冯雪梅，张 颖，倪雯雯，胡优敏，王艳霞，黄 晨，李 稻

上海交通大学医学院实验教学中心， 上海 200025

虚拟实验是借助多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造实验操作环境，实验者可以像在真实环境中一样完成各种实验项目[1]，具有安全性高、成本低、扩展性高、启迪性好等优点，已在高等教育中广泛应用[2]。目前，医学虚拟实验在解剖学、组织胚胎 学 、病理学、分子生物学等许多学科领域相继展开[3-9]，上海交通大学医学院也在功能学、寄生虫学等领域开发了基础性综合虚拟实验[10-11]。业已开发的医学教学虚拟实验多属于对传统经典实验教程的转化。随着教学改革的推进，自主性设计、拓展性实验不断增加，学生知识面迅速扩大，指引广大学生了解前沿、学习热点，已成为大学实验教育的新趋势。行为药理学实验主要是研究药物对大脑学习、记忆功能及情绪活动的影响，是医学热点研究领域抗老年痴呆药物研究的重要环节。文章拟构建抗老年痴呆药物药效学虚拟研究平台，在临床八年制学生中展开应用，以探索该软件的使用效果及意义，为大学生实验教育提供新的教学思路。

1 “行为药理学—抗老年痴呆药效学研究”虚拟实验软件设计

笔者通过计算机虚拟仿真技术，以Animate cc和PHP技术为主要开发平台，利用3D设计软件Maya/3D Max对实验场景和实验对象进行场景搭建和动画组合，以Morris水迷宫实验为主线，设计了行为药理学—抗老年痴呆药物药效学研究的虚拟实验(如图1所示)。软件涵盖4个基本实验元素：水迷宫实验的基本原理与操作录像；老年痴呆动物模型制作与虚拟实验具体操作；实验数据统计处理及分析；抗老年痴呆相关领域研究进展与知识点测试。该实验可在Win- dows 7以上版本均可运行。在IOS或Android的操作系统运行时，需要输出htmal 5版本。

图1 虚拟实验设计流程图

1.1 实验原理部分

实验原理是设计实验和进行实验操作的基础，该实验涉及老年痴呆造模及药物治疗原理、Morris水迷宫实验原理[12]。首先以3D动画演示结合语音讲解的方式，详细阐述与学习记忆有关的M胆碱能兴奋传导机制，接着介绍了三种经典痴呆模型包括东莨菪碱模型、穹窿伞切断模型和鹅蒿蕈氨酸模型的制作原理以及药物治疗原理[13]。其中，穹窿伞切断导致大鼠学习记忆障碍的实验操作需要精密的仪器和娴熟的操作技术，手术难度较大，因此在原理部分插入了实验录像，并配以文字说明和语音讲解，使学生直观地、身临其境地了解该造模方式的具体过程。在介绍Morris水迷宫实验原理时，以人—鼠游泳比赛的形式娓娓展开，趣味性极其浓厚(如图2所示)。这样学生不再是面对枯燥的白纸黑字，而是活泼形象而又不失科学性的三维动画及视频展示，可以让学生更加深刻地理解实验原理。

图2 Mirris水迷宫实验原理界面

1.2 虚拟实验操作与数据统计

实验操作部分是该实验的主体部分。包含选择造模方式、实验准备、适应性训练、定位训练、空间探索实验等完整的Morris水迷宫实验步骤，内容详尽，再配以生动形象的实验图片和虚拟动画，使实验过程新颖有趣。在时间的把握上力求精简，将较长时段的实验过程适当压缩，多次重复的步骤可通过选择“自动完成”按钮省略，在保持真实性与虚拟性平衡基础上使实验更加高效，学生在学习时不至于感到枯燥。除了实验步骤外，在实验进程中，操作界面上在关键点有小提示，如入水下站台位置的设定等(如图3所示)，增加了实验的可操作性，降低了初学实验的难度。

图3 实验操作界面节选

不同与以往虚拟实验中结果的单一性，该虚拟实验在设计前，进行了大量真实的实验操作。以石杉碱甲为检测药物，多奈哌齐为阳性对照，采用Morris水迷宫实验测定石杉碱甲对大鼠的空间记忆功能的影响。将实验产生的大量真实数据导入学习系统，每一位学生在执行虚拟实验时产生的数据均由这些真实数据中随机产生。学生可以根据自己得出的实验数据进行统计并作图分析实验结果，进而得出实验结论，实验结果可能是阳性也可能是阴性，充分模拟了实际实验中结果的多样性和不确定性。

1.3 思考题与知识库

思考题部分包括对药物作用机制、实验设计原理的进一步探讨，以及该实验方法的优缺点分析，并启发学生对实验过程进行改进完善；鼓励学生开阔思路，自主学习更多与记忆相关的实验方法，引导学生独立完成从提出问题到解决问题的学习过程。

除此之外，我们还设计了在知识库板块涵盖老年痴呆发病各种学说、研究进展、实验研究方法、临床预防与治疗方法等全方位的知识介绍及相关经典文献链接。力求帮助学生在实验后进一步拓宽知识面，加深对老年痴呆症从发病到治疗的认识。其知识库界面如图4所示。

2 教学功能的实践

2.1 教学对象

该教学平台主要针对大学本科在大二期间，专业技能学习阶段的学生，也可以针对研究生甚至博士生从事抗老年痴呆药物研究的实验前学习。

2.2 学习形式

以一学期为周期，将虚拟实验作为功能学实验课程的一部分考察，将临床八年制学生设置为必做虚拟实验，学生通过前台用户端输入自己的账号、密码登录后进入虚拟实验平台，点击“抗老年痴呆药效学研究”虚拟实验，按照操作提示进行实验，实验完毕后需进行测试，测试完毕后提交，一旦提交，便生成考试成绩。所有成绩将被记录到后台服务器的数据库中。

图4 抗老年痴呆研究知识库

2.3 学习效果

经过两届学生的实际使用，对2014级临床八年制学生开展无记名形式问卷调查。分别针对学生掌握程度(如表1所示)、学生对各实验模块满意度进行调查(如表2所示)。问卷采用李克特(Likert)形式[14]。共发放问卷121分，回收114份，回收率94.42%，问卷调查的一致性系数分别为0.780和0.703；数据使用SPSS 22.0软件分析。结果显示：大于80%以上的学生对实验各个环节达到熟悉以上的程度；学生对实验各模块的设计满意度也超过80%。另外，少量研究生利用该软件进行实验前学习，认为可在短时间内掌握相关实验的操作方法，对于节省动物、时间，提高设备利用率都有较大的帮助。

表1 学生对“行为药理学虚拟实验”学习效果调查表 n(%)

表2 学生对“行为药理学虚拟实验”各模块评价调查表 n(%)

3 “行为药理学—抗老年痴呆药效学研究”虚拟实验软件合理性评估

为了更好地改进该学习软件，对其设计合理性也同时进行了调研，目的在于调查哪一个环节最需要改进(如表3所示)。

结果表明，操作步骤与时间可进一步改进完善，63%的学生认为操作时间可进一步缩短，53%的学生主张重复性操作步骤可省去更多。

表3 “行为药理学虚拟实验”软件改进需求调查 n(%)

“行为药理学—抗老年痴呆药效学研究”虚拟实验软件设计严谨缜密，充分体现了随机、重复、对照三大基本要素。此类研究性质的虚拟实验可以在RBL实验教学或大学生科创实验教学中使用，非常适合大学生在业余时间拓展医学知识领域，也为部分研究生的课题前研究提供学习平台，在解决实验设备紧张问题的同时节约大量的实验动物。同时，应开发更多类似软件，为医学实验教学质量的提高做出贡献。