基于多源虛擬仿真教學平臺構建基礎醫學智慧教室*

楊少龍 王運登 王鵬飛 吳陽 孫英武

(鄭州鐵路職業技術學院,河南鄭州 450000)

1 智慧教室的概念

2008年,IBM首席執行官彭明盛首次提出了“智慧地球”的概念。2009年溫家寶總理提出要建設“感知中國中心”,此后物聯網產業被列入國家重點戰略性新興產業,在這樣的背景下智慧城市、智慧交通、智慧社區、智慧家居、智慧校園等新興概念不斷涌現。教育領域中具有智慧技術、智慧應用、智慧管理等特征的“智慧教室”成為新的信息化建設熱點[1]。

智慧教室作為課堂教學的基礎支撐,充分發揮課堂各要素(人、技術、資源、環境和方法等)的作用,實現智慧化的應用服務,達到最優化的教學效果[2-3]。

2 解剖學課堂教學的特征

人的結構和功能極其復雜,而解剖學作為研究人體結構和功能的醫學基礎學科,專業名詞繁難、概念抽象,難以理解記憶。這就需要通過融合圖像、視頻、音頻、文字等各種形式的信息和媒體形式[4-5]。

解剖學作為醫學的基石,如何在教學中體現自然學科和人文社會學科的相互交叉和滲透;如何結合臨床病例,有意識的加入臨床技能,提高學生的觀察能力和實踐能力;如何打破課程間的屏障,實現不同資源的共享互用;如何強化解剖學課堂教學的情境與協作,激發學生學習的主動性和探索能力[6]。

在解剖學教學中推廣智慧教室教學,正是為了解決以上問題,為課堂教學創造互動高效的學習情境。本文在闡明智慧教室概念和空間架構的基礎上,探究在智慧教室中開展解剖學課堂教學的方式及難點,為智慧教室在其它醫學課程教學的全面應用提供參考[7]。

3 解剖學智慧教室的構建

鑒于醫學解剖學課堂教學的特定需求,智慧教室應具備空氣監測和凈化、課堂高清錄像、考勤投票、分組討論、遠程手術直播、互動教學等眾多功能,具體到空間部署上,主要包括以下部分。

3.1 智慧空氣監測和凈化系統

智慧空氣監測和凈化系統能有效解決實驗室的空氣污染問題,確保師生不受有害氣體的傷害,系統由智能空氣監測及顯示系統、智能物聯通排風系統、有害氣體分解凈化系統、中央空調等構成,能夠多系統聯動,克服傳統單一排風系統的弊端,并通過手機APP、中控器實現實驗室空氣質量的遠程監測、空氣管理凈化系統的自動啟停,最大限度的保證室內的空氣質量,通過智能空調系統使實驗室的室內溫度保持在:夏季22℃～28℃,冬季16℃～24℃。

智能空氣監測及顯示系統,安裝有甲醛、PM2.5、臭氧、TOVC、CO等各種有害氣體及溫度、濕度傳感器,使用ModBus RS-485國際標準集成通信協議,可以聯動智能物聯通排風系統、有害氣體分解凈化系統、中央空調,并將空氣質量、氣溫、濕度等信息實時推送到教室大屏及手機A P P 上。

智能物聯通排風系統吊頂式集中于教室頂部,集成的風機轉速控制單元,結合智能空氣監測控制系統,調節和控制控制風機轉速。有害氣體分解凈化系統和智能物聯通排風系統緊密相連,包括:初效金屬塵埃過濾器、HEPA高效空氣過濾網,能夠去除空氣中99%的0.1～0.3μm的塵埃;AIS離子凈化模塊,通過釋放正負離子,分解和去除空氣中的病毒和霉菌;臭氧發生器,能夠釋放臭氧,與空氣中的甲醛發生反應,將甲醛分解成水、氧氣和二氧化碳。

3.2 交互式數字人解剖系統

傳統的醫學課堂教學多采用電腦和投影儀組成的多媒體系統,缺乏交互性,學生課堂活動參與度較低,使用過程中缺乏靈活性,無法滿足多種的教學需求,學習效果不理想[8-9]。

交互式數字人解剖系統安裝在具有多點觸控電容屏的觸控一體機上,電容屏有98寸教師端和65寸學生端兩種型號,具有4K高分辨率的顯示效果,觸控精確,可以進行PPT、圖像、視頻的播放,集傳統掛圖、黑板、計算機、投影儀等多種功能于一身,兼具多媒體教學和傳統黑板的雙重優勢,完美的取代投影儀進行數字化教學。屏幕還可以進行電動升降、0°～90°的傾斜角度調整,實現橫屏和豎屏兩種觀看模式。

系統內置數字人解剖教學系統,教師和學生都可以用手直接對3D數字解剖人進行手動拖拽、三維旋轉縮放、模擬解剖等操作。系統還可以將師生的操作過程和批注內容保存下來,重構后形成新的教學資源,供日后使用。系統還內置了微課視頻、課程PPT、病例庫、自主學習和考試系統等內容,方便學生自學、分組學習與討論。教師可以通過多塊交互式觸摸屏,將各種資源靈活整合,營造一個多屏顯示的協同學習空間,促進小組成員比較、合作開展學習活動[10-11]。

3.3 智能化解剖臺及手術直播系統

實驗室配有可升降的不銹鋼冷凍解剖臺,采用電動齒輪螺柱升降,可以根據解剖時的操作需要,調節解剖臺的高度。解剖臺下面為標本儲藏箱,可以自動設定溫度,最低制冷溫度為-20℃,有效抑制甲醛的揮發,并能夠自動監測甲醛濃度并及時提醒補充,保證了標本的新鮮。每個解剖臺的上方,都配有吊頂式LED無影燈,燈頭一體化拉手設計,可以靈活調整照明方位,實現多種手術照明模式。

無影燈內置高清攝像機,配有32寸液晶顯示器, 解剖過程可實現全程高清晰錄像,通過互動軟件完成各路高清視頻的直播、轉播及網絡點播,滿足課堂開放的需要。通過網絡還可以連通其它學校的智慧教室和醫院手術直播室,便捷直觀的觀摩并進行教學互動,達到身臨其境的效果,是提高學生醫學技能培訓效率的有效途徑。

3.4 課堂教學全自動高清錄播系統

智慧教室的全自動高清錄播系統,采用多機位切換的導播策略,即通過教室中的多個超聲波感應定位球來進行多機位的切換,全自動錄制教師的上課時的場景,大大的減少了人工錄制的工作量。

全自動高清錄播系統有全自動錄播操作臺、全自動錄播編輯機、圖形圖像工作站、自動音頻采集降噪系統,將錄制的視頻,自動生成教學資源,達到教學應用常態化、教學資源價值化的目的。

3.5 無線網絡覆蓋的實時智慧信息管理系統

解剖學智慧教室多系統的大量設備,借助無線網絡進行通信和連接,形成一個簡潔、高效、人性化的使用環境。智能遠端控制和安防系統,通過PC端或手機APP,對實驗室進行遠程監管、控制、預警、保修、數據的存儲和分析。在實驗室門口設置智慧物聯終端,可以通過指紋識別、人臉考勤等方式,控制人員的進出,并通過手機和電腦端進行監控和考勤[12]。

平板電腦或手機移動學習終端,可以通過無線網絡觀看線上直播和點播、課堂實時簽到、文獻檢索、發起投票,實現師生之間、生生之間的高效互動,形成交互開放自然的學習環境。學校教學管理人員也可以通過無線網絡,參與和了解教學的過程和進展[13]。

圖1 基于解剖學智慧教室的理想教學模式示意圖

4 基于智慧教室,探索醫學教學新模式

智慧化教室對于學習環境軟硬件的提升,起到了翻天覆地的作用,可以進行講授性教學、體驗式教學、情景式教學、遠程協同教學等模式,為進行醫學教學改革,探索和實踐前沿和先進的教學模式,提供了可能性及良好的物質基礎。基于智慧教室的教學模式更加注重學生自身主動學習的能力和過程,為了使智慧教室發揮出最佳的效果,我們在教學過程中遵循以下教學理念[14],如圖1所示。

4.1 注重學習的個性化

解剖學智慧教室是一個去中心化的課堂環境,教學形式更加的開放和靈活。因為每個學生的學習基礎、學習能力、學習習慣的差異,課堂教學充分利用各種教學手段,課后通過課堂視頻回放,分析學生的學習情況,提供個性化的學習計劃和引導。

4.2 強化社會化學習能力

解剖學是臨床醫學的基礎,而未來將要成為醫護人員的學生,更加重視知識與技能在臨床工作的運用,自身的協作精神和醫學人文素養。社會化學習就是要強化通過團隊和組織協作,獲取和共享知識的行為及習慣。

4.3 提倡開放式的學習新模式

開放式學習是人類學習的基本形式,是最自然、最基礎的學習形態。開放式學習更加注重學生學習的自由性和自主性,思維更加的開放靈活,創造性更強;學習不受物理空間和時間的限制,隨時隨地的學習;不受學習資源的限制,緊跟科技和社會熱點,根據學習目的需要,自主靈活的選擇學習內容。這種回歸本質的學習模式,使學習像吃飯、睡覺一樣,成為一種必須和習慣,效率最高,效果最持久。

5 結語

課堂教學是學生獲取知識最重要的環節,智慧教室作為一種新型的現代化教學手段,必然會對傳統教學模式、評價模式、教學內容和管理模式等教育環節提新的出挑戰。我們會在今后的課堂教學中不斷摸索和完善,讓智慧教室發揮出更大的作用。