基于虚实结合的基础医学虚拟仿真实验教学平台构建与应用

章喜明， 李锦新， 朱晓琴， 戴建威， 宣爱国， 马长玲， 周丽芬， 魏悦姿

(广州医科大学 基础医学院 基础医学实验教学中心，广州 511436)

0 引 言

国家教育信息化“十三五”规划的建设目标是基本建成“人人皆学、处处能学、时时可学”的教育信息化体系，依托信息技术营造信息化教学环境，促进教学理念、教学内容和教学模式改革，推进信息技术在日常教学中的广泛应用，着力提升学生的综合能力和素质。可见，医学院校应顺应“十三五”规划的目标和要求，更新教育教学理念，大力推进信息化教学，特别是探索现代信息技术与医学教育内容的深度融合，打造汇聚一批优质教学资源的网络化教学平台，并依托平台构建线上与线下相结合的教学模式，致力于学生自主学习与创新实践能力、信息素养的培养[1-2]。

医学实验教学是培养医学生自主学习、创新实践能力的重要途径，但在教学实施过程中由于受制于实验特殊条件、教学成本和教学资源等因素，有些实体实验开展不了，不利于学生的能力培养[3-6]。而构建开放共享的虚拟仿真实验教学平台，线上与线下教学相结合，可有效解决这些不足，如解决珍稀标本和病种来源以及高危险性、高耗材、实验周期长等问题[7-9]。基础医学实验教学中心从2006年起，与知名公司联合研发原创性的虚拟仿真实验软件，在此基础上逐步构建了基础医学虚拟仿真实验教学平台，并作为传统实验的辅助教学与自主学习平台。自2013年起，在实体实验的基础上,依托该平台创新实验教学模式，在临床医学1～2年级本科生探讨虚实结合实验教学模式，线上与线下教学有机结合，既拓展学习时空、提高学习兴趣[10-11]，也强化了自主学习、创新实践能力和临床思维能力的培养，有利于提高人才培养质量和教学效果。

1 基础医学虚拟仿真实验教学平台的构建

1.1 基础医学虚拟仿真实验教学平台的构建

该教学平台包括机能学、形态学、病原生物与免疫学、细胞与分子医学、虚拟生命博物馆5个虚拟仿真实验教学模块。

(1) 机能学虚拟仿真实验模块。该模块包括虚拟机能实验操作系统、VBL-100医学机能虚拟实验室、虚拟标准化病人PBL教学系统以及自主研制的原创性虚拟仿真实验软件，虚拟仿真实验项目共100多项，其中自主研发的项目30多项，包括原创性的特色虚拟仿真实验项目18项，如“溺水后人体生理病理变化与抢救方法”“辛伐他汀对抗H2O2所致的动脉内皮急性损伤”“高端综合模拟人教学系统”等虚拟软件。这些教学软件的使用,可让学生早期接触临床情景,有利于启迪学生开展设计性实验。

(2) 形态学虚拟仿真实验模块。该模块包括数字人解剖系统、全息三维解剖虚拟实验教学系统、形态学数字切片系统以及自主研制的原创性虚拟仿真实验软件。其中“形态学数字切片系统”可在虚拟环境下，模拟显微镜的操作和观察，完成虚拟切片的教学过程，在倍率转换、结构测量、地图漫游和知识点标注等方面突破了显微镜本身的功能限制，学生可按章节系统对正常与病理组织结构进行比较，并可实现正常与病理组织切片的自测与考试。

(3) 病原生物与免疫学虚拟仿真实验模块。该模块包括医学微生物学、免疫学、寄生虫学3个子模块，共有虚拟实验项目近30项，其中，包括与附属医院联合研发的“高致病性病原体患者采样及检测”“华支睾吸虫病的检测与防治”“血吸虫感染诱导的免疫细胞反应”等虚拟实验项目。通过该模块的教学，可避免学生因使用高致病性病原体所带来生物安全的危害、缩短病原体培养时间以及拓展低成功率、高成本的病原体感染动物模型综合性实验项目。

(4) 细胞与分子医学虚拟仿真实验模块。该模块包括虚拟基本技能训练、综合实验、创新实验3个子模块，共有30多个虚拟实验项目，包括自主研发的虚拟实验项目，如“肝癌的检测方法与防治”“PM2.5对血管内皮细胞损伤”“染色体制备与分析诊断”等虚拟实验软件。利用3D游戏引擎、处理因素数据库、体感交互技术等手段虚拟实验过程及模拟结果，可模拟细胞培养、外源基因细胞转染及定量分析基因分型等实验，可调用虚拟化的仪器设备、实验用品开展自主设计实验。该模块解决了分子医学实验所涉及的高成本、高消耗和实验周期长等问题。

(5) 虚拟生命博物馆。目前已建成“医学形态学数字化标本馆”，力争实现网络化、低成本、宽辐射的科普教育目标。数字化标本馆界面分为目录区、标注列表区、功能区、中央展示区和缩略图区域，现建有2 000多张数字化的正常人体标本、各期正常与异常胚胎标本、大体病理标本及致病性寄生虫标本。该模块既可作为传统实验教学的拓展项目，也可兼顾科普教育之功用。

1.2 基础医学虚拟仿真实验教学平台的特点

(1) 基础医学实验教学与虚拟实验教学体系互补。中心围绕“夯实基础、强化能力、突出创新”的教学理念，本着虚实结合的原则，以能力培养为核心，以“建设优质共享实验教学资源、研发特色虚拟仿真实验软件、创新教学内容和教学模式”为目标，探索基础医学虚拟仿真实验教学体系与教学模式改革。构建了5个模块的虚拟仿真实验教学系统，自主研发或合作开发了虚拟实验项目近300项，涵盖了基础医学所有实验教学内容，形成了与实验课程对应、功能互补、内容拓展的基础医学虚拟仿真实验教学体系。

(2) 自主研发特色虚拟仿真实验项目。自主研发20多款原创性的虚拟仿真实验项目，包括科研成果转化为实验教学项目、基础与临床结合项目、高端科研设备的虚拟化项目等虚拟仿真实验软件，这些软件在实验教学中应用情况良好。①科研成果转化为原创性的虚拟实验项目。科研成果转化为原创性的虚拟实验项目并应用于教学，既拓展学生视野,也培养学生的创新意识和创新性思维能力。目前，已研制成原创性的虚拟实验软件6项，如将教育部获奖成果—“辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及机制”转化为“辛伐他汀对抗H2O2所致的动脉内皮急性损伤”虚拟实验项目，启发学生进行机能学设计性实验；卫生部获奖成果-AFP酶标对流电泳测定法转化为“肝癌的检测方法与防治”虚拟实验软件，解决了实体实验中特殊试剂配置难的问题，也利于开展肝癌防治的科普工作。②研发基础与临床结合的特色虚拟实验项目。中心与附属医院联合研发基础与临床结合的虚拟实验项目5项，如开发“椎间盘的解剖与临床”“溺水后人体生理病理变化与急救”“高致病性病原体患者采样及检测”“华支睾吸虫病的检测与防治”等虚拟实验软件，作为拓展性特色项目应用于实验教学。如以椎间盘为中心，围绕其解剖学基础和临床应用的核心知识进行整合，研发“椎间盘的解剖与临床”的虚拟实验软件，通过三维大体标本、影像学图片、动画、视频及人机交互等模块，逐层递进式帮助学生梳理知识点，引导学生更好地理解和掌握椎间盘的相关知识，也让学生了解基础学科相关知识在临床上的应用，培养运用多学科知识解决实际问题的临床思维能力。

(3) 医学教育与科普教育并用。线上与线下科普教育有机结合,虚拟生命博物馆既作为实体实验的拓展内容，也兼顾科普教育之功用。该模块为广州地区大专院校、中小学及社会人士提供了一个在线了解人体结构、胚胎发育、寄生虫病以及正常与异常器官变化的科普教育平台。目前受众已达5万多人次，受益人群将逐年递增。

2 虚实结合的实验教学模式

虚实结合的实验教学模式是当前实验教学模式改革的方向之一[12-13]。为充分发挥传统实验与虚拟仿真实验教学各自的优势,探索线上与线下相结合的新型实验教学模式，中心在临床医学1～2年级本科生试行“虚实结合”实验教学模式改革，包括虚拟实验与实操、模拟实验与实操相结合，线上与线下教学有机结合，取得了良好的教学效果[14-15]。

2.1 虚拟实验与实操相结合

自2013年起，中心在机能实验学、形态实验学等模块的实验教学中，尝试开展虚拟实验与实操相结合的教学模式，即在实体实验的基础上，将平台网站的优质虚拟实验资源有效应用于各实验课程的课前预习、课中教学、课后巩固提高，线上与线下实验教学有机结合。在教学实践中，研究团队发现该模式有如下优势：①方便学生在网络自主开展课前实验预做、课后巩固提高。学生通过操作相关虚拟实验，预习实验内容及操作流程，为实体实验操作做好充分的准备，而对于实验过程中没有完全掌握的操作，可通过课后开展虚拟实验项目来巩固提高；②加深学生对实验原理和难点内容的深入理解,如机能实验学综合实验，有些实体实验看不到的结构和给药途径，通过相应的虚拟实验作为有效的补充，加深学生对这些难点内容的理解；③开展比对学习、提高学习效果，如"数字人解剖系统"直观显示人体3D立体结构，既可进行多维的解剖断层学习，也可与真实的断层标本进行比对学习，通过“虚实结合”来提高学习效果；④对于一些有必要开展但因条件限制暂时开展不了的实体实验，可通过拓展性的虚拟仿真实验项目来补充，如“溺水后人体生理病理变化及抢救方法”“华支睾吸虫病的检测与防治”等虚拟实验。

2.2 模拟实验与实操相结合

从2006年开始，中心率先将高端综合模拟人系统应用于临床医学等本科生的机能实验教学中，自主研发了15个虚拟仿真实验项目，如心脏因素对血压的影响—甲亢并发高血压、综合因素对肺通气和肺换气的影响—II型呼吸衰竭和失血性休克等。以高端综合模拟人(ECS)为载体，按照“临床病例-计算机编程语言-ECS演示其体征-动物实验”方式开展模拟与实操相结合的教学，让学生早期接受临床思维训练。通过ECS演示临床病例，学生从病情的演变过程获取相关信息，然后教师引导学生独立思考如何应用相关基础知识解释临床现象以及疾病的发生机制。在教学实践中，研究团队发现该模式有如下优势：①补充了动物机能学所不能观察到的部分病理生理变化现象，也拓展了在动物和人体不能实现的实验；②实现了基础与临床的深度融合，有利于学生早期接触临床情景和培养临床思维能力。在学校2007年接受教育部组织的本科教学水平评估的专家现场考察中，该模式受到了评估专家的高度肯定。

3 建设成效与实施效果

3.1 教学平台建设成效与应用效果

(1) 建成一个开放共享的虚拟仿真实验教学平台。基础医学虚拟仿真实验教学中心于2015年被评为国家级虚拟仿真实验教学中心。中心通过自主研发及与企业的合作研发，目前已建有虚拟实验项目近300项，充分满足了同学们的自主学习和能力培养的需要。建成的教学平台网站开放共享，既对校内全部本科专业学生开放，也对我校附属医院以及广东省12所联盟高校开放共享。师生可随时登陆校内外网络终端访问学习，目前登陆访问人数已达10万多人次，广大师生获益良多。

(2) 构建了一个开展自主学习的平台。与知名公司合作对原来的平台网站进行升级改造，优化各教学模块及平台管理功能，新增在线作业与考试、学习进度与学习情况统计、在线互动交流等功能。升级改造后的学习平台，通过问答环节、题目自测、学习进度与学习情况统计等，既能开展形成性评价，也可以综合考评学生在线开展虚拟实验情况及学习成绩。平台网站对本科生开放共享，打破了时空限制，学生可随时联网自学、讨论并进行虚拟实验，实现了线上自主学习。

(3) 自主研发一批有特色的虚拟仿真实验教学软件。中心自主研发55项虚拟实验教学项目，其中有自身特色的原创性虚拟实验项目28项，包括科研成果转化实验项目6项、基础与临床结合项目4项、高端科研设备虚拟化项目3项，基于高级智能综合模拟人的虚拟仿真实验项目15项。这些自研的特色虚拟仿真实验项目应用于教学，既开阔了视野，拓展实验教学内容，也提升了自主学习、创新实践能力和临床思维能力，取得了良好的教学效果。

(4) 实现原创性的虚拟实验教学软件转化。为发挥优质教学资源开放共享与示范引领作用，中心还将自主研发的原创性虚拟仿真实验软件通过合作公司转化到山西医科大学、郑州大学基础医学院、长江大学医学院、广州中医药大学、山东中医药大学等20所大学使用，目前已有15个原创性虚拟仿真软件被上述高校购买并使用，产生了良好的社会效益和经济效益。

3.2 虚实结合实验教学模式的实施成效

在实体实验的基础上，依托教学平台在临床医学1～2年级本科生试行虚实结合实验教学模式改革，经过5年多的教学实践，取得了良好的教学效果。该模式既提高了学生的学习兴趣，也有效提升了学生的自主学习、创新实践能力和创新性思维能力的培养，人才培养质量逐年提升:近5年来，学生获得各类课外科研项目351项；开发创新性实验项目500多项；公开发表论文116篇；获国家专利7项；获“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生临床技能大赛等学科大赛奖项100多项。此外，在学校2016年接受教育部临床医学专业认证的专家现场考察中，该教学模式受到了评估专家的肯定与赞扬。

在试行该模式的学生评价反馈中，大多数学生认为该模式提高了学习兴趣、实验成功率以及开阔视野,也有利于培养自主学习能力、创新实践能力和临床思维能力。同时，学生认为通过虚拟仿真实验，可加深对实验原理、关键环节以及一些实体实验看不到的结构等难点内容的理解，而对于改进建议，学生认为还须进一步解决好实体实验与虚拟仿真实验的深度融合。

4 结 语

综上，在基础医学实践教学中，构建基于虚实结合的基础医学虚拟仿真实验教学平台作为实体实验的辅助教学与自主学习平台,线上与线下教学相结合，是实现现代信息技术与医学教育内容深度融合的有益尝试。而摸索以学习者为中心的虚实结合实验教学模式，虽然在实践中取得了一定成效，但如何进一步发挥虚实结合的叠加效应，持续提高教学效果和人才培养质量，还须进一步探讨。