基础医学虚拟仿真实验教学平台构建研究

赵 琪, 孙 红, 孙艳梅, 车鹏程

(华北理工大学 基础医学院, 河北 唐山 063000)



基础医学虚拟仿真实验教学平台构建研究

赵 琪, 孙 红, 孙艳梅, 车鹏程

(华北理工大学 基础医学院, 河北 唐山 063000)

华北理工大学通过营建基础医学虚拟仿真实验教学平台和多元化的教学模式,激发学生的学习兴趣,增加学生动手操作的机会,帮助学生掌握科学研究的基本过程。开放式网络化基础医学虚拟仿真实验平台和慕课(MOOC)教学资源丰富了实验教学内容和手段,逐渐成为学生自主学习、自助学习的重要场所和学习方式,能够突出探究、实践和创新,提高学生自主学习和研究性学习能力。

基础医学; 虚拟仿真实验平台； 实验教学改革； 自主学习； 研究性学习

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网上教学形式。基于MOOC的虚拟仿真实验平台是信息技术与教学内容深度融合的产物,具有安全、开放、共享的特点,在实现校内外乃至更大范围内的实验教学资源共享,满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学需求方面呈现出旺盛的生命力和较强的扩展能力[1-2]。

在应对医学教育国际化的进程中,华北理工大学建立了开放式、共享性的基础医学虚拟仿真实验教学平台。该平台具有先进性、逼真性、完整性、灵活性、针对性和普适性,促进了医学实验教学改革、提升了教学质量[3-4],实现了医学教学资源集约化建设。

1 基础医学虚拟仿真实验平台建设背景

(1) 网络化的教育平台在世界范围内得到了快速发展。随着计算机和网络技术的飞速发展,教育也在发生着深刻的变化,哈佛、耶鲁、斯坦福等知名大学已在互联网上提供部分免费课程教学视频,中国的网易公司则把这些资源收集起来放在一个公共网络平台上供大家观摩学习。例如,通过这个平台,任何人都可以在世界各地、任何时间听到哈佛大学Michael J. Sandel教授讲的“正义”课程。互联网已经成为一个巨大的教育平台。

(2) 全世界保护动物的趋势。医学本身是一门实验科学,其理论是建立在医学实验基础之上的,实验是医学生学习和掌握医学知识的重要途径。但是全世界动物保护的发展趋势使得医学教学中的动物实验越来越少,这必然需要用另外一种手段来代替,虚拟医学实验在医学教育中将起到越来越重要的作用[5]。

(3) 实验室开放的要求。进行医学实验需要动物、药品等一系列配套资源,涉及到经费和随时变更的资源要求。因此,医学实验室对学生开放相对较难,而虚拟医学实验可以做到随时随地开放。

(4) 医学实验需要直观展现。医学实验需要技术和经验,因此一直存在着传、帮、带的教学模式,需要大量实验和实践。对于实践操作的学习,模拟是非常重要的一个环节,通过交互的动画展示更有利于学生对实验操作的学习和掌握。

(5) 教育部在高校推行虚拟仿真实验教学。教育部在全国开展“国家级虚拟仿真实验教学中心”的认定和建设工作,要求虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。学生进行虚拟仿真实验能够达到教学大纲要求的教学效果[6-8]。

2 基础医学虚拟仿真实验平台的建设目标

(1) 实现学生随时随地的学习。整个平台以Internet为基础构建,持有注册账号的学生可以随时随地学习平台上提供的相关医学课程。

(2) 构建丰富、完整的医学知识体系。充分利用平台的良好展示功能,将完整的医学知识体系置于网络上,便于学生的学习和实践。虚拟实验教学内容包括机能学实验、形态学实验、人体解剖学实验、分子生物学实验、PBL教学等模块(见图1)。

图1 丰富完整的知识体系

(3) 学习内容易于扩展的框架结构。平台构建完成之后,可以展示学校的特色科研成果，教师还可以将自己拓展的医学知识上传到平台供学生学习(见图2)。

(4) 追踪每位学生学习情况。利用网络学习的交互操作,跟踪记录每一位学生的学习情况,了解和掌握虚拟实验中心的使用情况,真正起到促进学生学习的目的。

(5) 积极申请省级虚拟仿真实验教学中心项目。华北理工大学力图通过虚拟仿真实验教学平台的建设,让教师善用虚拟仿真实验教学方法,提高实验教学效果,为申请省级虚拟仿真实验教学中心奠定基础。

(6) 节约实验费用,提高学习效率。去除繁琐的实验准备工作,节省人力资源；减少实验动物的使用、试剂的消耗、实验器材的损耗。此外,还要充分调动学生的学习兴趣、培养学生的想象力和创造力。

(7) 实现资源共享。开放部分网上课程内容,根据需要做到教学资源与社会共享。

华北理工大学基础医学虚拟仿真实验平台包括系统管理平台和虚拟仿真平台两部分。

3 系统管理平台建设项目和内容

系统管理平台由学生管理、教师管理、实验室管理员、系统管理员等模块组成。

图2 易于扩展的框架结构

3.1 学生管理模块的功能

(1) 普通知识:是对社会公众开放的知识,不需要登录即可以访问；

(2) 模拟实验:医学不同分支学科、不同实验室的模拟实验,请求某个模拟实验要传入线索信息,例如“基础医学院→机能实验室→心血管实验→动脉血压调节”；

(3) 专业知识:专业知识可以是针对某些学科理论性强的专业知识,需要登录才可以访问；

(4) 实验预约:预约后可以到实验室进行实验(属于实验室管理模块的功能)；

(5) 作业提交:主要指实验作业的网上提交；

(6) 作业反馈:教师批改作业后反馈给学生；

(7) 在线考试:进行某种理论知识或实验机能的在线考试；

(8) 登录:以自己的账户登录到虚拟仿真实验系统；

(9) 使用记录:记录学生的使用次数和使用时间,给教师提供反馈。

3.2 教师管理模块的功能

(1) 添加内容:教师可以添加理论知识或是虚拟实验,理论知识一般使用一个页面进行表达,通常不分支；而虚拟实验则比较复杂,通常含有分支的功能,即每一个虚拟实验可能有若干个具有层次性的页面构成；

(2) 布置作业:给学生布置理论或实验作业；

(3) 批阅作业:对学生提交的作业进行网上批阅；

(4) 在线答疑:对学生在网上提出的问题进行解答；

(5) 在线考试:组织在线考试,包括考试组题、启动考试、阅卷等项工作。

3.3 实验室管理员模块的功能

(1) 添加设备:添加一个实验设备到数据库；

(2) 删除设备:当实验设备报废后从实验室删除该设备；

(3) 设备使用记录:记录日常设备使用情况；

(4) 应答实验预约:回复学生提出的实验预约；

(5) 实验室排课:安排实验室的实验课程(如果在学校层面已经安排,则变为预留功能)；

(6) 信息发布:实验室各种信息的对外发布；

(7) 学习统计:统计学生的学习情况。

3.4 系统管理员模块的功能

(1) 学校管理:维护学校主页,维护学校独有的信息(例如学校自己制作的理论知识网页,虚拟实验模块等)；

(2) 用户管理:用户管理包括用户添加、编辑、删除等,对于每一个用户都有一个角色,而每一个角色都具有一定的权限(例如学生用户可以使用学校购买的资源)；

(3) 系统维护:包括软件升级,硬件更换等；

(4) 数据管理:包括数据的添加、编辑和删除；

(5) 数据备份:对有效数据进行备份。

4 虚拟仿真实验教学平台的建设内容

虚拟仿真实验教学平台的教学资源建设是重中之重。在继承华北理工大学原VBL-100医学机能虚拟实验系统中包含的多项实验模块的基础上,扩展了虚拟标准化病人+PBL教学临床思维案例、病原微生物学、细胞分子学、生物化学、解剖学等多个虚拟仿真实验教学模块。教学内容的选择,不但注重知识的完整性,而且注重发挥虚拟实验的特殊性,实现人机交互,实现难于在现实中完成的高成本实验操作[9-10]。

4.1 机能学实验模块

设置有心血管系统、呼吸系统、神经和骨骼肌系统、消化系统、泌尿系统、药物实验室6个模块,展示37个实验项目。

4.2 形态学实验模块

图片库由基本组织、神经系统、眼和耳、循环系统、皮肤、免疫系统、内分泌系统、消化管、消化腺、呼吸系统、泌尿系统、生殖系统等12部分组成。

实验操作包括组织标本切片和染色技术、显微镜成像原理、流式细胞检测技术、生物芯片技术、免疫组织化学技术、原位杂交组织化学技术、干细胞技术、体外受精及其衍生辅助生殖技术、医学寄生虫学常用技术汇总、微生物学常用技术汇总、免疫学常用技术汇总、细胞生物学常用技术汇总、阴道毛滴虫、杜氏利什曼原虫等14类实验技术。

4.3 人体解剖学实验模块

设置了3D模拟人体解剖和图片库两个模块。图片库涵盖运动系统、内脏学系统、脉管系统、神经系统、内分泌系统。

4.4 人体虚拟实验模块

设置人体心电图描记、人体血压测量及影响因素、人体心音、人体呼吸运动的描记及影响因素、人体肺功能的测量、人体脑电图描记、人体肌肉反应、人体肌电、反射与反应时间、人体感觉实验、人体眼动电、人体泌尿系统实验等12个模块,展示44个实验项目。

4.5 实验动物模块

实验动物介绍包括大鼠、小鼠、豚鼠、裸鼠、金黄地鼠、蟾蜍、家兔、犬、猕猴、猫。

实验动物基本操作包括实验动物编号、实验动物插管技术、实验动物注射给药、实验动物捉拿方法。

4.6 实验仪器模块

包括生理仪器、药理仪器和其他仪器,共展示27种仪器设备。

4.7 分子生物学实验模块

(1) 基本操作:包括细菌培养、电泳检测DNA、酶切及分析鉴定；

(2) 感受态细胞的制备:包括总DNA提取、质粒DNA提取、PCR、质粒载体和外源DNA的连接反应、克隆的筛选和快速鉴定；

(3) 总RNA提取及荧光定量PCR:包括总RNA提取、逆转录(RT)、荧光定量PCR；

(4) 蛋白提取及免疫蛋白实验:包括总蛋白的提取及浓度测定、SDA-PAGE电泳、转膜过程。

4.8 PBL教学模块

PBL教学模块设置了3个情境案例,包括遗传性球形红细胞贫血——小男孩的皮肤为什么会发黄；失血性休克病情发展讨论——两个战士的不同；高血钾性周期麻痹——一个小女孩的遭遇。

5 结语

网络化的基础医学虚拟仿真实验教学平台的优势是:能够让学生随机、随时、尽兴地进入实验状态,有利于提高学习兴趣；基于网络的医学实验平台易组建、内容丰富且易扩展；虚拟仿真实验项目具有成本低、安全和可重复的优点,更易于开放共享。网络实验教学模式为学生提供了可移动的电子教学场所,教学不再局限于有形的实验室中,教学活动的空间和时间得到了极大扩展[11-12]。同时,可以借助虚拟仿真实验教学平台推进课程整合、PBL/CBL教学和MOOC建设。因此,无论是在提高实验教学质量方面,还是在降低教学成本方面,基础医学虚拟仿真实验教学平台的建设都具有重要的现实意义。

References)

[1] 张振虹,刘文,韩智.从OCW课堂到MOOC学堂:学习本源的回归[J].现代远程教育研究,2013(3):20-27.

[2] 王文礼.MOOC的发展及其对高等教育的影响[J].江苏高教,2013(2):53-57.

[3] Torres K,Torres A, Pietrzyk L, et al.Simulation techniques in the anatomy curriculum: review of literature[J].Folia Morphologica,2014,73(1):1-6.

[4] 李媛媛,吴洪娟,刘雨清.医学虚拟仿真实验室的定位及应用前景[J].基础医学教育,2015,17(4):362-364.

[5] Tal H.Animal experimentation,animal welfare and scientific research[J].Refuat Hapeh Vehashinayim,2013,30(4):16-22.

[6] 教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].(2013-08-21)[2016-07-10].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html.

[7] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[8] 李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设,提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):6-8.

[9] 邝玉,曾蔚,马巨辉,等.虚拟仿真实验在病原生物学实验中应用设想[J].四川生理科学杂志,2014,36(4):199-201.

[10] 杨银峰,朱月春,王昕,等.虚拟实验技术在分子生物学实验教学中的应用[J].昆明医科大学学报,2013(11):133-136.

[11] 黄坪,李红松,潘克俭,等.基于MOOC的医学虚拟仿真实验室建设探讨[J].实验技术与管理,2014,31(12):104-106,109.

[12] 王燕,车敏,楚慧媛.中医院校建设基础医学虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].甘肃中医学院学报,2015,32(2):94-96.

Research on construction of virtual simulation experimental teaching platform for basic medical sciences

Zhao Qi, Sun Hong, Sun Yanmei, Che Pengcheng

(School of Basic Medical Sciences, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China)

Through the construction of the virtual simulation experimental teaching platform for basic medical sciences and the diversified teaching mode, the students’ learning interest is stimulated，and the students’ hands-on opportunities are increased, helping them to master the basic process of scientific research. The experimental teaching contents and means are enriched by the open network of the virtual simulation experimental platform for basic medical sciences and MOOC teaching resources, which has gradually become an important place and the way for the students to learn independently and autonomously, focusing on the exploration, practice and innovation and improving the students’ ability of autonomous learning and research-oriented learning.

basic medical sciences; virtual simulation experimental platform; experimental teaching reform; autonomous learning; research-oriented learning

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.033

2016-05-26

河北省教育教学改革研究项目(2015GJJG290,2016GJJG303)；华北理工大学教育教学改革研究项目(z1408-08)；华北理工大学教育教学改革研究项目(Z1212-12)

赵琪(1965—),男,河北唐山,本科,高级实验师,实验室主任,主要研究方向为实验教育教学管理

E-mail：xsum1@hotmail.com

车鹏程(1970—),男,河北景县,博士,教授,硕士研究生导师,副院长,研究方向为教育教学管理.

E-mail：3725930@163.com

G642;R-4

A

1002-4956(2016)11-0135-04