基于交互式藥理學實驗的虛擬仿真軟件開發

蔡洪濤 黃和 金戈

摘 要：藥理學課程是醫學院校開設的一門重要課程，通過選做經典、實用的實驗，使學生熟悉藥理學實驗的基本操作方法，進一步掌握學習藥理學知識的科學方法和技能。本文以“藥物對家兔動脈血壓的作用”實驗課程為例，介紹使用Auhtorware7開發交互式虛擬仿真軟件所用到的開發方法及使用的交互技術。

關鍵詞：交互式；虛擬；仿真；藥理學

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-0087-03

Development of Virtual Simulation Software Based on

Interactive Pharmacology Experiments

——An example of virtual simulation experiment of“the effect of drugs on arterial blood pressure in rabbits”

CAI Hongtao1，HUANG He1，JIN Ge2

（1.Shenyang Medical College Computer Teaching and Research Office，Shenyang 110034，China；

2.Shenyang Medical College Pharmacology Teaching and Research Office，Shenyang 110034，China）

Abstract：The pharmacology course is an important course offered by medical colleges. By selecting classic and practical experiments，students are familiar with the basic operation methods and skills of pharmacological experiments，and further master the scientific methods of learning pharmacology. This article takes the experimental course“the effect of drugs on arterial blood pressure in rabbits”as an example to introduce the development methods used to create interactive virtual simulation software using Auhtorware7.

Keywords：interactive；virtual；simulation；pharmacology

0 引 言

當前，信息技術的發展帶動教育技術的進步，隨著高性能計算機不斷推出，利用計算機軟件開發醫學課程的實驗虛擬仿真軟件在眾多醫學高校的課程建設中逐漸興起。醫學虛擬仿真實驗軟件在教學實踐中具有安全和高效的特點，學生使用虛擬仿真實驗軟件進行學習能夠得到近乎真實的體驗。藥理學課程是醫學院校開設的一門重要課程，通過選做經典、實用的實驗，使學生熟悉藥理學實驗的基本操作方法，進一步掌握學習藥理學知識的科學方法和技能，驗證藥理學的基本理論，加強對理論知識的理解，從而更牢固地掌握藥理學的基本概念，學習新藥臨床前藥理學研究的方法以及定量藥理學實驗和藥物的檢定方法。藥理學課程實踐教學內容比較完整，但由于其所涉及的相關實驗部分存在風險性，且實驗環境復雜，有些實驗需要保證讓每個學生充分掌握并重復制作，但是在時間和空間上的保障具有較大的難度，對實驗教學難免有一定的影響。因此，在藥理學課程的實驗中，需要通過制作具有交互功能的虛擬仿真實驗軟件，并應用于實踐教學來彌補不足。

1 藥理學課程實踐教學制作虛擬仿真軟件的意義

1.1 倫理學對人的觀念的限制

醫學倫理學要求善待患者，實驗動物倫理學要求善待動物。課程中具有危險性的技能操作不允許學生直接在病人身體上進行，動物實驗也要遵循減少（reduction）、替代（replacement）和優化（refinement）的3R原則。

1.2 實驗條件對使用者的限制

課程實驗中包含高致病性的實驗內容、帶有劇毒類物質的實驗或者放射性的實驗，對實驗開設條件要求高，學生在實驗過程中存在較大的安全風險，因此開設此類實驗的教師會格外擔心。

1.3 實驗成本和資源在現實教學中的限制

很多醫學實驗在進行制作時使用的設備極其昂貴，同時又面臨實驗動物稀少，醫學藥物類實驗試劑和耗材價格過高的情況。有些藥理實驗的對象不僅難得，而且重復使用率低，即便實驗開出，但每組實驗人員過多，并且實驗操作不可逆，所以無法達到預期的教學效果。

1.4 學生制作實驗的時間與空間限制

在藥理學實驗中，如藥物穩定性考察、藥物毒副作用實驗等，實驗時間跨度長達幾個月或者更久，即便能夠進行實驗，但在實驗過程中受各種條件的影響，也會導致學生觀察結果不明顯，獲取實驗相關數據不容易，從而導致教學效果不理想。

綜上所述，在藥理學實踐課程中，開發虛擬仿真實驗供教師和學生使用可以避免一些不利因素，使教師能夠將學生所需的實踐學習內容全部展現出來。

2 藥理學虛擬仿真實驗軟件的總體設計

藥理學課程虛擬仿真實驗軟件開發目的在于醫學實驗中的應用使教學過程的構建高度仿真，具有交互功能的實驗內容能夠還原真實體驗的教學情境。在實踐教學應用中，讓學生先進行虛擬實驗操作，完成相關教學內容的學習后，再進入實際操作，能提高實驗效果，節約資源。藥理學課程虛擬仿真軟件整體設計結構如圖1所示。

圖1 藥理學實驗仿真教學軟件設計結構圖

在開發虛擬仿真實驗軟件時，使用Authorware7作為主要開發工具，它是美國Macromedia公司開發的一種多媒體制作軟件，是一個圖標導向式的多媒體制作工具，開發人員能快速開發多媒體軟件，具有強大的交互功能。它不需要傳統的計算機語言編程，只通過對圖標的調用就可以編輯一些控制程序走向的活動流程圖，將文字、圖形、聲音、動畫和視頻等各種多媒體項目數據匯在一起，可達到多媒體軟件制作的目的。Authorware7通過圖標的調用來編輯流程圖，用以替代傳統計算機語言編程的設計思想，并充分利用其交互功能制作。在人機對話中，它提供了按鍵、按鼠標和限時等多種應答方式，同時還提供了許多系統變量和函數，可以根據用戶響應的情況來執行特定功能。

2.1 虛擬仿真實驗軟件的導航設計

虛擬仿真實驗軟件中的導航設計屬于學習者和虛擬仿真實驗軟件之間的一種個性化交互。實驗仿真的實質是學習的人與虛擬實驗之間的關聯，通過虛擬仿真實驗來掌握基本的原理或者技術。在設計教學內容時，對于抽象的原理、概念及實驗中的各種現象，如果僅僅使用文字進行描述，學生就會缺乏感性認知，而單純依靠教材內容的描述，又會令學生缺乏獨立思考以及探索的能力，逐漸失去學習興趣。

在進行虛擬仿真實驗軟件開發時，首先應著重對課程實踐體系的教學內容進行有目的的課程教學導航設計，以激發學生探索知識的興趣。利用超文本結構組織教學信息的呈現，為學生提供多種學習路徑。超文本是按照人的聯想思維方式，非線性地組織管理信息的一種先進的技術。由于超文本結構信息組織的聯想式和非線性符合人類的認知規律，所以便于學生進行聯想思維。另外，由于超文本結構的信息結構的動態性，學生可以按照自己的目的和認知特點重新組織信息，按照不同的學習路徑進行學習。

藥理學虛擬仿真實驗軟件總計由24個實驗組成，各個實驗的內容相對獨立。對于通識性內容，利用Authorware7的框架圖標進行結構劃分，再由導航圖標進行超文本方式鏈接，構成一個完整的知識體系。例如，“藥物對家兔動脈血壓的作用”的虛擬仿真實驗的設計思路為：首先通過對本實驗的介紹了解在實驗中使用的藥物參數及特性，然后通過相關的微課視頻讓學生看清楚實驗的過程，最后將藥物對家兔動脈血壓的作用效果利用虛擬儀器測量家兔動脈血壓值的曲線變化的仿真實驗，使學生能夠對本實驗內容進行充分學習。“藥物對家兔動脈血壓的作用”虛擬仿真實驗制作框架如圖2所示。

實驗制作框架

2.2 虛擬仿真實驗教學軟件中的多媒體視頻和音頻處理技術及編程技術

藥理學課程虛擬仿真實驗中使用的多媒體素材在設計時使用Adobe Premiere標記來顯示不同格式的視頻和音頻，包括WMV、AVI和MPEG等。為保證軟件的教學效果，視頻使用分辨率在800線以上的高清素材。在進行軟件集成應用時，利用Authorware7的視頻插入功能和交互功能控制視頻和音頻的播放。現有的虛擬仿真實驗開發實現系統遵循面向對象的原理，底層的開發工具通常采用OpenGL圖形庫等，常用的商業化、集成化虛擬仿真環境開發軟件有WTK、Vegas、Virtools、OpenGVS等。可以在虛擬仿真軟件開發過程中加入預先制作好的視頻及動畫素材，在實驗教學過程中利用多媒體視頻及音頻素材直觀、現實的特點，來增強學生在虛擬仿真實驗過程中的互動性。

Authoreare7支持用戶編寫代碼來實現一些功能，利用編程技術可以靈活地完成虛擬仿真部分的制作。例如，在展示藥物對家兔動脈血壓作用時，通過虛擬儀器監控家兔的血壓變化，當注射不同藥物時，家兔的血壓產生動態曲線，這部分的仿真設計的結構如圖3所示。

其核心源代碼如下所示：

yrandom：=Random（3，10，1）

x1：=x1+3

y1：=200+yrandom+h

x2：=x2+3

y2：=250+yrandom+h

2.3 虛擬仿真實驗動態窗口設計

在藥理學虛擬仿真實驗教學過程中使用圖片和動畫等可以動態演示實驗內容。在實驗仿真過程中根據實驗需要提供動態顯示的絕大部分用戶界面的內置支持，用以實現在實驗過程中的交互功能。例如，放大和縮小矩形、更改窗口大小等。在實現過程中融合動畫和編程技術來仿真實驗結果、模擬各種現象和數據的變化過程、虛擬各種實驗儀器的效果和各種實驗現象以及演示一些連續變化系統在各種狀態的改變效果。實驗中涉及的動態窗口的實現方法，可以利用Authorware7提供的熱對象方式或者熱區方式來實現。

例如，熱對象方式在虛擬仿真實驗中涉及的藥物說明的具體制作過程為：首先將虛擬實驗中涉及到的藥品圖片在主界面上按次序進行羅列擺放，每一張圖片為一個熱對象，學生將鼠標移動到圖片上方時，會有相應的提示。學生在操作時，逐一對各個藥品圖片進行點擊，之后會彈出一個動態窗口，用于顯示相關的詳細信息。當學生觀看完畢后，再點擊動態窗口中的任意位置，關閉動態窗口，返回到主界面。

另外，使用熱區域交互可將每個圖片或屏幕的某些部分劃分成不同的區域，當鼠標移動到這些區域上方后，會出現手型圖標進行提示，當使用鼠標點擊后，會彈出一個動態窗口來顯示各個藥品的特性、功效等基礎信息。

動態窗口的使用是在虛擬仿真實驗過程中進行全過程演示時的必要補充，在對實驗內容進行設計時需要從情境窗口、實踐窗口和小結窗口等幾方面進行布局設計，操作過程中使用的各種實驗素材要進行合理規劃，根據場景需要進行調度，最后在屏幕上展示給學生。

2.4 虛擬仿真實驗軟件中微課的應用

微課作為目前流行的一種輔助教學方式在課程教學過程中得到了廣泛的應用。在虛擬仿真實驗軟件的設計中，將實驗過程中的關鍵步驟、藥物實驗對動物的反應作用以及在實驗過程中使用的各種手術視頻等制作成各種類型的微課，集成在虛擬仿真實驗中，增強仿真實驗的逼真程度。學生根據虛擬實驗進行的過程和發生的各種情況以及使用微課進行學習，能夠實現虛擬仿真實驗與真實實驗的同步教學。

利用Authorware7提供的ActiveX加載微課視頻的過程為：首先將微課視頻錄制好，然后將視頻生成wmv格式，用控件方式插入到主程序中。具體步驟如下：首先選擇“插入”菜單，再選擇“控件”選項，選擇ActivcX…，在彈出的窗口中選擇“windows media player”；然后點擊“custom…”，再在彈出的窗口中點擊“瀏覽”，選擇本地硬盤上的微課視頻，調整參數；最后點擊“確定”，完成微課的導入。

3 結 論

藥理學課程實驗虛擬仿真教學軟件在我院2015級臨床醫學本科生藥理學課程實驗教學中進行了應用，取得了比較滿意的教學效果。在教學過程中應用虛擬仿真實驗軟件，一方面能緩解設備更新壓力、提高實驗效率，另一方面能有效地提高學生的興趣，使學生接受更多、更具體、更完整的信息，從而更加深刻地理解實驗內容。

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作者簡介：蔡洪濤（1975-），男，漢族，遼寧沈陽人，教研室主任，副教授，碩士。研究方向：虛擬仿真技術在醫學課程中的應用。