机能实验学虚拟动物实验教学软件的设计与开发

刘筱蔼,李建华,胡景鑫,许继德,卢佳怡

(广州医学院生理教研室,广东 广州 510182)

当今社会和医学科学的迅猛发展,使医学教育面临严峻的挑战。学校不仅要重视学生对知识的掌握程度,还要以培养具有创新能力的高素质人才为目标。能力、素质的培养必然要通过知识的传授和必要的实践来实施,这就要求实验教学向综合型、设计型和网络化转变。而且,学科的发展也给实验形式和内容提出了更高的要求。但传统实验教学方式和教学手段存在诸多不足,难以适应现代教育的要求。因此,新的教学手段的引入迫在眉睫。

虚拟现实技术具有沉浸感( immersion)、交互性(interaction)和构思性(imagination)的重要特征,这些特征在医学教育中得到了广泛应用[1]。无论何种功能的虚拟软件都将对医学传统教学是一个有益的补充和促进,也是医学教育改革有力的推动力量,它不仅节省教育资金的投入,还能提高实验教学水平[2]。但大型虚拟实验系统往往基于专有硬件开发,价格高昂,且实验资源的开发需要专门的技术和创作工具,很难在教育领域推广[3]。而目前广为流行的Flash技术为我们提供了一个成本低、易学易用、具有推广价值的虚拟实验开发平台[4]。因此,我们运用各种图像、场景和版面等制作工具准备好素材后,应用Flash组织动画和编写程序,开发了机能实验学虚拟动物实验教学软件。软件的网络版在校园网上运行,学生或教师可以随时进入虚拟实验室,通过鼠标的点击与拖曳,进行有关实验的仿真操作。

1 虚拟动物实验教学软件的研发思路

1.1 研发目的

《机能实验学》是我国基础医学界教学改革的重要成果之一。我校于1998年组建机能实验室,2002年《机能实验学》成为一门独立的医学实践课程,并于2007年成为省精品课程。2004年机能实验室更名为机能实验中心。机能实验中心通过课堂教学与实验室开放相结合,承担了机能实验学、生理学、病理生理学和药理学等学科的实验教学和科研任务,是开展教学和学生科研的重要基地,在培养学生科学思维能力、动手能力、分析问题能力及创新能力等方面取得了很好的效果。但是,《机能实验学》教学过程中也被诸多问题所困扰[5],例如:①传统的实验教学通常是教师讲解并演示实验过程,学生按实验步骤进行操作,积极性和主动性无法发挥出来;②由于课程整合,有些经典实验不能开展(如蛙心灌流);③实验教学的时间和空间局限;④《生理学》实验教学相对理论教学滞后,而且《病理生理学》与《药理学》实验教学与理论教学也不同步,不利于学生对相关理论知识的理解和掌握;⑤招生规模扩大后,学生人数的增加凸显出实验场地、设备和资金等方面的不足;⑥实验动物价格上涨、动物和药品的过度消耗以及实验废物处理费用引起办学成本增加等。如何解决这些问题,更好地发挥这门课程在学生基本知识学习、实验操作技能训练、创新能力培养和解决问题的应变能力培养等方面的作用,要求我们不断进行探索。

真实的动物实验操作是实验的中心环节,是任何实验软件无法替代的。因此,我们开发虚拟动物实验教学软件的目的是将其作为机能实验学传统教学手段的补充和辅助工具,以便更好地解决传统实验教学中存在的问题。为了实现这个目标,我们在软件制作过程中注意了以下几点:①创建的可视化实验平台有较高的仿真度,可为操作者提供一个具有强烈真实感及强大交互功能的平台,真正实现在逼真的虚拟环境中进行人机动态交互;②结合教师多年实验带教积累的经验,设计多种操作的可能性和后果,使学生能更快地掌握操作要领和技术;③以机能实验学中常用的动物为素材,涵盖机能实验学中要求掌握的重点内容,以及一些实验课上已不做的经典实验。

1.2 开发平台与过程简介

根据研发目的,设计良好的人机交互界面。准备素材、编写脚本并进行分镜头细化后,利用3DS Max7制作三维模型工具、Adobe Photoshop CS对整个版面和三维模型工具进行色调调整、Graphire绘制环境场景和Cool Edit对声音进行编辑和制作背景音等,用Flash将准备好的素材组织成动画,编写程序,实现动画虚拟互动。Flash是Macromedia公司推出的一种矢量动画编辑软件,以便捷、完美和舒适的动画编辑环境深受广大动画制作爱好者的喜爱。由于其采用了矢量图形技术,因此图形可以任意缩放,其所生成的动画体积小,可直接在网络上运行。Flash 5.0以上版本脚本语言功能大大增强,通过编程可开发出具有一定功能的交互式网络动画。Actionscript是一种面向对象的脚本语言,当特定事件发生时,动作控制着对象,这种特性使它适合用来建立交互式虚拟实验室。软件开发流程如图1所示。

图1 软件开发流程图

图2 机能实验学虚拟动物实验教学软件主界面

2 虚拟动物实验教学软件简介

平台主要以青蛙和家兔两种虚拟实验动物为素材(如图2所示),通过虚拟手术器械、实验仪器、试剂和药品等,模拟真实的实验场景。实验内容主要包括家兔手术基本操作、膈神经放电与呼吸运动的调节、减压神经放电与动脉血压的调节、尿生成的调节、蛙类手术基本操作、影响心输出量的因素、某些因素对离体蛙心的影响和期前收缩与代偿间歇八大模块。除手术操作模块外,其余实验项目模块中都有实验说明(包括实验目的和原理等)、手术操作、实验装置和项目观察四个项目,项目下还有子项目。实验操作界面设有“段落选择”按钮,其下拉面版上有各实验项目的具体分类,分类中还有具体的分段,可方便用户根据需要选择实验,让使用更加灵活。

学生或教师可以随时进入虚拟实验室进行仿真操作,通过鼠标的点击与拖曳进行有关的实验。操作过程中包括实验器械的选择、药物剂量的选择、刺激强度和频率的选择、操作部位的选择、操作手法的选择、操作步骤的选择、操作的多种可能性(包括正确操作与错误操作)和后果等,主要是根据实验注意事项和学生实际操作过程中容易出现的问题进行设计的。平台能够对每一步操作做出与实际相符的反应,对错误操作会给出提示或帮助信息,便于学生自主学习(如图3所示)。

图3 机能实验学虚拟动物实验教学软件操作界面

学生可通过平台的“查看”按钮,查看到目前为止的实验操作表现。通过统计操作犯错次数及犯错率,将其评为三个等级:还不错、遗憾和继续努力。平台还提供日访问量查询系统,可统计某一天内网络中访问该实验的次数,方便教师或相关人员掌握某天或某段时间内该实验平台的使用情况。

3 虚拟动物实验教学软件的优势

该虚拟动物实验软件具有人机交互能力强、界面友好、模拟仿真程度高、数据处理能力较强等特点。目前,建立的机能学虚拟动物实验平台已供本校临床医学、口腔医学、麻醉学等十多个不同专业的《机能实验学》、《生理学》、《药理学》和《病理生理学》实验教学之用。对学生调查结果统计显示,对该平台设计的满意率为100%,类似玩游戏的实验方式使之感兴趣的比例也为100%。关于该平台对教学所起的作用,调查显示97.8%的学生认为能提高手术操作技能;98.6%的学生认为对避免实际操作中常犯的错误有很大帮助;79%的学生认为丰富了教学手段;93%的学生认为生动了教学内容;87%的学生认为提高了学习《机能实验学》的兴趣。结合学生和教师的反馈信息,我们认为该实验软件作为机能实验学教学的辅助工具,具有以下一些优势:

3.1 有利于提高《机能实验学》教学效果

3.1.1 强调学生在实验中的主导作用 虚拟动物机能实验平台模拟了一个逼真的、交互性强的实验环境,可通过鼠标自由进行实验操作,体现了实验者对实验的高度自主性。另外,虚拟实验平台不仅提供了多种多样的操作选择机会,而且每一步具体操作都能做出与实际相符的反应,对错误操作会给出提示或帮助信息,学生可以利用这些辅助功能进行自主学习,进一步体现了实验者的自主性。

3.1.2 摆脱了时空的限制,拓展了实验教学的时间和空间 结合学校近年来实行的实验室开放制度,学生可以利用课余或自习时间进行虚拟动物机能实验操作,既不受没有实验动物的限制,也不受实验室作息时间的影响,为学生创造了一个先进而又灵活的实验教学环境。

3.1.3 类似玩游戏的实验方式,提高了学生的学习兴趣 具有现代气息的实验氛围和良好的人机交互界面,无疑会调动学生的学习兴趣和求知欲。因此,学生能主动进入实验的预习和复习阶段,有利于实验教学效果的提高。

3.1.4 丰富了实验内容,提高了学生的实践水平

一方面,有些由于实际条件限制不能开展的经典实验(如蛙心灌流),在平台中可虚拟这些实验的操作;另一方面,学生在运用虚拟平台提供的多种可供选择的操作和辅助功能中,有些操作在实际可能不会碰到,这样进一步丰富了学生的学习内容,不仅使学生更好地理解实验原理、实验过程和器械及仪器的使用等,而且使学生的操作更加规范。

3.2 有利于提高《生理学》、《病理生理学》和《药理学》理论教学效果

虚拟实验平台全真模拟动物实验过程,以交互式教学方法实现实验教学,可在不增加成本的情况下,解决《生理学》教学中实验教学相对理论教学滞后以及《病理生理学》、《药理学》实验教学与理论教学不同步的矛盾,有利于学生对相关理论知识的理解。

3.3 有利于培养学生创造能力和解决问题的能力

在虚拟实验中,学生不必担心实验动物的耐受性、动物死亡以及仪器损坏等,可大胆地进行尝试。通过解除学生的心理负担,使他们能以一种更为主动、大胆的姿态介入实验交互中,从而能更好地拓展学生的创新能力和解决问题能力。

3.4 减少了动物的利用和资金的投入

相对于其他专业,虚拟动物实验平台在医学实验教学中的应用具有无可比拟的优点:它不仅减少了资金的投入,而且减少了对实验动物的需求,体现了人道主义精神。根据需要,学生可反复通过实验模拟进行课前预习和课后复习,为较好地避免操作失误、提高实验效率和减少不必要的实验损失提供一个良好的平台,大大地减少了实验动物的利用和资金的投入,解决了因学生人数增加而造成的实验设备、场地和资金等不足的问题。

现在,学生可以在机能实验中心的计算机上登陆“虚拟动物机能实验室”,进行学习。提高了学生的学习兴趣,规范了实验操作,提高了实验效率,增强了学生的创新能力和解决问题的能力。

虚拟现实技术与教学的不断整合,必将更好地服务于教学,使教学效果达到质的飞跃,这将对教育的发展产生积极而深远的影响[6]。这方面的工作我们才刚刚起步,还有待于进一步完善,以期更好地发挥虚拟实验平台的作用。

[1] 王伟,陈辉.虚拟现实在医学教育中的应用[J].中国教育技术装备,2009,(4):98

[2] 石向群,邬亚华.虚拟实验室在医学实验教学中的运用探索[J].现代教育技术,2006,22(23):34-35

[3] 张天伍,陈利军,陈雪梅.Flash技术在人体解剖学虚拟实验室的应用[J].中国现代教育装备,2007,(6):13-14

[4] 武法提,胡亦宏.基于Flash技术的虚拟实验室设计与实现[J].教育信息化,2006,(9):43-44

[5] 潘志方,金可可,周林.病理生理学模拟实验软件的设计与实现研究[J].中国医学教育技术,2007,21(1):36-39

[6] 葛萱,王清.虚拟现实技术在教学中的应用模式探析[J].中国医学教育技术,2007,21(3):198-201