小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件的構(gòu)建及其在教學(xué)中的應(yīng)用

劉 蘇，盧宏濤，張榮佳，韓 玲*

（1.海軍軍醫(yī)大學(xué)航海醫(yī)學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 200433；2.海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍醫(yī)學(xué)系海軍營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)教研室，上海 200433）

0 引言

小動物活體成像技術(shù)利用熒光素酶基因或熒光報(bào)告基因等標(biāo)記細(xì)胞或DNA，通過高靈敏度的成像檢測系統(tǒng)和圖像處理軟件，可直接觀察和監(jiān)測活體動物體內(nèi)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移、基因表達(dá)、藥物作用等生物學(xué)過程[1-2]。該技術(shù)具有靈敏度高、檢測快、直觀、無毒、無放射性、易于操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠等優(yōu)勢，在醫(yī)學(xué)研究、生命科學(xué)及藥物開發(fā)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3-4]。小動物活體成像儀（Bio-Real，Quick View3000）是我校航海醫(yī)學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心使用率較高的大型儀器之一，在我校科研及教學(xué)工作中發(fā)揮著重要作用。我校航海醫(yī)學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心自2016年開始于每年秋季學(xué)期開設(shè)小動物活體成像技術(shù)應(yīng)用與操作研究生選修課，目前這門課程已經(jīng)納入我校研究生選修課中的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。這是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)掌握小動物活體成像儀的使用與操作，并利用已掌握的系統(tǒng)知識解決科研工作中遇到的問題。作為一門大型儀器操作使用的培訓(xùn)課程，實(shí)驗(yàn)課擔(dān)負(fù)著重要角色，在授課中占有較大比重。因此，必須加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，才能將教師機(jī)械地傳授理論知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生積極主動地探索實(shí)踐，從而提高學(xué)生的動手能力和專業(yè)水平[5]。

本課程傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是教師集中講解小動物活體成像儀的組成、使用方法、技術(shù)要點(diǎn)并進(jìn)行操作演示，再安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作。我校2020年秋季學(xué)期共有7名一年級研究生選修該門課程，但僅有1臺小動物活體成像儀，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率不高，難以滿足全體學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。徐召等[6]將虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)應(yīng)用于小動物活體成像儀的培訓(xùn)中，構(gòu)建了虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，但是該培訓(xùn)系統(tǒng)需要在專業(yè)的VR實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，對場地和設(shè)備都有較高的要求。本文構(gòu)建小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件，本軟件可在手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)或者計(jì)算機(jī)等終端上直接使用，克服了時(shí)間和空間的限制，能幫助學(xué)生更好地理解與掌握小動物活體成像儀的操作與應(yīng)用，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，拓寬學(xué)生的科研思路，提升學(xué)生的科研能力。

1 小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件的設(shè)計(jì)

小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件整體場景真實(shí)模擬整個小動物活體成像儀的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，學(xué)生可以置身于較逼真的場景中進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作。本軟件包括背景知識、儀器簡介、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和課后鞏固4個模塊。在背景知識模塊，學(xué)生需要學(xué)習(xí)小動物活體成像技術(shù)相關(guān)的理論知識，包括小動物活體成像儀的結(jié)構(gòu)、原理等基礎(chǔ)理論知識的要點(diǎn)。儀器簡介模塊將以視頻的形式讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)室內(nèi)整個儀器的組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M模塊將模擬小動物活體成像儀的操作過程，即進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室—開啟小動物活體成像儀—小動物的麻醉—實(shí)時(shí)顯示控制—生物發(fā)光成像/熒光成像（若需去除背景干擾、多熒光目標(biāo)分離則進(jìn)行熒光多光譜分離）—圖像處理—關(guān)閉小動物活體成像儀（如圖1所示）。最后一個模塊是課后鞏固，當(dāng)學(xué)生完成虛擬實(shí)驗(yàn)操作后，可以通過這些習(xí)題對知識點(diǎn)和操作注意事項(xiàng)進(jìn)行回憶和鞏固。

圖1 小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件操作流程圖

2 小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件的實(shí)現(xiàn)

小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件的開發(fā)是利用MAYA、3D Max等軟件搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，構(gòu)建儀器、動物等模型，通過三維建模的方式制作出模型的雛形，添加模型貼圖，渲染三維素材，獲得逼真的實(shí)物效果圖[如圖2（a）～（b）所示]。場景中的實(shí)驗(yàn)儀器均按照真實(shí)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行建模，可展示儀器的細(xì)節(jié)，學(xué)生能夠身臨其境地參與到整個實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，可以感性認(rèn)知實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容和相關(guān)知識。二維虛擬實(shí)驗(yàn)中的儀器、操作界面、習(xí)題界面等素材是運(yùn)用SAI、AI、Photoshop、Flash和數(shù)字繪圖工具繪制，所有素材全為二維矢量素材[如圖2（c）所示]。再結(jié)合Flash Max、Flash Builder、ActionScript 2.0、ActionScript 3.0以及Unity3D等高級程序語言來進(jìn)行交互式動作的設(shè)計(jì)，比如麻醉裝置旋鈕的調(diào)節(jié)、暗箱門的打開與關(guān)閉等。所有動畫過程均為交互式動畫，學(xué)生可以觸屏或使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊完成動畫交互過程。

圖2 小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件的制作過程

小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，支持網(wǎng)頁界面操作方式，可在手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)或者計(jì)算機(jī)等終端上使用瀏覽器直接打開，無需下載，克服了早期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由于軟件的限制而不能夠廣泛使用的弊端。本軟件可與本中心的網(wǎng)站進(jìn)行無縫對接，通過本中心的網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和共享，支持系統(tǒng)管理員、教師、學(xué)生使用不同的身份登錄軟件，完成班級組建、課件學(xué)習(xí)以及考核評價(jià)等所有與該課件相關(guān)的教學(xué)功能。

3 小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件的功能模塊

3.1 背景知識模塊

背景知識模塊包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理2個部分[如圖3（a）所示]。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖切枰獙W(xué)生掌握小動物活體成像儀的系統(tǒng)構(gòu)造和操作過程，熟悉小動物活體成像儀的成像原理。實(shí)驗(yàn)原理部分介紹了小動物活體成像技術(shù)的分類、幾種小動物活體成像技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較、生物發(fā)光和熒光2種光學(xué)成像技術(shù)的原理、小動物活體成像儀的系統(tǒng)構(gòu)造及重要部件電荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）的原理。

3.2 儀器簡介模塊

儀器簡介模塊是一段實(shí)體實(shí)驗(yàn)室儀器的介紹視頻，主要介紹了小動物活體成像儀由暗箱、計(jì)算機(jī)和氣體麻醉系統(tǒng)組成，以及氣體麻醉系統(tǒng)的使用和暗箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[如圖3（b）所示]。本著“虛實(shí)結(jié)合”的原則，這部分加入了實(shí)體儀器的視頻，學(xué)生配合實(shí)體儀器視頻的觀看和學(xué)習(xí)，可以加強(qiáng)對儀器組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的實(shí)體感性認(rèn)識。

3.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)M模塊

實(shí)驗(yàn)?zāi)M模塊是整個軟件的核心內(nèi)容，涵蓋了小動物活體成像儀操作過程中的9個實(shí)驗(yàn)步驟[如圖3（c）所示]。從進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室查看實(shí)驗(yàn)室內(nèi)陳列開始，開啟小動物活體成像儀和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟件，然后對小動物進(jìn)行氣體麻醉，將麻醉后的小動物放入暗箱中，通過計(jì)算機(jī)中的軟件系統(tǒng)調(diào)整好保溫臺溫度和最佳視野。此時(shí)，根據(jù)個人實(shí)驗(yàn)需要選擇生物發(fā)光成像模式或熒光成像模式，2種成像模式都需要設(shè)置參數(shù)后進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，在熒光成像模式中如果需要去除背景干擾和進(jìn)行多熒光目標(biāo)的分離則需要進(jìn)行熒光多光譜分離。圖像數(shù)據(jù)采集結(jié)果出來后需要進(jìn)行保存和處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉小動物活體成像儀和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。整個模擬實(shí)驗(yàn)過程中共設(shè)置約60個交互操作，包括儀器的開機(jī)與關(guān)機(jī)、氧氣瓶和麻醉裝置的調(diào)節(jié)、軟件參數(shù)的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的保存與處理等。在模擬實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生可以按順序逐步完成實(shí)驗(yàn)，也可以在界面左側(cè)調(diào)節(jié)進(jìn)度條，直接跳到想要學(xué)習(xí)的步驟。

3.4 課后鞏固模塊

課后鞏固模塊列出了與實(shí)驗(yàn)原理和操作注意事項(xiàng)相關(guān)的習(xí)題[如圖3（d）所示]，題型主要有選擇題和填空題，考核內(nèi)容涉及儀器的組成、氣體麻醉劑的選擇、CCD溫度的調(diào)節(jié)等知識點(diǎn)。當(dāng)學(xué)生回答錯誤時(shí)界面會給出正確答案提示，借此幫助學(xué)生理解和強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)操作過程中需要掌握和注意的知識點(diǎn)。

圖3 小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件的各模塊界面圖

小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件具有學(xué)習(xí)和考核相結(jié)合的模式，既可供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，也可以進(jìn)行考核評價(jià)，使教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。學(xué)習(xí)模式中會有文字等引導(dǎo)提示，可以幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作，尤其是關(guān)鍵步驟的操作注意事項(xiàng)，會用醒目的提示表示出來，便于學(xué)生在操作時(shí)把握使用技巧，當(dāng)出現(xiàn)操作錯誤時(shí)也會出現(xiàn)提示。而考核模式會根據(jù)設(shè)置的知識點(diǎn)自動判分，記錄學(xué)生學(xué)習(xí)成績，結(jié)束時(shí)給出考核評價(jià)結(jié)果（如圖4所示）。

圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)結(jié)果

4 小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件的教學(xué)效果

小動物活體成像技術(shù)應(yīng)用與操作課程共30課時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)課為14課時(shí)，占比接近50%。為了保證每個學(xué)生都能夠動手操作儀器，安排6課時(shí)用于學(xué)習(xí)儀器操作，其余8課時(shí)用于實(shí)驗(yàn)動物模型成像檢測，基本以教師操作和講解為主。整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程只能保證學(xué)生學(xué)會儀器的基本操作，難以讓學(xué)生將所學(xué)知識與自己的科研工作相結(jié)合，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科研思維和科研能力。

小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件自2020年10月研發(fā)成功以來，迅速投入教學(xué)實(shí)踐中。以2020年秋季學(xué)期選修小動物活體成像技術(shù)應(yīng)用與操作課程的研究生為授課對象，將小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

4.1 課前預(yù)習(xí)

課前預(yù)習(xí)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生在這個環(huán)節(jié)中需要熟悉實(shí)驗(yàn)的基本過程和實(shí)驗(yàn)儀器的操作。傳統(tǒng)的課前預(yù)習(xí)過程中，學(xué)生只能通過教材學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識，難以形成深刻的印象。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作比靜態(tài)的文字更加直觀，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)效果。在課前，教師安排學(xué)生通過計(jì)算機(jī)、手機(jī)或平板計(jì)算機(jī)登錄本中心的網(wǎng)站對小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)背景知識模塊、儀器簡介模塊，對小動物活體成像儀有一個系統(tǒng)的了解，之后模擬操作小動物活體成像儀并進(jìn)行考核。學(xué)生完成考核后將考核評價(jià)結(jié)果發(fā)送給教師，可以幫助教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并對課程內(nèi)容做出及時(shí)調(diào)整。在進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行儀器操作課程前，所有學(xué)生考核結(jié)果均已達(dá)到90分以上。

4.2 課中教學(xué)

通過本軟件的學(xué)習(xí)和探索，學(xué)生已經(jīng)對整個儀器操作有了一個基本的認(rèn)識，課堂教學(xué)轉(zhuǎn)向以學(xué)生為主體。學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識實(shí)際操作儀器并提出自己的困惑和想法，教師在旁指導(dǎo)并針對學(xué)生的問題及前期掌握的學(xué)生學(xué)習(xí)情況有針對性地進(jìn)行教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在課堂中進(jìn)行激烈的討論。這樣不僅可以使學(xué)生在課程上更加輕松自如，增強(qiáng)學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)興趣，而且可以縮短學(xué)習(xí)儀器操作的課時(shí)數(shù)，將更多的實(shí)驗(yàn)課時(shí)用于實(shí)驗(yàn)動物模型成像檢測。學(xué)生結(jié)合自身的科研工作設(shè)計(jì)并制作實(shí)驗(yàn)動物模型，在課堂上分享自己的科研思路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師和其他學(xué)生可以給出自己的想法和建議。

4.3 課后鞏固

實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，如果學(xué)生覺得自己的操作不夠熟練，可以到本軟件上進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，查漏補(bǔ)缺，并將考核評價(jià)結(jié)果發(fā)送給教師，教師針對學(xué)生的問題再單獨(dú)進(jìn)行交流解答。另外，本中心的網(wǎng)站上還可以開設(shè)討論組，供教師和學(xué)生進(jìn)行互動、交流、答疑。

4.4 課程考核

課程結(jié)束后，教師可以對小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件的考核評價(jià)結(jié)果進(jìn)行匯總，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程量化，為過程性考核提供可靠依據(jù)。教師結(jié)合學(xué)生線上考核成績和線下考核成績進(jìn)行綜合評價(jià)，在教學(xué)過程和教學(xué)評價(jià)、虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)地實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行相互結(jié)合和補(bǔ)充。

5 教學(xué)效果評價(jià)

在課程結(jié)束后，通過問卷調(diào)查的方式了解學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的評價(jià)。調(diào)查結(jié)果顯示：100%的學(xué)生認(rèn)為通過本軟件不僅使儀器的操作流程學(xué)習(xí)起來更加簡單快速，而且對儀器的應(yīng)用有了更加深刻的認(rèn)識；85.7%的學(xué)生認(rèn)為課程中的理論知識與自己的實(shí)際需要結(jié)合得更加緊密，對自己的科研工作有所幫助，以后更愿意繼續(xù)參與這種教學(xué)模式；28.5%的學(xué)生反映雖然課上學(xué)會了儀器操作，但是課程結(jié)束后一段時(shí)間再次使用儀器時(shí)已經(jīng)忘記如何操作，通過本軟件可以快速回憶起儀器操作流程。有多名學(xué)生還將本軟件推廣給沒有選修該課程的同學(xué)，讓他們可以在軟件上進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新穎性和趣味性，有利于學(xué)生對知識的深入掌握，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，提高了學(xué)生的參與積極性。同時(shí)，本軟件的設(shè)計(jì)、制作及應(yīng)用也對教師提出更高要求，促使教師的自身素質(zhì)得到提高。

6 結(jié)語

本文針對小動物活體成像技術(shù)應(yīng)用與操作研究生選修課中存在的儀器數(shù)量及時(shí)間、空間受限與教學(xué)模式單一等問題，基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了小動物活體成像儀操作訓(xùn)練軟件，并將該軟件應(yīng)用于小動物活體成像技術(shù)應(yīng)用與操作研究生選修課中，在“課前—課中—課后”輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。與傳統(tǒng)課程相比較，利用小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和參與意識，增強(qiáng)了師生之間的互動性，在一定程度上提高了課堂教學(xué)效率，是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的豐富和創(chuàng)新。綜上，小動物活體成像儀操作訓(xùn)練虛擬仿真軟件有助于小動物活體成像技術(shù)應(yīng)用與操作課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的一次有益嘗試。但是由于本軟件使用時(shí)間較短，所得到的教學(xué)效果評價(jià)的數(shù)據(jù)還不夠完善，會在后期的教學(xué)工作中繼續(xù)應(yīng)用并觀察該種教學(xué)模式的教學(xué)效果。