏, 孫藝平, 戴淑芳, 穆靖洲, 朱 亮, 徐 靜, 宮德正, 徐 紅

(大連醫科大學 基礎實驗教學中心, 遼寧 大連 116044)

基礎醫學虛擬仿真實驗教學中心的建設與實踐

劉克敏, 孫藝平, 戴淑芳, 穆靖洲, 朱 亮, 徐 靜, 宮德正, 徐 紅

(大連醫科大學 基礎實驗教學中心, 遼寧 大連 116044)

虛擬仿真實驗教學能有效降低實驗成本、擴大受益面、解決優質實驗資源共享等問題。文章從分析建設虛擬仿真實驗教學中心的背景和意義入手,結合大連醫科大學虛擬仿真實驗教學中心的建設經驗,圍繞自主學習平臺、4A網絡教學和數字網絡教學資源建設,對目前虛擬仿真實驗教學中心結構內容、系統功能、建設中存在的相關問題進行探討。

基礎醫學； 虛擬仿真； 實驗教學； 教學平臺

以網絡為基礎的各種知識學習逐漸成為世界教學發展的一種趨勢,從2012年起,以美國斯坦福大學和哈佛大學為代表的一批知名高校構建了MOOC形式的網上教學形式[1]。2014年8月,教育部高教司下文在全國構建國家級虛擬仿真實驗教學中心,從國家政策上給予網絡化的虛擬實驗仿真技術發展提供支持[2]。醫學是一門實驗科學,其理論是建立在醫學實驗基礎之上的,實驗也是醫學生學習和加深掌握醫學知識的重要途徑,但是全世界動物保護意識的發展趨勢使得在學生實驗中的動物實驗越來越少。進行醫學實驗需要動物、藥品等一系列配套資源,醫學實驗室對學生開放也相對較難。而醫學實驗本身是技術和經驗性質的,虛擬醫學實驗對于實踐操作的學習將起到越來越重要的作用[3]。虛擬仿真實驗教學將虛擬實驗作為實體實驗的有益補充,可突出最新生物學實驗技術在基礎醫學上的應用,突破時空局限及成本高、周期長、易造成環境污染、具有疫病傳播風險等限制,同時可節省大量的動物。學生能隨時隨地在虛擬環境中開展實驗活動,提高學生的自主學習和實踐能力[4]。

1 基礎醫學實體教學和實驗中的制約問題

基礎醫學是醫學生的必修課程，包括藥理學、生理學、病理生理學、解剖學、寄生蟲學、微生物學、免疫學、分子生物學、組織胚胎學等，各個學科均由理論課程和實驗教學課程組成，是每個醫學生基礎階段學習的主干課程，這段時間的學習直接影響后期臨床課程和科研實訓。但是鑒于醫學知識復雜難懂，有些實驗無法及時完成，并且在真實實驗室很難對學生開展，在一定程度上影響了創新型、復合型人才的培訓。

(1) 時間較長,短期無法在實驗室完成的實驗。一些長期毒性實驗,實驗時間一般以月計,需要長期觀察實驗的發生、發展過程和動物形態變化，而學習任務繁重的本科教學不可能完成這類實驗,學生很難理解這樣的實驗過程,影響了教學效果。

(2) 危險程度高的實驗。一些特殊病毒實驗、放射性物質實驗,需要專業的場地和人員指導才能完成,并且受到國家管制,學生獨立操作會造成不可避免的危險和安全事故,因此在普通院校開展難度較大。

(3) 受制于經費和動物倫理學。某些儀器十分昂貴,比如流式細胞儀、共聚焦顯微鏡等,不可能讓每個本科學生去操作和熟悉儀器,還有部分留學生因宗教信仰原因不能殺生,而且消耗大量動物的實驗也不符合動物保護“3R原則”。

(4) 操作困難,手術復雜的實驗。常規的電生理實驗、離體心臟灌流實驗等,操作難度太大,高級實驗工程師也需要長期的練習才能順利完成,學生不可能在短期做出實驗結果,在很長時期內無法理解這類型的實驗原理和實驗結果。

(5) 流失已久的實驗技術。大量經典寄生蟲實驗,由于許多經典的蟲體缺失以及一些寶貴的技術手法失傳而無法開設。在現代社會根本無法采集到相關的寄生蟲進行實驗操作,許多優秀的經典實驗技術也隨著人員流失無法傳承,因此需要利用視頻和虛擬仿真技術將這些珍寶留存下來。

(6) 現實中難于實現的綜合性實驗。一些疾病可能涉及臨床醫學、基礎醫學、預防醫學、法醫學等,此類跨學科復雜問題的分析與討論在現實中很難完成。

2 虛擬仿真實驗教學中心的建設

為了解決上述實體教學和實驗中的問題,我校在2014年開始構建“基礎醫學虛擬仿真實驗教學中心”(下簡稱中心)。中心伴隨著基礎醫學實驗教學改革而建立和發展,以“學科融合、資源共享”為建設理念,依托大連醫科大學“國家級基礎醫學實驗教學中心”,堅持“以虛補實,虛實結合”的實驗教學原則,圍繞自主學習平臺建設、4A網絡教學和數字網絡教學資源臺建設,構建了基礎醫學虛擬仿真實驗平臺[5]。平臺包括豐富的教學資源內容和完善的平臺管理后臺2部分。

2.1 虛擬仿真實驗中心結構

中心由機能學實驗中心、解剖學實驗中心、形態學實驗中心、病原學實驗中心、生物化學實驗中心、實驗儀器及實驗動物中心構成,面向全部學生,貫穿基礎醫學院本科教育全過程。

2.1.1 機能學實驗中心

機能學實驗中心教學覆蓋生理學、藥理學、病理生理學等方面的內容,立足于國家級虛擬仿真實驗教學中心遴選要求,包括60余個實驗項目。虛擬仿真實現模擬實驗操作過程,配置高清的實驗視頻,學生自主探索實驗結果、觀察實驗結果變化,同時學生還能進行虛擬仿真的模擬考試、記錄筆記、向教師提出疑問并獲得反饋。實驗項目選擇真實實驗平臺無法開展或高危險的實驗,大型、綜合的實驗,成本高、資源(包括能源和試驗原材料)消耗大、污染嚴重的實驗等。

典型實驗一： “自主設計實驗：家兔血壓調節”。該類型實驗過程中,模擬學生獨立進入科研,給予學生一筆科研經費,學生根據實驗需求自行購買動物、購買藥品、選擇實驗室中已有的儀器,設計實驗方案,書寫實驗流程,最終完成實驗。根據學生的操作過程,后臺數據庫自主評價學生的科研思維能力和設計能力。

典型實驗二：“家兔失血性休克”。消耗大量的家兔和藥品,觀察實驗結果的時間一般大于4 h,要完整地觀察整個實驗比較困難。通過高清的實驗錄像,學生可以學習正確的實驗操作手法；通過對簡介、原理的學習,學生可以知道更多的實驗知識；在計算機上隨時隨地完成模擬仿真操作,學生能更詳細地了解實驗過程；最后通過仿真實驗波形操作,學生給予不同的藥物組合搶救,觀察可能出現的血壓波形變化,結合相關原理,能更加深刻地學習和理解“家兔失血性休克”。

典型實驗三：“離體心肌細胞動作電位記錄和收縮力同步記錄”實驗。學生手術難度太大,只能通過一些演示幫助學生了解實驗過程。通過該實驗的模擬操作、動畫原理展示,動畫波形展示,學生可以學習難懂的電生理實驗方法和基本的電生理參數選擇,熟悉取出豚鼠乳頭肌的手術方法。

2.1.2 分子生物學實驗中心

分子生物學實驗使用的儀器和試劑比較繁雜,本科學生實際操作的難度較大,導致進入研究生課程后對分子生物學實驗知之甚少,因此對本科生進行必要的分子生物學實驗技術教學十分必要。普通課堂講解相關知識點,一般都比較枯燥難懂,不能進行實際操作,導致學習效果不良。因此輔助用以虛擬仿真的分子生物學實驗技術教學,能起到很好的教學效果,有助于學生科研前培訓。

典型實驗四：“流式細胞儀測定網織紅細胞”實驗。流式細胞儀比較昂貴,幾乎不可能用于學生實驗,可以提前讓學生了解該儀器及一些基本原理。

典型實驗五：“聚合酶鏈式反應PCR”實驗。學生在未進入科研之前很難進行這樣的實驗,通過虛擬仿真實驗進行科研實訓,學生可以不用考慮昂貴的儀器和試劑,獨立完成實驗流程,學到相應的知識,以后則更容易進入科研狀態。

2.1.3 形態學實驗中心

形態學虛擬仿真實驗教學平臺包含病理學和組織胚胎學切片,總計195張切片,每張切片包含4倍、10倍以及40倍不同放大倍數下的圖像。目前虛擬顯微鏡系統正逐步應用于形態學的實驗教學和病理學診斷,方便學生學習切片內容和識別不同病理切片[6-7]。

形態學教學標本學習系統以自主創新研制的三維立體數字化標本和數字切片網絡呈現技術為主,其中三維立體標本可實現旋轉、縮放；數字切片可模擬顯微鏡觀察進行移動、縮放等互動操作,并根據學生學習要求提供描述、診斷、查詢等功能。

2.1.4 病原學實驗中心

在病原學虛擬仿真實驗模塊中,還包含一些在現實教學條件下難于采集的標本和難以實現的實驗項目,比如“陰道毛滴蟲的染色鏡檢”；還有些是高危險的實驗,比如“埃博拉病毒的實驗診斷”“艾滋病毒的實驗診斷”等。這些實驗學生無法獨立完成,通過虛擬實驗來展現可以達到較好的效果。同時把一些常規的、優秀的基礎實驗技能,比如“飽和鹽水漂浮法”“厚涂片透明法”“硫酸鋅離心浮聚法”等通過虛擬的方式永久地保存下來,供科研工作者和學生使用[8]。

經典實驗六：“陰道毛滴蟲的染色鏡檢”實驗。該實驗過程普通學生幾乎不可能參與。學生通過實驗簡介和原理的學習,了解到陰道毛滴蟲的生存生長環境,取樣方法以及檢查方法,本實驗流程是涂片染色法,其余幾種寄生蟲染色方法在其他實驗中介紹和模擬。學生仿真模擬實驗過程,并且在實驗最后可以了解到陰道毛滴蟲的外形特征等知識。經過一系列的學習過程,學生理解了從基礎到臨床實驗的一個銜接過程,有助于學生綜合臨床思維和科研思維。

經典實驗七：“埃博拉病毒的實驗診斷”實驗。根據時事熱點制作相關的教學項目,讓學生學習病毒的發生、發展過程,尤其是學習到埃博拉病毒的外形和超強致病力。

2.1.5 解剖學虛擬實驗中心

解剖學虛擬仿真實驗中心包含大量器官的文字圖片展示,及用圖片制作成的Flash動畫文件(SWF)。通過人機對話,學生能夠“身臨其境”地觀察實驗現象,并進行高度仿真標本的“實際”操作。該系統不僅能有效地解決解剖尸源不足、標本缺乏的問題,而且節省了重復實驗所帶來的成本和費用[9]。

2.1.6 實驗動物、實驗儀器中心

實驗動物中心模塊中包含了實驗動物的編號方法、實驗動物的插管技術、實驗動物的注射給藥、實驗動物的捉拿方法、實驗動物介紹,還對實驗中常用的家兔、蟾蜍和犬等實驗動物作了詳細介紹。實驗儀器展館包含了生理和藥理實驗中常用實驗儀器,從原理和模擬操作2方面進行了詳細的講解。

2.1.7 應用效果

(1) 以系統為中心的教學。全面解析藥物的各個層面,打破學科界限,使片面的知識系統化。

(2) 培養學生自主學習能力。觀察、綜合分析、創新思維能力。拓展實驗項目,使得不常見的實驗在虛擬實驗中定制完成。

(3) 信息量大大增加。將虛擬仿真與網絡技術相結合,資源開放共享,訪問無時空限制。

(4) 內建題庫系統。提供在線自測,為學生的自我鞏固學習提供一個良好的自學平臺。

(5) 由真實實驗轉為虛擬仿真實驗。反復操作,節約成本、人力和物力,無場地、時間等的限制。

2.2 虛擬仿真實驗中心功能

開展虛擬仿真實驗教學,需要通過虛擬實驗教學管理系統向學生、教師、教務管理員和系統管理員提供實驗教學管理功能。師生通過教學論壇進行互動,學生可將實驗中的經驗、教訓、收獲和問題在論壇上發布,教師可將實驗中的不足提出來,師生共同探討。教師從中可以得到及時的實驗教學反饋信息,以便調整實驗教學的進度和深度。學生也可從中吸收別人的經驗,快速提高自己的能力[10]。

(1) 學生：選課、選擇實驗、開展實驗、接受實驗指導、在線提交實驗報告、保存和提交實驗結果、查詢實驗成績和批語。

(2)教師：典型實驗庫維護、發布實驗、安排實驗、批改實驗報告、自動批改、智能指導、統計并發布學生的實驗成績和批語。

(3) 教務管理員：課程計劃、開課計劃、選課日期設置、開課審核、開課查詢。

(4) 系統管理員：用戶管理、分組管理、角色管理、權限管理、系統維護等。

2.3 虛擬仿真實驗教學中心的管理體系

(1) 組織保障。成立專門虛擬仿真教學中心工作機構,加強校內外各單位和部門的工作協調。加強對各教學環節的質量監控,以及協調、檢查和督導工作。

(2) 制度保障。建立健全虛擬仿真教學中心人才培養標準體系、教學大綱、實習大綱和教學日歷,科學規范教學運行、學生遴選、學籍管理、畢業標準和教師評聘與考核等管理制度。

(3) 管理規范。成立“虛擬仿真教學中心”工作小組,由主管教學校長擔任組長,基礎醫學院主管教學院長擔任副組長,成員由機能學實驗室主任、形態學實驗室主任、人體解剖學實驗室主任、企業高級管理人員組成。負責虛擬仿真教學計劃、課程方案的制訂和組織實施,確保各主要項目實踐教學環節的質量。

2.4 虛擬仿真實驗教學中心的特色與創新

2.4.1 以虛補實,虛實結合

虛擬中心在保證正常基礎醫學學科教學、臨床前培訓、科研前實訓3個層次的真實教學和實驗教學的基礎上,大力開展多學科的虛擬仿真實驗,著力解決實際基礎醫學教學和實驗過程中遇到的幾種限制因素：

(1) 長時程實驗,短期無法完成,比如長期毒性實驗；

(2) 高危險實驗,比如病毒、放射性物質實驗；

(3) 受制于動物倫理和經費不足等原因,比如昂貴儀器和大量損失動物實驗；

(4) 操作困難,手術難度復雜,比如電生理實驗；

(5) 流失已久的實驗技術,比如大量經典寄生蟲實驗；

(6) 現實中難于實現的綜合性實驗,比如結合臨床醫學、基礎醫學、預防醫學、法醫學等跨學科復雜問題分析與討論；

(7) 某些實驗只能在虛擬平臺開展。

2.4.2 特色內容創新

結合多年教學經驗和臨床經驗,開發出新型的教學模式。

(1) 以器官為中心的教學模式,符合醫學生學習醫學科學的規律,以虛擬人為框架,從胚胎學、細胞生物學、遺傳學、解剖學、組織學、病理學等各學科闡述器官的各個方面,打破常規的學科界限,大跨度學科整合,構建完整的知識體系。

(2) 基于病例的基礎—臨床相結合模式,先給出病例,提出問題,以病例為橋梁,以正常解剖和組織學為對照,學生通過病理標本觀察,解釋病例,自主解答問題,提高學習興趣,盡早接觸臨床,使學生牢固樹立“學以致用”的醫學學習理念。

(3) 科研應用于教學,設計的20個實驗項目均為整合性或設計性項目,由此派生出來更多的綜合性實驗項目。

2.4.3 技術先進,與時俱進

與軟件和網絡企業合作,融合了虛擬人、數字切片和網絡技術的最新科研成果,與國際上流行的PBL教學異曲同工,并與國際醫學教育接軌。醫學專業與IT技術結合研發革命性的教學方式,教學與臨床診療緊密結合,學以致用,科研促進教學培養創新型人才,形成良性循環。任意移動終端均可訪問虛擬中心,學習平臺資源,管理平臺內容,完成考試等,最大限度地拓展學生自主學習的時間和空間。有監督、有交互的學習。在資源開放、不受時空限制學習的同時,管理學生的學習過程,達到最好的學習效果。

3 結語

隨著虛擬仿真實驗教學中心的建設和發展,我們將不斷擴大資源共享的范圍,計劃將向國內其他高校和社會提供優質的實驗實訓資源,并以專業平臺的方式收集資源庫,把這些資源庫采用虛擬的方式向兄弟院校和社會提供共享[11-12]。

開放共享訪問網址：http://112.124.28.48:9978

References)

[1] Waldrop M M. The Virtual Lab [J]. Nature,2013(18): 268-270.

[2] 教育部.教育部關于開展高等學校實驗教學示范中心建設和評審工作的通知[EB/OL].http://old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s7946/201409/xxgk_174614.html.

[3] 王曉迪.虛擬仿真實驗教學中心建設中八項關系的理解與探討[J].實驗技術與管理,2014,31(8):9-11.

[4] 劉克敏,孫藝平,徐 靜,等.醫學機能學大學生創新能力培養的探索與實踐[J].實驗室科學,2016,19(1)：135-137,141.

[5] 張宏穎,孫藝平,曹婧,等.基礎醫學國家級實驗教學示范中心的建設實踐[J].實驗技術與管理,2015,32(12):150-154.

[6] Paulsen FP,Eichhorn M,Brauer L. Virtual microscopy-The future of teaching histology in the medical curriculum? [J].AnnAnat,2010(192):378-382.

[7] 高航,陳霞,程丕顯,等.病理學虛擬實驗教學系統的建設與應用[J].中國高等醫學教育,2013(4):65-68.

[8] 洪龍.北京大學微生物學實驗課模塊化教學的探索[J].微生物學通報,2014,41(4):744-747.

[9] 徐曉麗,志敏,洪濤,等.談在解剖實驗教學中網絡虛擬實驗系統的構建及應用[J].教育探索,2012(11):78-80.

[10] 周世杰,家成,王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育,2015(9):5-11.

[11] 胡今鴻,李鴻飛,黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[J].實驗室研究與探索,2015,34(2):140-144,201.

[12] 厲英超,米琛,賈皚,等.虛擬仿真教學平臺在臨床醫學教學中的應用[J].臨床醫學研究與實踐,2016(10):122-123.

Construction and practice of experimental teaching center with basic medical virtual simulation

Liu Kemin, Sun Yiping, Dai Shufang, Mu Jingzhou, Zhu Liang, Xu Jing, Gong Dezheng, Xu Hong

(Basic experimental teaching center,Dalian Medical University,Dalian 116044,China)

Virtual simulation experiment teaching can effectively reduce the experimental cost,widen the beneficial scope,and solve the problem of high quality experimental resource sharing. Starting from the background and significance of the construction of virtual simulation experiment teaching center,combined with the construction experience of virtual simulation experiment teaching center of Dalian Medical University, around the construction of autonomous learning platform,4A network teaching and digital network teaching resources, this paper discusses the current structure of the experimental teaching center of virtual simulation,system function and the existing problems in the construction.

basic medical science； virtual simulation； experimental teaching； teaching platform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.056

2016-10-20 修改日期：2016-12-08

2016年度遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目立項“機能學虛擬仿真實驗平臺建設對醫學生實踐能力培養的探索”(UPRP20160391)

劉克敏(1972—),女，遼寧大連,碩士,講師,研究方向為運動生理學

E-mail：l_k_m@126.com

孫藝平(1961—),女、遼寧大連,博士,教授,實驗室主任,研究方向為神經生理學.

E-mail：yiping_sun@sina.com

G642.0；R319

B

1002-4956(2017)4-0221-04