實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)涵設(shè)計(jì)及其優(yōu)勢(shì)

摘 要 傳統(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式受到實(shí)驗(yàn)條件、動(dòng)物福利關(guān)切以及教學(xué)資源分配不均等方面的限制。為應(yīng)對(duì)這些難題，提出一種基于虛擬仿真技術(shù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，旨在通過(guò)模擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為學(xué)生提供一個(gè)安全、高效且具有高度互動(dòng)性的學(xué)習(xí)平臺(tái)。該系統(tǒng)的構(gòu)建不僅有望改善傳統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的諸多不足，還將促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維的發(fā)展，從而為高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新提供有力支持。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)；虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）17-0-04

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論知識(shí)與實(shí)踐操作相結(jié)合的重要方式，對(duì)于生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的學(xué)習(xí)至關(guān)重要[1]。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在生命科學(xué)和藥物研發(fā)中扮演核心角色，這使得實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)的教學(xué)質(zhì)量備受矚目[2]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要方向是培養(yǎng)具有現(xiàn)代醫(yī)藥科學(xué)研究和技術(shù)管理能力的人才。虛擬仿真技術(shù)的誕生為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)革命性的變化。該技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)場(chǎng)景，提供一種全新的、互動(dòng)性強(qiáng)的教學(xué)模式，讓學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中獲得更為生動(dòng)、直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和操作技能的

掌握[3]。

1 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)

系統(tǒng)的必要性

新冠疫情防控期間，線上教學(xué)成為主流，虛擬仿真技術(shù)在其中顯示出巨大的教學(xué)潛能。目前，虛擬仿真技術(shù)已成為教學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，并得到廣泛應(yīng)用。例如，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)和西北農(nóng)林科技大學(xué)等高校建立了自己的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，這些平臺(tái)覆蓋了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，顯著提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和學(xué)生參與度[4-5]。

虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可創(chuàng)造出一個(gè)既逼真又互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。這種系統(tǒng)不僅能提供多樣化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和生動(dòng)的教學(xué)場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能在不使用真實(shí)動(dòng)物的情況下，通過(guò)預(yù)設(shè)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)K快速完成實(shí)驗(yàn)，減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，降低成本和動(dòng)物使用量，同時(shí)減輕動(dòng)物的痛苦。此外，虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還能提高實(shí)驗(yàn)的安全性，為學(xué)生提供一個(gè)安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[6-7]。因此，構(gòu)建虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能夠有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)教學(xué)創(chuàng)新和實(shí)踐教學(xué)改革開(kāi)辟新的路徑。

2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

為更好地在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中踐行3R原則（Re-duction減少、Replacement替代、Refinement優(yōu)化），在不影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的前提下進(jìn)行教育教學(xué)改革尤為迫切，而虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建正在成為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)教育和科研的重要方向之一。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要充分了解用戶需求，設(shè)定功能較為齊全的系統(tǒng)模塊，包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、場(chǎng)景設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集和處理、教育教學(xué)功能設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核評(píng)估設(shè)計(jì)以及安全性設(shè)計(jì)等。因此，虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要充分考慮系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)、技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)[8-11]。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

基于虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能、性能等方面的需求，按照Web應(yīng)用程序的架構(gòu)分層設(shè)計(jì)，將虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)為五個(gè)層級(jí)（圖1）。

1）前端層：是用戶與系統(tǒng)交互的界面，包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)操作的模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的展示等功能。前端層需要使用現(xiàn)代化的Web技術(shù)，如HTML、CSS、JavaScript等，來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶界面的設(shè)計(jì)和交互。

2）后端層：是系統(tǒng)的核心功能和業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)的地方，包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、實(shí)驗(yàn)評(píng)估與反饋等功能。后端層需要使用服務(wù)器端編程語(yǔ)言，如Java、Python等，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)處理。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)層：是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的地方，包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)、實(shí)驗(yàn)評(píng)估與反饋等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。數(shù)據(jù)庫(kù)層需要使用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，如MySQL、MongoDB等，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

4）虛擬實(shí)驗(yàn)層：是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)操作的模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等功能。虛擬實(shí)驗(yàn)層需要使用虛擬仿真技術(shù)，如Unity3D、Unreal Engine等，來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)操作的模擬。

5）人工智能層：是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化功能的地方，包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)的生成、實(shí)驗(yàn)評(píng)估與反饋等功能。人工智能層需要使用人工智能技術(shù)，如自然語(yǔ)言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化功能。在這種分層結(jié)構(gòu)中，每個(gè)層次都有自己的職責(zé)和功能，并與其他層次進(jìn)行交互，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

2.2 技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)

虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)是構(gòu)建虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可以模擬出真實(shí)的動(dòng)物模型，并且根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行模型的調(diào)整和優(yōu)化。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)效果，如模型的運(yùn)動(dòng)、呼吸等，增強(qiáng)用戶的沉浸感和體驗(yàn)感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可以模擬出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行場(chǎng)景的調(diào)整和優(yōu)化。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)用戶的交互操作，如手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等，增強(qiáng)用戶的操作體驗(yàn)。人工智能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的重要技術(shù)。人工智能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)模型的智能化，如模型的自主運(yùn)動(dòng)、自主學(xué)習(xí)等，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和分析，如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、模型的預(yù)測(cè)分析等，提高實(shí)驗(yàn)效率和質(zhì)量。

2.3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容設(shè)計(jì)（圖2）

虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)與實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)緊密相關(guān)。該系統(tǒng)根據(jù)各類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的解剖結(jié)構(gòu)、器官功能及生物學(xué)特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，在模擬小鼠手術(shù)實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景中，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)真實(shí)的小鼠模型，包括小鼠外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、器官等。同時(shí)還添加了手術(shù)器械和手術(shù)臺(tái)等虛擬設(shè)備，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)操作。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中還設(shè)置了一些虛擬實(shí)驗(yàn)助手，如虛擬實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)員、虛擬實(shí)驗(yàn)記錄員等，幫助學(xué)生更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)采集。此外，虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還能夠模擬各種實(shí)驗(yàn)操作，如動(dòng)物的抓取、綁定、雌雄鑒別、給藥等，幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作，提高其實(shí)踐能力和動(dòng)手能力。

另外，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，需要考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣，與教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容。例如：對(duì)于初學(xué)者，可以設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生逐步熟悉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作和流程；對(duì)于具備一定知識(shí)背景和技能水平的學(xué)生，可以設(shè)計(jì)一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如各種疾病動(dòng)物模型的建立及轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型等，讓學(xué)生在實(shí)踐中提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

總之，虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要根據(jù)不同學(xué)生的需求和教學(xué)目標(biāo)靈活設(shè)計(jì)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)領(lǐng)域采用前沿科技創(chuàng)造了一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。該系統(tǒng)融合了虛擬現(xiàn)實(shí)、3D建模及交互設(shè)計(jì)等技術(shù)，確保學(xué)生在安全的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作與學(xué)習(xí)。系統(tǒng)主要功能包括：1）構(gòu)建多樣化的人類疾病動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)，涵蓋生理、藥理、解剖等多學(xué)科領(lǐng)域，提供完整的實(shí)驗(yàn)流程，包括目的、原理、材料、方法和結(jié)果；2）強(qiáng)化的交互功能與友好的用戶界面，便于學(xué)生輕松訪問(wèn)與操作，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位觀察，支持放大、旋轉(zhuǎn)、平移等操作，深化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解；3）個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)功能，滿足不同專業(yè)與學(xué)生的需求，學(xué)生可根據(jù)興趣和能力選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以提升學(xué)習(xí)成效；4）提供豐富的教學(xué)資源，如實(shí)驗(yàn)教材、視頻、數(shù)據(jù)等，幫助學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)原理和操作，增強(qiáng)記憶；5）保障教學(xué)安全，避免使用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，減少動(dòng)物傷害及疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)。總體而言，設(shè)計(jì)虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)時(shí)，需全面考慮用戶需求和教學(xué)特性，提供靈活高效的教學(xué)體驗(yàn)。同時(shí)，緊跟虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，將最新技術(shù)成果融入系統(tǒng)，提升真實(shí)感、靈活性和智能化水平[12-14]。

4 結(jié)論與展望

虛擬仿真動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可促進(jìn)教育資源共享與數(shù)字化，推動(dòng)虛擬仿真技術(shù)普及。該系統(tǒng)為學(xué)生提供了更多實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)，對(duì)提升教育質(zhì)量和促進(jìn)學(xué)生未來(lái)發(fā)展具有重要意義。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 劉念，趙微，韓喜彬.醫(yī)學(xué)院校實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)選修課的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2021，13（34）：135-139.

[2] 吳艷玲，張先，崔振宇，等.“雙一流”模式下高校研究生實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)課程教學(xué)模式探索[J].中國(guó)比較醫(yī)學(xué)雜志，2018，28（11）：111-114.

[3] 程碧君，李天嬌.基于虛擬仿真技術(shù)的高校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].科技視界，2022（8）：92-94.

[4] 莊向婷，白軍.VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，17（2）：69-71.

[5] 尉小榮，徐建，李洋洋.高校國(guó)家級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)與應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2022，20（3）：26-30.

[6] 宋予震，郭素琴，史洪濤，等.動(dòng)物醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用[J].高教學(xué)刊，2020（21）：79-81.

[7] 唐媛媛，李群，李京培，等.我校病原生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及思考[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2018，36（13）：103-105.

[8] 曹文馨.播出系統(tǒng)虛擬仿真演練平臺(tái)的構(gòu)思和設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2022（10）：122-125.

[9] 劉濤，楊亞軍，李廣鵬.基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，39（5）：152-155.

[10] 胡曉松，李娟，李新枝，等.基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的構(gòu)建與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018，15（28）：131-133.

[11] 劉靜.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理技術(shù)的應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2023，40（8）：210-211.

[12] 朱堅(jiān)軼，吳崢，張旻，等.醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)現(xiàn)狀與實(shí)踐[J].中國(guó)醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)，2023，20（9）：186-189.

[13] 熊冉，黃華興，曹月洲.淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模擬醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2023（31）：124-126.

[14] 鄭唯實(shí).人工智能在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與思考[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（1）：150-151.

*項(xiàng)目來(lái)源：2023年山西省高等學(xué)校一般性教學(xué)改革創(chuàng)新立項(xiàng)項(xiàng)目“‘金課’背景下動(dòng)物實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)的研究與實(shí)踐”（編號(hào)：J20230563）。

作者簡(jiǎn)介：郭民，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，通信作者；陳朝陽(yáng)，教授。