基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)

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1基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)與特色教學軟件研發(fā)情況

1．1建設(shè)構(gòu)架

基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學資源主要按照學科模塊分類建設(shè)，包括醫(yī)學機能學、醫(yī)學形態(tài)學、病原生物學、細胞與分子醫(yī)學、虛擬生命博物館以及創(chuàng)新性特色虛擬仿真教學等六大模塊。每個模塊根據(jù)實驗教學目標再進行細分，建成了結(jié)構(gòu)層次清晰、適于擴展和依次開發(fā)的基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺。通過自主研發(fā)及與企業(yè)的合作研發(fā)，目前已建有虛擬實驗項目近300項，其中重點建設(shè)的原創(chuàng)性虛擬仿真實驗項目55項。這些虛擬仿真實驗教學資源基本涵蓋了基礎(chǔ)醫(yī)學所有實驗教學內(nèi)容，形成了與實驗課程對應(yīng)、功能互補、內(nèi)容拓展的基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學體系。構(gòu)建的優(yōu)質(zhì)教學資源應(yīng)用于本科生的課內(nèi)實驗教學、設(shè)計性實驗以及課外創(chuàng)新性科技項目的培育訓練。

1．2基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)情況

1．2．1醫(yī)學機能學模塊

機能學虛擬仿真實驗?zāi)K包括虛擬機能實驗教學系統(tǒng)、VBL－100醫(yī)學機能虛擬實驗室及虛擬標準化病人PBL教學系統(tǒng)。經(jīng)過近十年的建設(shè)與完善，現(xiàn)有虛擬仿真實驗項目100多項，60余項實驗因素，自測題庫1300多題，已成為機能實驗學學習的重要輔助平臺。虛擬機能實驗教學系統(tǒng)利用生物仿真引擎、處理因素數(shù)據(jù)庫、3D技術(shù)等手段虛擬手術(shù)和模擬結(jié)果，包括實驗室漫游、藥品試劑、儀器與器械、手術(shù)操作、虛擬實驗、在線考核、課內(nèi)外拓展等子模塊。VBL－100醫(yī)學機能虛擬實驗室含有30多個機能學實驗的全套虛擬仿真實驗，包括了生理、藥理、病生、人體等大量實驗內(nèi)容，每個實驗場景設(shè)置了資料室、動物房、實驗準備室、模擬實驗室和考場等內(nèi)容。虛擬標準化病人PBL教學系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)化教學平臺，將虛擬標準化病人的問診、查體、實驗檢查、病情判斷、機制分析等過程與問題為基礎(chǔ)的學習相結(jié)合。學生充當“準醫(yī)生”完成詢問病史、體格檢查、判斷病情，并圍繞給出的問題就發(fā)病機制、可能的疾病表現(xiàn)、相關(guān)檢測方法等展開討論，訓練學生綜合分析問題的能力。這些機能學教學軟件的使用，補充了動物機能學所不能觀察到的部分病理生理變化現(xiàn)象，也拓展了在動物和人體不能實現(xiàn)的實驗項目。

1．2．2醫(yī)學形態(tài)學模塊

該模塊包括數(shù)字人解剖系統(tǒng)、全息三維解剖虛擬實驗教學系統(tǒng)和形態(tài)學數(shù)字切片系統(tǒng)三個部分。數(shù)字人解剖系統(tǒng)直觀顯示人體3D立體結(jié)構(gòu)，可進行多維的解剖斷層學習，也可與真實的斷層標本進行比對學習，起到了虛實結(jié)合的作用；全息三維解剖虛擬實驗教學系統(tǒng)是借助于全息投影和3D立體成像技術(shù)完成的一種立體感極強的成像，全方位展現(xiàn)人體局部和特定器官的空間結(jié)構(gòu)，可重復(fù)使用，避免人體標本資源的損耗；形態(tài)學數(shù)字切片系統(tǒng)擁有46個章節(jié)的虛擬仿真實驗，包含了數(shù)字切片910張，學生可在虛擬環(huán)境下，模擬顯微鏡的操作和觀察，完成虛擬圖片的教學過程，在倍率轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)測量、地圖漫游和知識點標注等方面突破了顯微鏡本身的功能限制，學生可按章節(jié)系統(tǒng)對正常及病理組織結(jié)構(gòu)進行比較，通過開展比對學習來提高學習效果。此外，還可實現(xiàn)正常與病理組織切片的自測與考試。

1．2．3病原生物與免疫學模塊

該模塊包括病原微生物學、免疫學、寄生蟲學三個子模塊，總計30多項實驗內(nèi)容。細菌形態(tài)學實驗及人體寄生蟲病病原學檢測實驗項目采用虛擬實驗與真實實驗同時進行，而對于高危險性的病毒相關(guān)實驗和高成本動物模型相關(guān)實驗則以虛擬仿真實驗教學為主，如我校研發(fā)的血吸蟲感染誘導(dǎo)的免疫細胞反應(yīng)等項目。通過該模塊的教學，可避免學生因使用高致病性病原體所帶來生物安全的危害、縮短病原體培養(yǎng)時間以及拓展成功率低、成本高的病原體感染動物模型綜合性實驗項目。

1．2．4細胞與分子醫(yī)學模塊

該模塊包括虛擬基本技能教學系統(tǒng)、虛擬綜合實驗教學系統(tǒng)、虛擬自主創(chuàng)新實驗操作系統(tǒng)三部分，近30個虛擬實驗項目。虛擬基本技能教學系統(tǒng)旨在完成模擬細胞培養(yǎng)、生物大分子分離純化等基本實驗技能訓練；虛擬綜合實驗教學系統(tǒng)通過模擬外源基因轉(zhuǎn)染細胞過程、模擬定量分析基因分型等實驗項目，達到培養(yǎng)學生綜合運用多種基本實驗技能的目的；虛擬自主創(chuàng)新實驗操作系統(tǒng)通過調(diào)用虛擬化的儀器設(shè)備、實驗用品，自主設(shè)計可以解決一定科學問題的實驗項目，提升學生的創(chuàng)新思維能力。該模塊解決了分子醫(yī)學實驗所涉及的高成本、高消耗和實驗周期長等問題。

1．2．5虛擬生命博物館模塊

目前，該模塊有2000多張數(shù)字化的正常人體標本、各期正常與異常胚胎標本、大體病理標本及致病性寄生蟲標本。通過中心網(wǎng)站開放共享，既方便校內(nèi)外學生的瀏覽和學習，作為傳統(tǒng)實驗教學的拓展項目，也為中小學生、社會人士提供一個了解生命奧秘的科普平臺。

1．3創(chuàng)新性特色虛擬仿真教學軟件研發(fā)情況

在基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)中，中心注重現(xiàn)代信息技術(shù)與醫(yī)學教育內(nèi)容的深度融合，重點研發(fā)適合實驗教學和能力培養(yǎng)需要的特色原創(chuàng)性虛擬仿真教學軟件。中心目前已自主研發(fā)了50多款原創(chuàng)性的虛擬仿真實驗項目，包括高端綜合模擬人教學系統(tǒng)、基礎(chǔ)與臨床結(jié)合項目、科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學項目、探索性實驗項目、高端科研設(shè)備的虛擬化項目等五個子模塊的虛擬仿真實驗軟件。其中，前兩個子模塊的實驗軟件主要應(yīng)用于傳統(tǒng)實驗教學，作為實體實驗的補充與拓展；后三個子模塊的實驗軟件主要應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學的設(shè)計性實驗以及大學生創(chuàng)新性科技項目的培育訓練。

1．3．1高端綜合模擬人教學系統(tǒng)實驗項目

2006年起，中心率先將高端綜合模擬人系統(tǒng)應(yīng)用于臨床醫(yī)學等本科生的虛擬機能實驗與人體機能實驗學、麻醉生理學和麻醉藥理學實驗課程教學中，自主研發(fā)了21款虛擬仿真實驗項目，如綜合因素對肺通氣和肺換氣的影響－Ⅱ型呼吸衰竭、心臟因素對血壓的影響－甲亢并發(fā)高血壓和蛛網(wǎng)膜下腔麻醉對循環(huán)的影響等。以高端綜合模擬人（ECS）為載體，按照臨床病例－計算機編程語言－ECS演示其體征－動物實驗方式開展模擬與實操相結(jié)合的教學，讓學生早期接受臨床思維訓練。通過ECS演示臨床病例，學生從病情的演變過程獲取相關(guān)信息，然后教師引導(dǎo)學生獨立思考如何應(yīng)用相關(guān)基礎(chǔ)知識解釋臨床現(xiàn)象以及疾病的發(fā)生機制。

1．3．2基礎(chǔ)與臨床結(jié)合項目

為了強化基礎(chǔ)與臨床的結(jié)合，讓學生了解基礎(chǔ)學科相關(guān)知識在臨床上的應(yīng)用，培養(yǎng)運用多學科知識解決實際問題的臨床思維能力。中心與附屬醫(yī)院聯(lián)合研發(fā)基礎(chǔ)與臨床結(jié)合的虛擬實驗項目5項，如開發(fā)椎間盤的解剖與臨床、溺水后人體生理病理變化及搶救方法、高致病性病原體患者采樣及檢測、華支睪吸蟲病的檢測與防治等虛擬實驗軟件，作為拓展性特色項目應(yīng)用于本科生實驗教學。

1．3．3科研成果轉(zhuǎn)化項目

將科研成果轉(zhuǎn)化為原創(chuàng)性的虛擬實驗項目（見表2），并應(yīng)用于設(shè)計性實驗教學以及大創(chuàng)項目培育訓練，既拓展學生視野，也培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新性思維能力。如將獲得國家科技進步二等獎的診斷肝癌的甲胎蛋白酶標電泳測定法轉(zhuǎn)化為甲胎蛋白酶標電泳測定法虛擬實驗項目；將教育部獲獎成果－辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及機制轉(zhuǎn)化為辛伐他汀對抗H2O2所致的動脈內(nèi)皮急性損傷虛擬實驗項目；此外，與我校呼吸疾病國家重點實驗室聯(lián)合研發(fā)的高致病性呼吸道病毒的采集和檢測、人禽流感病毒的檢測等項目，將重點學科的科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容。

1．3．4探索性實驗項目

為了培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新性思維能力，中心自主研發(fā)及合作研發(fā)多個探索性虛擬實驗項目，如基于AR的虛擬大學生創(chuàng)新實驗室虛擬仿真系統(tǒng)、大氣顆粒物對內(nèi)皮細胞中炎癥因子表達影響、實驗動物的急救措施虛擬仿真教學系統(tǒng)和油酸型呼吸窘迫綜合征的發(fā)生與治療等，并將其應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學設(shè)計性實驗及大學生創(chuàng)新性科技項目的培育訓練。

1．3．5高端科研設(shè)備的虛擬化項目

為了解決實體實驗因?qū)嶒灄l件限制、學生不能接觸和操作高端科研儀器的問題，中心研發(fā)了膜片鉗虛擬實驗操作、液相芯片虛擬實驗操作、四腔離體組織槽虛擬實驗操作以及液相激光儀和紫外吸收儀虛擬實驗操作等，并將其作為拓展性實驗項目應(yīng)用于大學生創(chuàng)新性科技項目的培育訓練。同時，也讓學生了解精密儀器工作原理及應(yīng)用，開闊學生的科研視野。

2優(yōu)質(zhì)教學資源及特色教學軟件的應(yīng)用效果

2．1優(yōu)質(zhì)教學資源的應(yīng)用效果

2．1．1校內(nèi)應(yīng)用效果

2013年起，基礎(chǔ)醫(yī)學實驗教學中心整合各模塊虛擬仿真教學資源，通過自主研發(fā)或合作開發(fā)虛擬實驗項目，構(gòu)建了基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺，并于2015年被評為國家級虛擬仿真實驗教學中心。建成的教學平臺網(wǎng)站面向?qū)W校全體學生、教師及附屬醫(yī)院醫(yī)生開放，該平臺不受時空限制，學生可在校內(nèi)任一地點登錄平臺網(wǎng)站。目前登錄訪問人數(shù)已達10萬多人次，廣大師生獲益良多。在實體實驗的基礎(chǔ)上，將平臺網(wǎng)站的優(yōu)質(zhì)虛擬實驗資源有效應(yīng)用于臨床醫(yī)學本科生基礎(chǔ)醫(yī)學各課程的課前預(yù)習、課中教學、課后鞏固提高，線上的虛擬仿真教學與線下實體實驗教學有機結(jié)合，致力于能力培養(yǎng)和提高實驗效果。實驗課前通過操作相關(guān)虛擬實驗，學習實驗原理及模擬操作過程，動手演練拓展性實驗項目，為實體實驗操作做好充分的準備；而在實驗期間，學生可針對有些實體實驗難以觀察到的結(jié)構(gòu)、給藥途徑以及操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過演示相應(yīng)的虛擬實驗，加深對這些難點內(nèi)容的理解和掌握；而對于課內(nèi)還未完全掌握的綜合性實驗，可通過課后的在線虛擬實驗教學模式，對相應(yīng)的實驗進行鞏固提高，從而實現(xiàn)實操與虛擬實驗、線上與線下實驗教學的有機結(jié)合。這種虛實結(jié)合的實驗教學模式，既拓展學習時空、提高學生學習興趣，也有利于學生的自主學習、創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，以及人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效提升：近五年來，學生獲得各類課外科研項目351項；開發(fā)創(chuàng)新性實驗項目500多項；公開116篇；獲得國家專利7項；獲得“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽、全國大學生臨床技能大賽等學科大賽獎項100多項。

2．1．2校外應(yīng)用效果

平臺網(wǎng)站的優(yōu)質(zhì)虛擬實驗資源，除了向?qū)W校師生開放共享外，還面向廣州地區(qū)12所高校實驗室開放共享建設(shè)單位的高校聯(lián)盟本科生開放共享，目前已有數(shù)千人次使用了這些優(yōu)質(zhì)虛擬實驗資源。此外，虛擬生命博物館也作為線上科普教育模塊，面向廣州地區(qū)中小學的科普共建單位開放共享。中小學生通過虛擬生命博物館在線了解人體結(jié)構(gòu)、胚胎發(fā)育、寄生蟲病以及正常與異常器官變化，吸引中小學生熱愛醫(yī)學以及培養(yǎng)良好的生活習慣和預(yù)防意識。線上科普教育受到學生的歡迎與肯定，產(chǎn)生良好的社會效益。

2．2特色教學軟件的應(yīng)用效果

2．2．1校內(nèi)應(yīng)用效果

首先，將創(chuàng)新性特色教學軟件中的高端綜合模擬人教學系統(tǒng)、基礎(chǔ)與臨床結(jié)合項目應(yīng)用于傳統(tǒng)實驗教學，作為實體實驗的補充與拓展。如將高端綜合模擬人系統(tǒng)的21款虛擬仿真實驗項目應(yīng)用本科生的機能實驗教學，既補充了動物機能學所不能觀察到的部分病理生理變化現(xiàn)象，也拓展了在動物和人體不能實現(xiàn)的實驗，同時，也讓學生盡早接觸臨床場景，有利于臨床思維能力的培養(yǎng)。其次，將科研成果轉(zhuǎn)化的實驗項目、探索性實驗項目應(yīng)用于設(shè)計性實驗以及大學生創(chuàng)新性科技項目的培育訓練，既拓展學生視野，也啟迪學生開展大創(chuàng)項目選題以及進行設(shè)計性實驗，有利于創(chuàng)新意識和創(chuàng)新性思維能力的培養(yǎng)。

2．2．2國內(nèi)示范引領(lǐng)作用

中心將自主研發(fā)的近20款虛擬仿真實驗教學軟件通過夢之路公司銷售并轉(zhuǎn)化到廣州中醫(yī)藥大學、山東中醫(yī)藥大學、長江大學醫(yī)學院等20多所大學使用，目前應(yīng)用情況良好，也受到使用高校的肯定，發(fā)揮了中心優(yōu)質(zhì)教學資源的示范引領(lǐng)作用，產(chǎn)生了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。此外，中心研發(fā)的創(chuàng)新性特色教學軟件，在國家級實驗教學中心聯(lián)席會主辦的全國基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學軟件的創(chuàng)意方案和成熟作品大賽中獲得二等獎3項、三等獎2項，發(fā)揮了特色教學軟件在國內(nèi)的示范引領(lǐng)作用。綜上，在基礎(chǔ)醫(yī)學實踐教學中，通過自主研發(fā)一批原創(chuàng)性的特色虛擬仿真實驗軟件，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建開放共享的基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺，并依托該平臺將這些優(yōu)質(zhì)教學資源應(yīng)用于本科生的實體實驗、設(shè)計性實驗以及創(chuàng)新性科技項目的培育訓練。這種虛擬實驗與實操相結(jié)合、線上與線下教學相結(jié)合的方式，創(chuàng)新了實驗教學模式，是實現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)與醫(yī)學教育內(nèi)容深度融合、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有益嘗試。雖然這些特色虛擬仿真實驗軟件使用情況良好，也取得一定的育人成效，但如何更好地解決實體實驗與虛擬仿真實驗的深度融合，如何更好地發(fā)揮特色軟件助推學生開展設(shè)計性實驗與創(chuàng)新性科技項目，持續(xù)提高教學效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量，還須進一步探討。

參考文獻：

［1］樊守艷，王繼浩．基礎(chǔ)醫(yī)學虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀分析與展望［J］．中國教育信息化，2018，（2）：88－89．

作者：周麗芬 馬寧芳 章喜明 朱曉琴 李錦新 黃婉丹 戴建威 馬長玲 單位：廣州醫(yī)科大學基礎(chǔ)醫(yī)學院基礎(chǔ)醫(yī)學實驗教學中心