李忠玉, 刘良专, 梁　瑜, 周文化, 何战胜, 陈　熙

(南华大学 医学院, 湖南 衡阳　421001)



多层次综合性医学虚拟仿真实验教学中心的建设与成效分析

李忠玉, 刘良专, 梁瑜, 周文化, 何战胜, 陈熙

(南华大学 医学院, 湖南 衡阳421001)

虚拟仿真实验教学在医学教育中发挥着重要作用。建立开放、资源共享的综合性医学虚拟仿真实验教学平台,是培养医学创新人才的主要途径。南华大学医学院通过建设医学虚拟仿真实验教学中心,开展了虚拟仿真实验教学,促进了学生实践创新能力的培养,提高了教学质量。

医学教育； 虚拟仿真实验教学中心； 建设与成效

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要组成部分。教育部发布的《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》明确提出,要加强实践教学,建设国家级虚拟仿真实训基地,促进开放共享的虚拟仿真实践教学环境建设,提示我国虚拟仿真实验中心的建设进入了规模化、标准化和可持续发展阶段。我校以“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”为指导思想,以提高学生创新精神和实践能力为宗旨,以建设信息化实验教学资源为重点,积极推进医学虚拟仿真实验教学中心的建设,取得了明显成效。

1　医学虚拟仿真实验教学中心建设的必要性

1.1缓解实验室条件限制,弥补实验教学资源不足

在医学实验教学中,有些实验设备昂贵、实验动物缺少、医学生物类实验试剂和耗材价格高[1-2],使一些应该开设的基本的教学实验项目难以开展,不能满足实验教学的需要。医学虚拟仿真实验教学中心可通过发挥虚拟仿真技术在实验教学的优势,真实模拟昂贵的实验设备和实验场景,通过人机交互的方式使学生在虚拟的实验设备和实验场景中开展实验,提供与实际操作相类似的实践体验,实现各种预定实验项目,既弥补教学仪器的不足,节约教育资源,同时也实现了在现实条件下无法开展的实验教学工作,达到教学互动、资源共享的实验教学目的[3]。

1.2丰富教学内容,扩展实验教学时空

开展医学虚拟仿真实验,极大地丰富了实验教学内容。通过借助虚拟仿真技术,对一些具有危险性的场景或者现实中难以实现的实验进行虚拟仿真,如高致病性微生物实验、剧毒类物质实验或放射性物质实验；有些实验如心肺复苏急救、穿刺、插管等临床技能实验操作项目不允许学生直接在病人身体上进行,但我们可依托虚拟现实构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,使抽象知识具体化、形象化和现实化,使学生更好理解并掌握相关知识。

虚拟仿真实验打破了传统医学教学在时间和空间的限制[4-6],学生在任何时间、任何场合都可以进行自主学习,并与教师进行交流互动,并且可在较短的时间内呈现给学生需要较长时间才能观察的某些变化过程。如微生物学的分离培养与鉴定、病毒的培养过程等,需要1周乃至数周的时间,而利用虚拟仿真技术在一堂课内就可以实现[7]。尤其是对某些细微的、不常见的或难以直接观察的变化,可以多方位、多维度、多层次地再现出来[8-9],吸引学生有意识观察,培养学生良好的观察能力。

1.3激发学生求知欲,增强学生的实践创新能力

医学虚拟仿真实验教学平台为学生提供全天候的开放式实验环境,学生可随时借助平台,根据自己需求选择实验器材、实验动物和试剂等进行虚拟实验,使学生从灌输式被动学习到积极灵活的主动学习[10],极大地激发了学生的求知欲,充分调动学习的积极性与主动性。同时医学虚拟仿真实验教学平台提供了丰富多彩的立体化教学资源和形式多样的实验情境,能够将复杂变简单,化抽象为具体,将宏观或微观的机体结构、形态与机能、生理或病理现象及实验过程表现得形象生动、逼真,通过人机交互,加强学生对知识的内化和迁移,促进学生形象思维和直觉思维能力的发展[11-12]。通过临床技能仿真训练和临床思维拓展实验的实践学习,增强了学生的实践操作和临床思维能力,激发学生的创新意识,培养实践创新能力。

2　多层次综合性医学虚拟仿真实验教学中心的建设

医学虚拟仿真实验教学中心下设形态学数字化、机能学、病原生物学与免疫学、临床技能仿真训练、临床思维拓展五个虚拟仿真实验教学平台,开设虚拟仿真实验项目共计111项,其中:形态学数字化虚拟仿真实验24项,机能学虚拟仿真实验25项,病原生物学和免疫学虚拟仿真综合实验26项,临床技能仿真训练平台教学资源28项,临床思维拓展平台教学资源8项。学生可根据实验项目的要求,通过实验平台提供的仪器设备进行配置、连接、调节和使用虚拟实验仪器开展实验。

2.1形态学数字化虚拟仿真实验教学平台

该实验教学平台融合数字图像处理、计算机图形学和多媒体技术等多种信息技术,在终端显示二维平面及三维立体真实可靠的人体正常结构图像和器官组织内部结构,并可呈现三维动画,学生可在三维空间里对人体中感兴趣的结构进行放大、任意旋转和平移,使学生清楚地了解人体内部复杂的空间结构关系。同时通过显微数码互动教学系统与数字切片进行实物和虚拟图像对比学习,增强了学生的操作能力,培养了学生的学习兴趣。

2.2机能学虚拟仿真实验教学平台

机能学虚拟仿真实验教学平台将生理学、病理生理学和药理学有机整合,开设了大气悬浮颗粒PM2.5-PM15对人体健康伤害、微循环灌流与血流动力学、膜片钳应用等25项虚拟仿真实验项目。每项实验均包含实验原理、实验方法、实验仪器和虚拟实验操作等内容,学生可选择合适的实验动物、仪器和药物完成虚拟操作过程,虚拟实验系统可根据实验过程中产生的各种数据实时记录,并对实验结果进行分析和评价。实验项目充分应用了多媒体丰富直观的表达形式、将仿真动画、实验录像相结合,增强学生对实验操作的理解和掌握。

2.3病原生物学与免疫学虚拟仿真实验教学平台

该虚拟仿真实验教学平台开设了分离培养模拟实验、培养基的制备模拟实验、钩端螺旋体暗视野显微凝集模拟实验、阳性钉螺与尾蚴释放观察模拟实验等一系列虚拟仿真实验。同时根据课程特点,联系生物安全相关知识,以不同的病原生物对象设为问题,让学生选择相应级别的生物安全实验室进行虚拟操作,将生物安全知识灵活运用于实践中[13],不仅能拓宽学生的知识领域,而且可以促进学生建立更为完善的生物安全相关知识体系。

2.4临床技能虚拟仿真训练实验教学平台

临床技能虚拟仿真训练包括心肺听诊训练系统、腹部触诊训练系统、外伤急救、胸腔穿刺、腰椎穿刺、腹腔穿刺等多种模型,学生可通过模型和计算机软件实现心脏、胸肺部体格检查中的扩听示教、基础听诊、鉴别听诊；腹部体格检查中腹部听诊和触诊教学与考核等。软件中有“心脏听诊病例”80例、“肺脏听诊病例”60例、“腹部触诊病例”43例,心电图考核图形约40幅,学生可以在虚拟环境中反复训练和规范基本操作,实现了早临床和多临床实践,提高了学生临床技能和思维能力。

2.5临床思维拓展虚拟仿真实验教学平台

该实验教学平台采取全方位、多途径、多形式开放方式,支持学生开展综合性和创新性实验,特别是临床应用、病例讨论等实验项目,加深学生对医学知识的理解。同时该实验教学平台也增加了三维适形及调强放射治疗仿真系统,如肺癌放疗中正向适形与逆向调强计划设计、前列腺癌的适形和调强适形放疗计划设计和三维逆向调强适形放射治疗计划的设计和优化等,该系统可根据肿瘤的具体形状通过仿真模拟放疗,最大限度地提高了肿瘤的照射剂量和减少周围正常组织、器官的照射体积和剂量。

3　医学虚拟仿真实验教学中心建设过程与成效

1992年,我校在国内率先将生理学、病理生理学、药理学课程实验有机整合成机能学实验教学平台,之后将人体解剖学、医学微生物学等基础课实验课程整合形成形态学、病原生物学、临床技能学等实验教学平台。2002年和2003年获批为中央与地方共建基础实验室；2004—2008年分别被评为湖南省实验教学示范中心；2008年和2010年临床医学专业实验中心和临床医学专业基础实验中心获批为中央与地方共建特色优势学科实验室；2015年8月被批准为湖南省医学类虚拟仿真实验教学中心建设单位；2016年被批准为国家级医学虚拟仿真实验教学中心建设单位。

近3年,约有300名学生参与了实验中心教师的科研项目,并在中心教师指导下积极参加国家级、省级、校级等各类科技创新活动,主持或参与大学生创新性科研项目40余项；撰写完成SCI、CSCD收录论文50余篇；参与完成专利设计或医学仪器制作多项。2015年荣获“第六届全国高等医学院校大学生临床技能竞赛”全国总决赛特等奖；2014年荣获“第五届全国高等医学院校大学生临床技能竞赛”全国总决赛一等奖和“第五届全国高等医学院校大学生临床技能竞赛”华中赛区一等奖；2013年荣获“第四届全国高等医学院校大学生临床技能竞赛”全国总决赛三等奖和“第四届全国高等医学院校大学生临床技能竞赛”华中赛区一等奖；2012年荣获“第三届全国高等医学院校大学生临床技能竞赛”华中赛区一等奖；“衡阳市第五届大学生科技创新大赛”二等奖和三等奖各1项。

4　结语

虚拟仿真实验教学是学科专业与信息技术深度结合的现代产物,是推进高等教育信息化建设的重要组成部分。将虚拟仿真技术应用于医学教育,突破了传统的教学方法无法满足现代医学发展的需要,具有传统实验不可比拟的优越性[12]。南华大学医学虚拟仿真实验教学中心秉承“名德博学,求是致远”的校训精神,积极探索,勇于创新,不断完善实验教学改革,为推动我国医学高等教育事业不断向前发展做出了积极的贡献。

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Analysis on construction and achievement of multi-level comprehensive medical virtual simulation experimental teaching center

Li Zhongyu, Liu Liangzhuan, Liang Yu, Zhou Wenhua, He Zhansheng, Chen Xi

(School of Medicine,University of South China,Hengyang 421001,China)

Medical virtual simulation experimental teaching plays an important role in medical education. To establish an open and resources-sharing medical experiment teaching platform is the main way to cultivate innovative talents. Through the establishment of a virtual simulation experiment teaching center,School of Medicine at Nanhua University has well run a virtual simulation experiment teaching program,promoted the students’ practical and innovative ability and improved the quality of teaching.

medical education; virtual simulation experimental teaching center; construction and achievement

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.058

虚拟仿真实验教学中心建设

2016-03-03修改日期：2016-05-05

国家级医学虚拟仿真实验教学中心项目(教高厅函[2016]6号)；湖南省教育科学“十三五”规划项目(XJK016AGD005)

李忠玉(1972—),女,湖南郴州,博士,教授,主要研究方向为病原体致病机制

E-mail：lzhy1023@hotmail.com

陈熙(1964—),男,湖南邵阳,教授,南华大学医学院院长,主要研究方向为高等教育管理.

E-mail：2241332533@qq.com

G451

A

1002-4956(2016)9-0220-03