刘克敏, 孙艺平, 戴淑芳, 穆靖洲, 朱 亮, 徐 静, 宫德正, 徐 红

(大连医科大学 基础实验教学中心, 辽宁 大连 116044)

基础医学虚拟仿真实验教学中心的建设与实践

刘克敏, 孙艺平, 戴淑芳, 穆靖洲, 朱 亮, 徐 静, 宫德正, 徐 红

(大连医科大学 基础实验教学中心, 辽宁 大连 116044)

虚拟仿真实验教学能有效降低实验成本、扩大受益面、解决优质实验资源共享等问题。文章从分析建设虚拟仿真实验教学中心的背景和意义入手,结合大连医科大学虚拟仿真实验教学中心的建设经验,围绕自主学习平台、4A网络教学和数字网络教学资源建设,对目前虚拟仿真实验教学中心结构内容、系统功能、建设中存在的相关问题进行探讨。

基础医学； 虚拟仿真； 实验教学； 教学平台

以网络为基础的各种知识学习逐渐成为世界教学发展的一种趋势,从2012年起,以美国斯坦福大学和哈佛大学为代表的一批知名高校构建了MOOC形式的网上教学形式[1]。2014年8月,教育部高教司下文在全国构建国家级虚拟仿真实验教学中心,从国家政策上给予网络化的虚拟实验仿真技术发展提供支持[2]。医学是一门实验科学,其理论是建立在医学实验基础之上的,实验也是医学生学习和加深掌握医学知识的重要途径,但是全世界动物保护意识的发展趋势使得在学生实验中的动物实验越来越少。进行医学实验需要动物、药品等一系列配套资源,医学实验室对学生开放也相对较难。而医学实验本身是技术和经验性质的,虚拟医学实验对于实践操作的学习将起到越来越重要的作用[3]。虚拟仿真实验教学将虚拟实验作为实体实验的有益补充,可突出最新生物学实验技术在基础医学上的应用,突破时空局限及成本高、周期长、易造成环境污染、具有疫病传播风险等限制,同时可节省大量的动物。学生能随时随地在虚拟环境中开展实验活动,提高学生的自主学习和实践能力[4]。

1 基础医学实体教学和实验中的制约问题

基础医学是医学生的必修课程，包括药理学、生理学、病理生理学、解剖学、寄生虫学、微生物学、免疫学、分子生物学、组织胚胎学等，各个学科均由理论课程和实验教学课程组成，是每个医学生基础阶段学习的主干课程，这段时间的学习直接影响后期临床课程和科研实训。但是鉴于医学知识复杂难懂，有些实验无法及时完成，并且在真实实验室很难对学生开展，在一定程度上影响了创新型、复合型人才的培训。

(1) 时间较长,短期无法在实验室完成的实验。一些长期毒性实验,实验时间一般以月计,需要长期观察实验的发生、发展过程和动物形态变化，而学习任务繁重的本科教学不可能完成这类实验,学生很难理解这样的实验过程,影响了教学效果。

(2) 危险程度高的实验。一些特殊病毒实验、放射性物质实验,需要专业的场地和人员指导才能完成,并且受到国家管制,学生独立操作会造成不可避免的危险和安全事故,因此在普通院校开展难度较大。

(3) 受制于经费和动物伦理学。某些仪器十分昂贵,比如流式细胞仪、共聚焦显微镜等,不可能让每个本科学生去操作和熟悉仪器,还有部分留学生因宗教信仰原因不能杀生,而且消耗大量动物的实验也不符合动物保护“3R原则”。

(4) 操作困难,手术复杂的实验。常规的电生理实验、离体心脏灌流实验等,操作难度太大,高级实验工程师也需要长期的练习才能顺利完成,学生不可能在短期做出实验结果,在很长时期内无法理解这类型的实验原理和实验结果。

(5) 流失已久的实验技术。大量经典寄生虫实验,由于许多经典的虫体缺失以及一些宝贵的技术手法失传而无法开设。在现代社会根本无法采集到相关的寄生虫进行实验操作,许多优秀的经典实验技术也随着人员流失无法传承,因此需要利用视频和虚拟仿真技术将这些珍宝留存下来。

(6) 现实中难于实现的综合性实验。一些疾病可能涉及临床医学、基础医学、预防医学、法医学等,此类跨学科复杂问题的分析与讨论在现实中很难完成。

2 虚拟仿真实验教学中心的建设

为了解决上述实体教学和实验中的问题,我校在2014年开始构建“基础医学虚拟仿真实验教学中心”(下简称中心)。中心伴随着基础医学实验教学改革而建立和发展,以“学科融合、资源共享”为建设理念,依托大连医科大学“国家级基础医学实验教学中心”,坚持“以虚补实,虚实结合”的实验教学原则,围绕自主学习平台建设、4A网络教学和数字网络教学资源台建设,构建了基础医学虚拟仿真实验平台[5]。平台包括丰富的教学资源内容和完善的平台管理后台2部分。

2.1 虚拟仿真实验中心结构

中心由机能学实验中心、解剖学实验中心、形态学实验中心、病原学实验中心、生物化学实验中心、实验仪器及实验动物中心构成,面向全部学生,贯穿基础医学院本科教育全过程。

2.1.1 机能学实验中心

机能学实验中心教学覆盖生理学、药理学、病理生理学等方面的内容,立足于国家级虚拟仿真实验教学中心遴选要求,包括60余个实验项目。虚拟仿真实现模拟实验操作过程,配置高清的实验视频,学生自主探索实验结果、观察实验结果变化,同时学生还能进行虚拟仿真的模拟考试、记录笔记、向教师提出疑问并获得反馈。实验项目选择真实实验平台无法开展或高危险的实验,大型、综合的实验,成本高、资源(包括能源和试验原材料)消耗大、污染严重的实验等。

典型实验一： “自主设计实验：家兔血压调节”。该类型实验过程中,模拟学生独立进入科研,给予学生一笔科研经费,学生根据实验需求自行购买动物、购买药品、选择实验室中已有的仪器,设计实验方案,书写实验流程,最终完成实验。根据学生的操作过程,后台数据库自主评价学生的科研思维能力和设计能力。

典型实验二：“家兔失血性休克”。消耗大量的家兔和药品,观察实验结果的时间一般大于4 h,要完整地观察整个实验比较困难。通过高清的实验录像,学生可以学习正确的实验操作手法；通过对简介、原理的学习,学生可以知道更多的实验知识；在计算机上随时随地完成模拟仿真操作,学生能更详细地了解实验过程；最后通过仿真实验波形操作,学生给予不同的药物组合抢救,观察可能出现的血压波形变化,结合相关原理,能更加深刻地学习和理解“家兔失血性休克”。

典型实验三：“离体心肌细胞动作电位记录和收缩力同步记录”实验。学生手术难度太大,只能通过一些演示帮助学生了解实验过程。通过该实验的模拟操作、动画原理展示,动画波形展示,学生可以学习难懂的电生理实验方法和基本的电生理参数选择,熟悉取出豚鼠乳头肌的手术方法。

2.1.2 分子生物学实验中心

分子生物学实验使用的仪器和试剂比较繁杂,本科学生实际操作的难度较大,导致进入研究生课程后对分子生物学实验知之甚少,因此对本科生进行必要的分子生物学实验技术教学十分必要。普通课堂讲解相关知识点,一般都比较枯燥难懂,不能进行实际操作,导致学习效果不良。因此辅助用以虚拟仿真的分子生物学实验技术教学,能起到很好的教学效果,有助于学生科研前培训。

典型实验四：“流式细胞仪测定网织红细胞”实验。流式细胞仪比较昂贵,几乎不可能用于学生实验,可以提前让学生了解该仪器及一些基本原理。

典型实验五：“聚合酶链式反应PCR”实验。学生在未进入科研之前很难进行这样的实验,通过虚拟仿真实验进行科研实训,学生可以不用考虑昂贵的仪器和试剂,独立完成实验流程,学到相应的知识,以后则更容易进入科研状态。

2.1.3 形态学实验中心

形态学虚拟仿真实验教学平台包含病理学和组织胚胎学切片,总计195张切片,每张切片包含4倍、10倍以及40倍不同放大倍数下的图像。目前虚拟显微镜系统正逐步应用于形态学的实验教学和病理学诊断,方便学生学习切片内容和识别不同病理切片[6-7]。

形态学教学标本学习系统以自主创新研制的三维立体数字化标本和数字切片网络呈现技术为主,其中三维立体标本可实现旋转、缩放；数字切片可模拟显微镜观察进行移动、缩放等互动操作,并根据学生学习要求提供描述、诊断、查询等功能。

2.1.4 病原学实验中心

在病原学虚拟仿真实验模块中,还包含一些在现实教学条件下难于采集的标本和难以实现的实验项目,比如“阴道毛滴虫的染色镜检”；还有些是高危险的实验,比如“埃博拉病毒的实验诊断”“艾滋病毒的实验诊断”等。这些实验学生无法独立完成,通过虚拟实验来展现可以达到较好的效果。同时把一些常规的、优秀的基础实验技能,比如“饱和盐水漂浮法”“厚涂片透明法”“硫酸锌离心浮聚法”等通过虚拟的方式永久地保存下来,供科研工作者和学生使用[8]。

经典实验六：“阴道毛滴虫的染色镜检”实验。该实验过程普通学生几乎不可能参与。学生通过实验简介和原理的学习,了解到阴道毛滴虫的生存生长环境,取样方法以及检查方法,本实验流程是涂片染色法,其余几种寄生虫染色方法在其他实验中介绍和模拟。学生仿真模拟实验过程,并且在实验最后可以了解到阴道毛滴虫的外形特征等知识。经过一系列的学习过程,学生理解了从基础到临床实验的一个衔接过程,有助于学生综合临床思维和科研思维。

经典实验七：“埃博拉病毒的实验诊断”实验。根据时事热点制作相关的教学项目,让学生学习病毒的发生、发展过程,尤其是学习到埃博拉病毒的外形和超强致病力。

2.1.5 解剖学虚拟实验中心

解剖学虚拟仿真实验中心包含大量器官的文字图片展示,及用图片制作成的Flash动画文件(SWF)。通过人机对话,学生能够“身临其境”地观察实验现象,并进行高度仿真标本的“实际”操作。该系统不仅能有效地解决解剖尸源不足、标本缺乏的问题,而且节省了重复实验所带来的成本和费用[9]。

2.1.6 实验动物、实验仪器中心

实验动物中心模块中包含了实验动物的编号方法、实验动物的插管技术、实验动物的注射给药、实验动物的捉拿方法、实验动物介绍,还对实验中常用的家兔、蟾蜍和犬等实验动物作了详细介绍。实验仪器展馆包含了生理和药理实验中常用实验仪器,从原理和模拟操作2方面进行了详细的讲解。

2.1.7 应用效果

(1) 以系统为中心的教学。全面解析药物的各个层面,打破学科界限,使片面的知识系统化。

(2) 培养学生自主学习能力。观察、综合分析、创新思维能力。拓展实验项目,使得不常见的实验在虚拟实验中定制完成。

(3) 信息量大大增加。将虚拟仿真与网络技术相结合,资源开放共享,访问无时空限制。

(4) 内建题库系统。提供在线自测,为学生的自我巩固学习提供一个良好的自学平台。

(5) 由真实实验转为虚拟仿真实验。反复操作,节约成本、人力和物力,无场地、时间等的限制。

2.2 虚拟仿真实验中心功能

开展虚拟仿真实验教学,需要通过虚拟实验教学管理系统向学生、教师、教务管理员和系统管理员提供实验教学管理功能。师生通过教学论坛进行互动,学生可将实验中的经验、教训、收获和问题在论坛上发布,教师可将实验中的不足提出来,师生共同探讨。教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息,以便调整实验教学的进度和深度。学生也可从中吸收别人的经验,快速提高自己的能力[10]。

(1) 学生：选课、选择实验、开展实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存和提交实验结果、查询实验成绩和批语。

(2)教师：典型实验库维护、发布实验、安排实验、批改实验报告、自动批改、智能指导、统计并发布学生的实验成绩和批语。

(3) 教务管理员：课程计划、开课计划、选课日期设置、开课审核、开课查询。

(4) 系统管理员：用户管理、分组管理、角色管理、权限管理、系统维护等。

2.3 虚拟仿真实验教学中心的管理体系

(1) 组织保障。成立专门虚拟仿真教学中心工作机构,加强校内外各单位和部门的工作协调。加强对各教学环节的质量监控,以及协调、检查和督导工作。

(2) 制度保障。建立健全虚拟仿真教学中心人才培养标准体系、教学大纲、实习大纲和教学日历,科学规范教学运行、学生遴选、学籍管理、毕业标准和教师评聘与考核等管理制度。

(3) 管理规范。成立“虚拟仿真教学中心”工作小组,由主管教学校长担任组长,基础医学院主管教学院长担任副组长,成员由机能学实验室主任、形态学实验室主任、人体解剖学实验室主任、企业高级管理人员组成。负责虚拟仿真教学计划、课程方案的制订和组织实施,确保各主要项目实践教学环节的质量。

2.4 虚拟仿真实验教学中心的特色与创新

2.4.1 以虚补实,虚实结合

虚拟中心在保证正常基础医学学科教学、临床前培训、科研前实训3个层次的真实教学和实验教学的基础上,大力开展多学科的虚拟仿真实验,着力解决实际基础医学教学和实验过程中遇到的几种限制因素：

(1) 长时程实验,短期无法完成,比如长期毒性实验；

(2) 高危险实验,比如病毒、放射性物质实验；

(3) 受制于动物伦理和经费不足等原因,比如昂贵仪器和大量损失动物实验；

(4) 操作困难,手术难度复杂,比如电生理实验；

(5) 流失已久的实验技术,比如大量经典寄生虫实验；

(6) 现实中难于实现的综合性实验,比如结合临床医学、基础医学、预防医学、法医学等跨学科复杂问题分析与讨论；

(7) 某些实验只能在虚拟平台开展。

2.4.2 特色内容创新

结合多年教学经验和临床经验,开发出新型的教学模式。

(1) 以器官为中心的教学模式,符合医学生学习医学科学的规律,以虚拟人为框架,从胚胎学、细胞生物学、遗传学、解剖学、组织学、病理学等各学科阐述器官的各个方面,打破常规的学科界限,大跨度学科整合,构建完整的知识体系。

(2) 基于病例的基础—临床相结合模式,先给出病例,提出问题,以病例为桥梁,以正常解剖和组织学为对照,学生通过病理标本观察,解释病例,自主解答问题,提高学习兴趣,尽早接触临床,使学生牢固树立“学以致用”的医学学习理念。

(3) 科研应用于教学,设计的20个实验项目均为整合性或设计性项目,由此派生出来更多的综合性实验项目。

2.4.3 技术先进,与时俱进

与软件和网络企业合作,融合了虚拟人、数字切片和网络技术的最新科研成果,与国际上流行的PBL教学异曲同工,并与国际医学教育接轨。医学专业与IT技术结合研发革命性的教学方式,教学与临床诊疗紧密结合,学以致用,科研促进教学培养创新型人才,形成良性循环。任意移动终端均可访问虚拟中心,学习平台资源,管理平台内容,完成考试等,最大限度地拓展学生自主学习的时间和空间。有监督、有交互的学习。在资源开放、不受时空限制学习的同时,管理学生的学习过程,达到最好的学习效果。

3 结语

随着虚拟仿真实验教学中心的建设和发展,我们将不断扩大资源共享的范围,计划将向国内其他高校和社会提供优质的实验实训资源,并以专业平台的方式收集资源库,把这些资源库采用虚拟的方式向兄弟院校和社会提供共享[11-12]。

开放共享访问网址：http://112.124.28.48:9978

References)

[1] Waldrop M M. The Virtual Lab [J]. Nature,2013(18): 268-270.

[2] 教育部.教育部关于开展高等学校实验教学示范中心建设和评审工作的通知[EB/OL].http://old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s7946/201409/xxgk_174614.html.

[3] 王晓迪.虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨[J].实验技术与管理,2014,31(8):9-11.

[4] 刘克敏,孙艺平,徐 静,等.医学机能学大学生创新能力培养的探索与实践[J].实验室科学,2016,19(1)：135-137,141.

[5] 张宏颖,孙艺平,曹婧,等.基础医学国家级实验教学示范中心的建设实践[J].实验技术与管理,2015,32(12):150-154.

[6] Paulsen FP,Eichhorn M,Brauer L. Virtual microscopy-The future of teaching histology in the medical curriculum? [J].AnnAnat,2010(192):378-382.

[7] 高航,陈霞,程丕显,等.病理学虚拟实验教学系统的建设与应用[J].中国高等医学教育,2013(4):65-68.

[8] 洪龙.北京大学微生物学实验课模块化教学的探索[J].微生物学通报,2014,41(4):744-747.

[9] 徐晓丽,志敏,洪涛,等.谈在解剖实验教学中网络虚拟实验系统的构建及应用[J].教育探索,2012(11):78-80.

[10] 周世杰,家成,王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].计算机教育,2015(9):5-11.

[11] 胡今鸿,李鸿飞,黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索,2015,34(2):140-144,201.

[12] 厉英超,米琛,贾皑,等.虚拟仿真教学平台在临床医学教学中的应用[J].临床医学研究与实践,2016(10):122-123.

Construction and practice of experimental teaching center with basic medical virtual simulation

Liu Kemin, Sun Yiping, Dai Shufang, Mu Jingzhou, Zhu Liang, Xu Jing, Gong Dezheng, Xu Hong

(Basic experimental teaching center,Dalian Medical University,Dalian 116044,China)

Virtual simulation experiment teaching can effectively reduce the experimental cost,widen the beneficial scope,and solve the problem of high quality experimental resource sharing. Starting from the background and significance of the construction of virtual simulation experiment teaching center,combined with the construction experience of virtual simulation experiment teaching center of Dalian Medical University, around the construction of autonomous learning platform,4A network teaching and digital network teaching resources, this paper discusses the current structure of the experimental teaching center of virtual simulation,system function and the existing problems in the construction.

basic medical science； virtual simulation； experimental teaching； teaching platform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.056

2016-10-20 修改日期：2016-12-08

2016年度辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目立项“机能学虚拟仿真实验平台建设对医学生实践能力培养的探索”(UPRP20160391)

刘克敏(1972—),女，辽宁大连,硕士,讲师,研究方向为运动生理学

E-mail：l_k_m@126.com

孙艺平(1961—),女、辽宁大连,博士,教授,实验室主任,研究方向为神经生理学.

E-mail：yiping_sun@sina.com

G642.0；R319

B

1002-4956(2017)4-0221-04