兔的形态结构与功能虚拟仿真实验的构建与应用

傅媛媛, 王爱勤, 李世平, 杨凤萍, 殷宝法, 魏万红

(1. 扬州大学 生命科学基础实验教学中心， 扬州 225009； 2. 扬州大学 生物科学与技术学院， 扬州 225009)

家兔解剖实验是生物、动科、兽医、动检、水产等专业一个非常重要的专业基础性实验教学项目。掌握家兔解剖手术的规范化操作流程、各器官形态结构特征及生理功能，可为学生科学严谨学习态度的养成、动手实践能力的提升以及动物生理学、药理学等后续实验课程的学习提供必要的支撑[1-4]。

随着“互联网+”的快速发展，虚拟仿真技术被越来越多地应用于实验教学中[5-10]。目前，国内外与动物解剖相关的虚拟仿真实验多以人体和大型动物如牛、马、犬等为主，主要应用于医学、兽医等专业的临床教学，且由于实验教学内容、教学模式的差别以及知识产权等问题，现有的资源很难应用于我校动物学等课程的实验教学中。为此，围绕解决传统家兔解剖实验教学中存在的一些问题，自主开发了“兔的形态结构与功能虚拟仿真实验”，并且通过实施“虚实结合”的实验教学模式和全过程覆盖的实验考核体系[11]，丰富了实验教学内容，有效提高了学生的学习兴趣和学习效果。

1 传统单一实体实验中存在的问题

一是家兔解剖操作流程复杂、不易掌握。解剖操作从家兔的处死到皮肤的剥离，到腹腔、胸腔的打开，再到各系统、各器官的进一步解剖观察，步骤十分复杂，且操作要点较多。在传统的实体实验教学过程中，一般需要教师在学生独立动手操作前花费大量的时间逐步进行演示和讲解，示教效果差，不仅浪费了有限的实验学时，而且不利于学生利用宝贵的实验动物资源提升实践能力。

二是存在部分器官组织幼嫩、微小、易损(如心脏、胆囊、脑组织等)，生理功能不可见、不可逆(如血液循环、尿液的形成与排放等)、内脏器官易缠绕以及结构不易观察等问题，严重影响了学生学习的效果。

三是存在着预习难、复习难和考核难的问题。传统实验的开展必须借助手术用具器械和实验动物，无法让学生开展实验预习和复习，导致学生在开展实体实验前对整个实验流程和注意事项没有感性认识，课后也不能有效地巩固所学的知识和技能。实验考核理论化倾向严重，大多以笔试的方式代替实体操作，导致对学生的实验考核不全面、不完整。此外，传统实验中还存在家兔购买成本高、实验动物福利与伦理和学生对动物解剖心理畏惧等问题[12-13]。

2 兔的形态结构与功能虚拟仿真实验的构建

为解决上述问题，提升实验教学效果，运用虚拟仿真技术，使用Unity3D、Maya、3DSMax等开发工具，构建“兔的形态结构与功能虚拟仿真实验”，其主要功能架构如图1所示。用户可以通过PC或智能移动终端设备(智能手机、平板电脑)访问虚拟仿真实验系统。进入系统前，需要进行身份验证(后台有数据库支撑，以便记录学习轨迹和实验成绩等数据)，系统会自动判别用户的身份(学生、教师或管理员)，以进入相应的功能区。PC端的主界面如图2所示，下面依次介绍系统的各主要功能模块。

图1 兔的形态结构与功能虚拟仿真实验系统功能构架图

图2 兔的形态结构与功能虚拟仿真实验系统主界面

2.1 解剖模块

家兔解剖的流程大致包括：致死→体壁解剖→消化系统解剖→泄殖系统解剖→循环系统解剖→呼吸系统解剖→脑解剖等步骤。为了便于学生在线开展家兔解剖操作的自主训练，逐步掌握规范化操作流程，将解剖模块(图3)分为3个子模块：1)观摩解剖：此模块不需要任何互动操作，学生通过对3D动画的观摩，初步了解家兔解剖操作的规范化流程；2)虚拟解剖：学生可利用鼠标，按照操作提示，通过对相应3D模型的点击和拖动，按部就班地完成“仿真兔”的在线解剖，实现学生对兔解剖操作规范化流程的了解和掌握；3)自主解剖：在没有任何提示的情况下，学生自主开展“仿真兔”解剖操作的整个流程，可进一步强化对相关技能的掌握。这3个子模块由易至难，符合学生的认知规律，有利于学生牢固地掌握该部分实验的基础知识和技能。

图3 兔的解剖模块

2.2 透视结构模块

在透视结构模块中，学生可完成对兔的外部形态、骨骼系统、消化系统、排泄系统、循环系统、生殖系统结构和组成特征的了解，完成对各器官在体内的相对位置与空间分布，以及相互连接方式等内容的学习(图4)。首先点击右侧菜单中的相应系统或器官名称，即可调出各系统的3D模型，然后通过鼠标点击、拖动或滚轮滚动左侧的模型，实现对家兔外部形态和各系统的缩放和360°全方位观察。

2.3 生理功能模块

为了让学生直观地了解兔在完成呼吸、食物消化与吸收、血液循环、尿液形成等生理活动时其结构组成与生理功能的协同作用关系，在生理功能模块中加入这些内容的3D仿真动画(图5)供学生观摩。1)“呼吸系统”动画：实现呼吸功能时，家兔鼻腔、气管、肺、胸膈膜、胸骨等器官的动态变化过程；2)“消化系统”动画：食物从摄入体内到排出体外，其在口腔、食道、胃、肠等器官中食物形态的变化、养分的吸收、废弃物的排泄等一系列动态变化过程；3)“循环系统”动画：血液在体内循环时，动脉血、静脉血在心脏和血管中的流动与变化过程；4)“排泄系统”动画：尿液形成与排出时，其在肾脏、膀胱、输尿管中的动态变化过程。

2.4 器官复位模块

器官复位就是解剖过程的逆向操作，它有利于学生进一步加深和掌握家兔各系统、器官在体内的相对空间分布。在器官复位模块中，学生可从骨骼系统开始依次选取左侧栏目中的各器官3D模型，并将其放置到“仿真兔”体内原有的位置上，直至完成所有器官的拼装(图6)。操作过程中，如出现器官选取错误或位置摆放错误，系统会自动提示用户，以引导用户完成正确的操作。

图5 生理功能模块

2.5 虚拟考核模块

虚拟考核模块分为解剖考核、复位考核和结构考核等3个部分(图7)。1)解剖考核：按顺序进行解剖操作，系统自动记操作步骤并计分，完成学生对规范化操作流程的考核；2)复位考核：与器官复位模块相似，系统记录操作步骤并计分，完成对各器官空间分布的考核；3)结构考核：看图在相应的结构上填出名称，完成对兔的外形和各系统结构名称的考核。

图6 器官复位模块

(a)解剖考核；(b)复位考核；(c)结构考核

除了上述主要的功能模块外，本实验还包含了目的与器材、在线交流、试题库、微课视频、实验报告等模块，以确保整个实验项目流程的完整实施。

3 “虚实结合”的实验教学模式的构建

为了充分发挥虚拟仿真资源的优势，提高实验操作的成功率和实验教学效果，激发学生学习的兴趣和主动性，将兔的形态结构与功能虚拟仿真实验与实体实验相结合，构建了涵盖实验“前、中、后”3个阶段的“虚实结合”的实验教学新模式(图8)。

图8 兔的形态结构与功能“虚实结合”的实验教学模式

在新模式下，家兔的解剖实验共6个学时，其中虚拟仿真学习占2个学时。学生在实体实验开始前，主要以虚拟仿真学习为主，通过对虚拟仿真系统中各模块的虚拟操作，对实验有一个充分的预习，初步了解相关知识和实验操作流程。线上的虚拟解剖练习还能起到一个良好的过渡作用，有效缓解学生对动物解剖实验的畏惧心理。进入实体实验室开展实体解剖操作时，学生可参照虚拟解剖的操作过程，完成自主解剖操作。教师可大幅缩减示教、讲授等环节的时间，而以个别辅导和答疑为主，将实验学时最大化地“还于”学生。同时，学生可将实体解剖、实体器官与虚拟解剖、3D器官模型相结合，开展比对式学习，进一步规范实体实验操作流程，分析器官结构出现差异的原因。对于实际操作难、组织易破损、微小结构难以观察的部分，学生可以使用虚拟仿真实验的内容进行补充学习。实体实验结束后，学生可利用虚拟仿真实验各个模块进行自主复习，进一步巩固知识和技能。此外，利用系统还可开展师生之间的在线学习交流、实验报告提交与批复等。

4 全过程覆盖的形成性实验考核体系的构建

为解决以往实体实验考核难和理论化倾向严重的问题，有效了解学生对兔的形态结构与功能的掌握情况，构建了覆盖实验全过程的形成性实验考核体系(表1)。通过线上、线下相结合，实现了对实验预习效果、操作过程、实验态度以及学习效果的全方位考核。

5 小结

综上所述，扬州大学生命科学基础实验教学中心为了解决家兔解剖传统实验中存在的手术操作流程不易掌握、部分器官微小易损、结构与功能协同变化过程不可见、实验动物成本高等问题，构建了“兔的形态结构与功能虚拟仿真实验”，并通过实施“虚实结合”的实验教学模式，有效扩展了实验教学内容，提升了实验教学效果，减少了实验动物用量，实现了实验完整、高效、绿色、环保。2018年，“兔的形态结构与功能虚拟仿真实验”被遴选为国家级虚拟仿真实验教学项目。

表1 覆盖实验全流程的形成性实验考核体系