基础医学虚拟仿真实验平台的构建与实践

林 栋 谭风和 栾海云 侯玉东

医学本身是一门实践性极强的学科，实验教学在培养医学专业人才的实践能力和医学思维等方面发挥着不可替代的作用[1]。目前，在实验教学运行过程中，由于受到各种条件的限制，存在一些问题和不足，主要表现在：(1)实验内容单一，更新速度滞后，综合性及设计实验项目不足，与医学领域新技术、新理论迅速发展的今天不相适应。(2)实验授课往往采用传统的示教方式，教学方法和手段单一，难以激发学生上实验课的积极性和主动性。(3)实验教学条件受限制。如：高致病性病菌、剧毒类或放射性物质实验在普通实验室难以实现；某些生化实验需要昂贵的仪器及试剂，限制了实验的开展。

由于上述诸多因素，导致医学生动手实践能力不强、医学思维欠缺，专业能力不足，已成为医学人才培养的严重制约瓶颈[2]。近年来，虚拟仿真技术由于具有交互性、安全性、开放性及共享性等优势已经应用于在医学院校的实验教学过程中，为医学教育改革及专业人才培养提供了新的思路和有效手段[3]。

1 基础医学虚拟仿真实验平台构建的意义

近年来，教育部大力倡导虚拟仿真实验教学资源的建设工作，并且将其作为高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，以此推动学科专业与信息技术的深度融合[4]。

虚拟仿真技术，是指在计算机上构建各种虚拟实验环境来模拟真实实验场地，实验者可以像在真实的实验环境中一样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，获得身临其境的学习体验，并完成各种预定的实验项目[5-6]。虚拟仿真技术改变了传统的实验教学模式，使学生的学习形式更加灵活丰富，并体现出独特的优势。

1.1 降低实验教学成本 利用虚拟仿真实验可以对一些耗材较为昂贵且对实验设备要求较高的实验项目：如复杂实验、危险性实验、消耗大量动物及尸体实验等实验，进行多次反复练习，这样既可以保证实验教学质量，又能减少消耗，有效降低成本。

1.2 提供开放式实验环境 虚拟仿真实验平台不受时间和空间的限制，学生可在任何时间，任何地点进入虚拟实验室进行虚拟实验操作。学生可以自拟实验项目，自行组织实验内容，使医学生在实验教师的指导下实现从灌输式被动学习到积极灵活主动性学习的转变。

1.3 增强课堂趣味性 通过虚拟仿真技术在计算机上生成一种高度仿真的实验环境，使学生在逼真生动的动画操作中体验置身其中的感觉，能够大大激发学生的实验兴趣，增强求知欲和探索欲。

1.4 提高实验融合性 虚拟仿真实验平台把实验内容、仪器设备、实验动物和标本、教师指导和学生操作等进行有效的融合，实现互动教学，使学生对实验形成直观性、整体性的认识，进而提高实验教学效果。

2 基础医学虚拟仿真实验平台构建的内容

根据专业建设和医学人才培养的要求，我校投资350余万元建成了基础医学虚拟仿真实验平台。平台的建设遵循了两大理念：(1)充分利用虚拟仿真实验开放性、交互性及共享性特点，进一步推进医学实验教学改革，丰富实验项目，增加学生动手操作的机会，重点解决实际实验中由于条件限制，不能大范围开展、不能反复训练、实际训练效果不佳等客观问题；(2)打破根据学科、课程设置实验内容等限制，形成基于器官、系统、疾病的系统化虚拟实验教学体系，与现代医学教学规律与发展趋势相契合，为培养医疗卫生行业所需的高水平医学人才培养搭建平台。

基础医学虚拟仿真实验平台下设六大子平台，涵盖了基础医学的主要实验课程(图1)。

图1 基础医学虚拟仿真实验平台

2.1 机能学虚拟仿真实验平台 在该平台上，学生通过采用人机互动的虚拟仿真操作来完成实验项目，同时配合动画和视频演示相关仪器设备和实验动物的操作知识，便于学生熟知操作步骤。实验项目主要是大型综合性实验，一个实验项目内通常包涵多个子实验模块，学生运用所学知识，通过虚拟操作掌握相关实验技能，可有效锻炼学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

2.2 分子生物学虚拟仿真实验平台 该平台通过建立一个仿真实验室场景，把实验用到的设备、工具和生化试剂都放到实验的虚拟场景中去，所用到的设备参数和实验数据都可以通过虚拟实验室的场景对设备和工具进行模拟输入设定，学生在虚拟场景中进行各项实验操作。分子生物学虚拟仿真实验可有效地去除繁琐的实验准备工作，减少昂贵实验材料的使用，同时虚拟的实验资源可不断重复、反复使用，最大程度提高学生的操作技能。

2.3 病原微生物学虚拟仿真实验平台 该平台主要包括现实条件下中难以实现的高危实验项目和一些不易采集到的教学标本。通过在计算机上构建虚拟逼真的实验环境和实验对象，将显微镜下的微观世界进行生动、形象的展示，提高学生实验兴趣，激发学习热情。

2.4 形态学数字化实验平台 该平台主要集成了组织学切片系统、病理学切片系统、大体病理系统、寄生虫系统、微生物系统、数字胚胎系统等数字化切片模块。学生可通过网络或显微数码互动教学系统进行虚拟和实物图对比学习，并与指导老师进行实时互动。通过进行数码显微镜与数字切片互动教学和学习，使学生加深对相关知识的理解。

2.5 中国数字人解剖实验平台 该平台是基于中国数字人体数据库研发的数字人解剖系统，采用窗口的形式分别显示人体的横断面、冠状面、矢状面截面图，并且能够使用虚拟切刀进行层面选择。学生在进行尸体解剖的同时，同组人员可通过该系统观察相应部位或器官的结构图像，加深理解。通过使用数字人解剖系统可在一定程度上弥补尸体及教学标本的的不足。同时，因可任意切刀，使实验课变得生动，教学效果得到提高。

2.6 PBL实验教学平台 该平台将PBL教学与虚拟仿真技术有效融合起来，根据PBL的教学理念，采用标准化病人结合PBL教学模式，实现模拟患者就诊、体检、实验室辅助检测、诊断和案例分析与讨论等全过程，有效培养学生的临床思维和团队意识，同时弥补PBL教学指导老师数量有限，教学空间不足等实际教学过程中存在的困难。

3 基于基础医学虚拟仿真实验平台的教学特点

依托于互联网的虚拟仿真实验教学模式与传统的面对面课堂教学有很大不同。它打破了传统实验时间、空间、人数上的局限，学生可随时、随地、反复地进行虚拟实验操作，解决了传统实验教学受实验场地和实验学时的限制，使实验教学在时间和空间上得到有效延伸。另外，它能够灵活地为不同学生提供不同的实验内容，教师可根据学生对知识的熟练和掌握程度，安排相应的实验内容和学习进程。

3.1 学生实验 学生可以根据指导老师的安排，在虚拟仿真实验平台上进行实验操作，也可以根据自身情况自主选择实验项目。在完成实验内容后在线提交验报告，并实时查看本人实验成绩和老师评语。

3.2 教师管理 教师通过管理平台对实验教学的过程进行有效管理，如学生分组、实验内容设置，对虚拟实验完成情况进行实时检查、督促等。后台评分系统能对实验操作的完成质量和对知识点的掌握程度进行智能化评价，自动给出实验成绩。

3.3 在线互动交流 学生在操作虚拟实验的过程中，可以通过答疑平台与教师互动交流；教师可以实时观察学生实验操作的进程，及时发现实验过程中出现的问题并予以纠正。

基础医学虚拟仿真实验平台的构建，革新了实验教学模式，增加了学生动手操作的机会，激发了自主学习兴趣，增强了实践能力，提升了临床思维，为促进实验教学质量的提高，培养高水平医学人才培养提供了可靠的保障。