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医学高等教育视角下的虚拟仿真实验教学平台建设探析

发表时间：2021/7/23 来源：《教学与研究》2021年6月上作者：晨航唐金华魏东张文红

[导读] 虚拟仿真技术，又称虚拟现实技术，是用计算机创建一个可视化实验操作环境，通过操作这些虚拟实验仪器或设备，即可进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学目的和要求。

新疆医科大学教务处叶晨航唐金华魏东张文红 830011

        虚拟仿真技术，又称虚拟现实技术，是用计算机创建一个可视化实验操作环境，通过操作这些虚拟实验仪器或设备，即可进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学目的和要求。虚拟仿真技术具有多感知性、沉浸感、交互性和构想性等特征，该系统通过在计算机环境中建立的虚拟实验环境，使实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验操作，实现模拟操作人员的各种感官反馈，使其获得身临其境的学习体验。
        医学教育一直以来都是一种实践性很强的学科，医学的服务对象是人，其理论是建立在实验基础之上的,因此实验教学是医学专业教育必不可少的重要环节。然而传统医学实验教学模式在如今信息技术高速发展过程中存在些许局限性，主要表现在：
        1.受医学伦理学的限制。随着人们对医学伦理学的逐步重视，以及医患关系的日趋紧张，医学生在临床实践中获得的动手机会越来越少，特别是有如心肺复苏急救、临床穿刺治疗等技能操作更是不允许学生直接在病人身体上进行。
        2.实验特殊条件的限制。部分医学实验项目涉及多种高致病菌和剧毒性物质等，如高致病性病原微生物、放射性和剧毒类物质，实验人员和学生可能会面临较大的风险，因此对实验条件要求非常高，学校一般不具备面向全体学生开设此类实验项目的条件。
        3.动物实验不可逆性、实验成本和资源的限制。大多数医学实验项目所需实验仪器设备昂贵、试剂耗材价格较高，或者某些实验动物损耗较多或较贵，尤其是人体解剖实验所需要的尸体等条件限制，往往导致实验项目的开展难以达到理想的实验效果。
        由于以上医学伦理和客观条件等因素的限制，导致部分医学生实践动手能力不强、临床思维欠缺、创新意识不够、专业能力不足，已成为严重制约医学人才培养质量的“瓶颈”问题。因此将虚拟仿真技术运用于医学实验教学，充分利用现代信息技术，开发具有良好交互性、开放性、共享性等特点的开放式网络化虚拟实验教学系统，建设虚拟仿真实验教学平台，为实验教学改革提供了新的途径，为解决制约医学人才培养量的“瓶颈”问题提供了新的思路，增加了学生更多更好地了解实验内容和动手操作的机会，学生可通过运用各种虚拟实验器械和设备，对实验动物或标本、仿真人体器官等进行虚拟操作，可以实现较好的实验教学效果。因此有必要对虚拟仿真实验在医学实验教学中的建设进行研究和探索。
        一、虚拟仿真实验供方角度
        （一）医学虚拟仿真实验中心的建设
       1.虚拟仿真实验中心管理系统及软件模块建设
        虚拟仿真实验教学资源管理系统和虚拟仿真实验软件模块是建立医学虚拟仿真实验教学中心的重要组成部分，虚拟仿真实验室信息化管理系统的建设应当依照“统一规划、快捷实施、资源共享、统一集成”的原则，紧密结合虚拟仿真实验室的实际情况及发展规划，以建立实验室科学化、智能化、门户化管理为重点，以高效率的业务管理、有效的管理监控、完全的实验教学资源统一集成管理与开放服务为宗旨，以充分发挥实验室资源利用效率，服务于师生为目标，进一步满足实验室使用者和管理者的需求，实现实验室从门户集成、实验资源、实验教学、创新实践、实验开放到实验过程、实验人员以及设备耗材的全方位立体化智能管理。
        我国已出现了很多适用于不同高校的实验管理系统，但大多数系统功能较为单一，难以适应不同学校不同学科的具体教学情况，所以各大高校都在积极搭建自己的实验管理系统。青岛大学2017年搭建了基于web的实验管理系统，使实验的管理工作更加高效、规范；云南大学2015年对高校实验教学管理系统进行了研究与分析，实现了教学信息的资源共享，提高了实验教学的工作效率。因此对于医学院校而言，建立一个具有医学特色的虚拟仿真实验管理系统，应满足以下要求：
        （1）管理系统的整合性。医学院校有着学科丰富、各学科间实验项目间差异大、实验项目专业性强、实验操作难度大等特点，因此医学院校的虚拟仿真实验教学无法将所有学科的所有实验项目在一个平台上实现，管理系统的建设需要具备通用的整合功能，方便所有学科接入，按照每个学科自身的特殊要求，建立不同的虚拟仿真实验项目，系统对所有项目进行进行分类汇总，展示在网页上，供学生选择操作。
        （2）管理系统功能的完整性与可靠性。管理系统更重要的作用应当是对学生前台操作和实验教师后台操作的管理，学生用户前台操作内容必须包括学生登录、实验操作、实验报告提交、在线测试、个人信息显示修、在线提问等功能；实验教师后台操作内容包括完成平台的维护、信息的查询、实验作业的布置、批阅实验报告、统计学生成绩等，具体内容包括：①对实验老师、学生、班级的管理，允许管理员对学生的身份进行批量导入与管理，包括学校、学号、年级、班级、小组、姓名、性别、地址、邮编、联系电话、Email地址等身份认证信息；学生和实验教师的权限应当分级别设置，便于学生实验操作，也方便教师加以管理。②对实验项目、实验内容的管理，管理员可根据学生的专业安排实验项目，设置所开放实验内容，设置每个实验的分数、权重、是否需要提交实验报告等功能。③对实验题库、考试信息、学生成绩统计查询的管理，各级管理员可以根据权限，针对不同的实验项目，进行实验题目的批量录入和内容管理，并且根据知识掌握情况的在线考试和测评，学生必须在规定时间内完成试卷内容，并在线提交。客观题自动生成成绩，主观题由老师批阅后，给出成绩，完成对实验教学状态的评估等实验教学管理工作。④开设公告信息发布、在线答疑交流的功能，管理员可以通过后台进行公告信息的发布与管理，在前台首页进行显示；学生在虚拟实验操作过程中，可以通过答疑台接受来自老师的指导，教师也可以通过答疑台与同学互动交流。⑤设置系统日志功能，任何一个用户，包括学生及实验教师，在登录网站进行操作以后，在网站的系统日志都会留下内容，这也是基于安全的考虑，方便以后对业余人员的业绩进行考核。另外，在此也可以查看到某一段时间来访的IP段，以防止黑客对网站的攻击，并且可以对访问IP进行限制。
        2.实验项目软件模块的建设
        医学虚拟仿真技术构建的主要是让学生通过专用的交互设备，实现对仿真人体器官在仿真手术器械作用下的各种变化的模拟和对学习操作人员的各种感官反馈的模拟，以获得身临其境的学习体验。所构建的医学虚拟仿真教学环境可广泛应用于医学解剖教学、手术操作技能训练、手术方案设计、手术规划教学和术后效果评估等方面。与其他领域虚拟仿真教学环境相比，医学虚拟仿真项目的建设必须满足以下要求：1.作为医学虚拟仿真教学环境，其几何模型的构建必须来源于真实的人体医学影像数据，不论真实的还是虚拟的医学实验教学模型，必须满足数据量大、个体化差异大、来源丰富、精度高、比例合适等要求，医学是一门严肃的学科，最终服务的对象是人，因此在实验操作的练习上不能出现任何误差。2.逼真程度要求高，衡量一个医学虚拟仿真环境的好坏，重要的一点就是逼真度，高逼真度的环境可为学习者提供身临其境的沉浸感，需要在视、触、听觉等感知通道提供真实感的体验。3.人体几何模型要求准确。医学教育的目的是培养合格的医务工作者，是为人提供疾病诊治服务的。

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在仿真教学的过程中，各种学习和操作的对象均为人体组织器官的几何模型，如构建的各种脏器、神经、血管等模型，因此对人体进行几何建模，在考虑个体差异的同时，需要精细、准确地表现人体的解剖结构。4.体现人体的生物物理特性，与其他领域的仿真不同，医学虚拟仿真教学训练时，人体模型多体现为软组织的生物物理特性。例如:在探钩的按压下脏器会发生弹性形变；使用手术刀切割会发生组织的撕裂和流血；以及仿真治疗的过程中，人体的血压、脉搏等生理参数会实时发生变化，这些生物物理特性的仿真也是目前学术界研究的热点和难点。5.触觉反馈的精确性和实时性，由于交互对象为人体模型，所以需建立复杂的模拟弹性力学模型。在虚拟仿真教学环境中，让学习者用手或身体的其他能动部分去操作虚拟物体，并在操作的同时能够感觉到虚拟物体的反作用。这种触觉和力学反馈是一个复杂的、与视听觉等其他刺激有关的过程，例如外科医生用手术刀进行精密手术时，他需要有力量的感知，甚至要感觉到手术刀在不同皮肤上操作产生的摩擦阻力和弹力，因此建立高逼真度的力学模型非常重要。
        （二）用户操作系统的建设
        实验室和信息化机房终端台式机作为虚拟仿真实验最常用的操作平台，相关建设工作已经比较成熟，因此不再加以赘述。本文主要对移动端APP的虚拟仿真实验建设进行探索。
        在互联网高速发展的今天，智能手机在我国已经高度普及，并与移动互联网络技术相结合，成为众多用户访问互联网的主要途径。用户可以随时随地，以任何方式通过手机获取服务。因此为虚拟仿真实验中心开发一款移动端APP，具有重要的意义。移动端APP可以使教师和管理员实现移动办公，随时随地监控实验中心情况；并且方便教师和学生的交流，可以在收到新消息时得到提醒并及时查看；且相对于以浏览器访问网页的方式，APP可以提供更好的使用体验和更强大的功能，并有更高的可扩展性。
        医学虚拟仿真实验移动端APP建设需要满足以下要求：1.功能性，移动端APP的功能建设与要从不同学科，不同实验项目入手，满足实验教师、学生、管理者的需求，提升APP的实用性和用户体验。2.操作的简易型和人性化，医学虚拟仿真实验APP设计的初衷应当是给学生和老师提供更好的移动端使用体验，在建设过程中应当符合用户使用习惯的操作逻辑和友好的用户界面设计，可以减少用户的学习成本，省去使用前的培训过程。3.兼容性，由于现阶段手机品牌和型号众多，硬件配置、运行性能和系统版本都有很大的差异，因此移动端APP建设需要满足两个条件，一是兼容不同智能手机系统（Android、IOS等），并做到不同系统可以相互交流；二是兼容相同系统中不同系统版本，做到不同版本中功能一致。4.可扩展性，目前虚拟仿真实验教学中心正在逐步开发和扩展的过程中，后续可能添加更多新的功能和特性，因此APP的后续扩展性也很重要。为了方便后续开发，开发人员要有良好的编程习惯，在开发过程中保持代码的规范和并建立详尽的文档。同时系统的架构设计要详细合理，使架构易于扩展和修改。5.稳定性，保证软件在使用过程中的长期稳定，不会轻易出错或崩溃。要建立详尽的错误提示或日志，方便后期维护和调试。6.安全性，由于系统中的内容为教学资源，攻击价值并不是很高，因此主要对用户做出不符合权限的非法操作进行限制，避免虚拟仿真实验系统损坏从而提高安全性，可以对不同层级使用者的权限进行设置，降低系统损坏风险
        二、虚拟仿真实验需方角度
        （一）管理制度建设
医学虚拟仿真实验教学平台建设需严格执行国家、学校的规章制定，同时根据中心特点制定实验室开放、经费使用管理、实验教学管理、年度考核等规章规定。学校及实验中心制定必要的教学管理和实验室管理制度，保证实验中心规范运行。
        实验教师和实验技术人员也是实验中心必不可少的组成部分，教学实验中心每年应对专职教师和实验技术人员进行定期考核，以激励全体人员的积极性，鼓励先进，促进提高。根据学校考核的有关规定，结合教学实验中心的具体情况，制定“教学实验中心教师考核标准”和“教学实验中心实验技术人员考核办法”，从工作数量、工作质量、技术能力等多方面对教学实验中心的全体工作人员进行考核，为提高实验教学质量和人才培养主动提供优质支撑服务。
        虚拟仿真实验教学的教学质量也应当有所保障。可通过开展集体备课的方式，对首次上岗的教师或新开设的实验项目都要进行试讲和试做，并进行考评与指导，保证教学质量。课后可采取无记名的方法，请学生和实验教师对实验准备工作及实验安排提出意见和建议，组织信息反馈和整改。
        （二）实验教学环境建设
        中心实验室环境设施建设包括实验室面积，房间安排，照明，用电，用水，通风，有毒有害气体排放等多方面问题。实验教学中心各实验室面积、空间及布局设计应当科学合理，实验室房间高度不低于2.5米，地面防滑、耐磨，房屋无破损、无危漏隐患。试验台、柜、桌椅完好，符合规范标准。实验室安装通风设施，照明良好，水、电、气管道及网络走线布局安全合理，噪音低于55分贝，符合国家规范。此外需要安装适合医学虚拟仿真实验教学平台的多媒体、图像传输等系统设备，实验室内基础设施能够达到国家级虚拟仿真实验教学示范中心要求。
        （三）设备维护建设
中心建立“服务教学，兼顾科研，专管专用，资源共享”的模式。具体细节如下：1.专管具体是指专人管理，中心做定期检查和不定期抽查，保证物品的账、物、签相符。2.建立设备完好管理机制，明确管理责任，做到“谁主管，谁负责”，“谁管理，谁负责”，“谁使用，谁负责”，责任到人。3.将设备网络信息化管理，如公布设备名称、编号、型号规格、技术指标、现状等，方便老师和同学的借用，提高设备使用率。4.中心定期派专人组织仪器设备、项目使用讲座，并进行使用前考核，考核合格后，允许使用，避免老师和同学出现违规操作，造成不必要的损失。
        若在使用过程中发现项目故障或损坏，责任人应立即与设备厂商联系，虚拟仿真实验相关公司承诺后期维护维修均由其承担，终身免费享有该权利；学校也应设有专项教学仪器维护维修资金，经费充足，能及时到位，可以满足实验教学中心的设备维护需要。
        三、预期与展望
        总之，与传统实验室相比，虚拟仿真实验室具有节约成本、节约资源、高效益，以学生为主导，不受时间间与空间限制，实验内容丰富等优点，这也是适应不断改革的医学教育模式所必需的。但是，医学生毕业的去向大部分都是医院，面对的是真实的患者，需要通过真实的实验锻炼临床技能基本功，因此，尽管医学虚拟仿真实验室的建立具有广阔前景，但是虚拟的实验仍然无法替代真实的体验。在实际实验教学过程中，可充分发挥虚拟仿真实验的补充作用，通过让学生先进行虚拟实验操作后再进入实际操作，可起到较好的实验效果，始终要秉承“以实补虚、虚实结合、互相补充”的理念，指导实验教师和学生明确医学虚拟仿真实验室的教学功的正确定位，将医学虚拟仿真实验室与传统实验室进行科学整合，对促进医学实验教学改革、提高实验教学质量具有重要意义。
作者简介：叶晨航（1994-），男，硕士，研究方向：医学教育管理研究
通讯作者：唐金华（1974-），男，硕士，研究方向：医学教育管理研究
基金项目：新疆维吾尔自治区高校科研计划科学研究重点项目（XJEDU2016C02）