虚拟仿真技术在大型仪器共享平台中的应用及教学改革探索

白雪 赵方新 牛燕 温建勋 张少杰 蔡永强

【关键字】虚拟仿真技术；医学教育；大型仪器；培训考核；自主学习；仪器预约

大型仪器设备是医学院校开展科学研究、人才培养、学科建设、实验教学的基础[1-2]。尽管各个高校对购置大型仪器设备经费不断增加，大型仪器设备利用率却较低，未能在本科教学和人才培养过程中发挥资源优势，大型仪器设备的使用与高校教学科研工作和人才培养脱节等问题逐渐凸显[3]。因此，大型仪器的教学、培训和实践操作逐渐引起各个高校重视[4-5]。大型仪器实验教学不仅有助于学生熟悉大型仪器的实验操作，还有助于学生了解本专业最新科研方法和手段，提高实验数据分析能力和科研创新能力[6]。为了提升医学类院校大型仪器设备的使用率，促进医学院校形成良好学术氛围，促进学科发展和人才培养，文章深入剖析了大型仪器共享平台存在的问题，探索将虚拟仿真技术合理有效的融入大型仪器培训体系。

1 大型仪器共享平台现状分析

内蒙古大学医科大学自2013 年以来引入多台大型仪器设备，并于2017 年建设了医学实验中心大型仪器共享平台，平台开放共享的大型仪器包括流式细胞仪、扫描电镜、高效液相色谱仪、小动物活体成像仪、实时荧光定量聚合酶链反应仪（polymerase chain reaction，PCR）、激光共聚焦、步态分析仪、生物三维打印机等。为了提升大型仪器设备利用率，满足服务于高校和社会科技创新的需求，与安徽朋德信息科技有限公司合作对内蒙古医科大学大型仪器共享平台进行了网络化建设，利用互联网技术和物联网技术实现了用户管理、门禁管理、监控管理、大型仪器在线预约、机时统计、计费管理等功能。目前，平台不仅承担内蒙古医科大学校本部和三所附属医院的分析测试服务，还承担了内蒙古自治区呼和浩特市及周边盟市医疗卫生院所的科研服务工作。内蒙古医科大学大型仪器共享平台在建设管理过程中大型仪器教学培训主要存在以下问题。

1.1 大型仪器教学培训环节缺失

大型仪器设备网上预约一般流程：用户登录平台—查看大型仪器设备—选择所需设备点击预约—选择检测时间提交预约—预约审核—上机检测。预约审核通过后，学生在预约时间内在智能终端上刷卡开机，再由实验技术人员对大型仪器进行上机检测。由于线上预约和线下实验操作两个环节中缺失了对学生进行大型仪器操作培训和考核这一重要环节，学生在上机检测之前并没有经过专业的仪器原理、使用方法和实验准备等基本技能的培训。学生通常只会照搬文献中的检测方法，对仪器原理不理解，过度依赖实验技术人员的实验操作，实验出现问题时既不会分析问题产生的原因，也不会对实验设计进行改进。

1.2 大型仪器实物培训困难

大型仪器设备通常造价昂贵、实验精密度和灵敏度要求高、使用和维修成本大，多采用专人操作的封闭管理模式。此外，部分大型仪器设备开机检测时间长达6 h、仪器数量少，实验课排课困难。因此，在实际的实验教学中仅限于教师集中授课和仪器实物操作演示、学生集体观摩结合的形式进行。无法让学生进行上机操作培训，甚至不能进行完整的实验操作演示，导致教学培训效果不佳，理论知识无法和实践操作结合，实践操作能力无法得到训练。

1.3 难以形成理论学习+实践培训的闭环

入室人员进室时间不等、研究方向不同、对相关技术、仪器设备原理掌握的程度参差不齐，而实验室专职人员数量有限，仪器教学培训通常采用通识课程、专题讲座等形式，难以形成因材施教的一对一教学和循序渐进的层次教学。大型仪器培训课程应该形成理论学习+实践培训的闭环，根据学生实际情况进行教学。理论培训应实现从掌握仪器原理、构造、功能的一般培训向仪器合理应用、实验设计的高级培训过度。操作技能培训应从学会仪器使用流程的一般操作培训到仪器常见问题分析解决的高级培训过度。

1.4 仪器共享程度不足

随着医学院校仪器数量逐步增多，实验技术人员短缺、工作任务繁重，一人操作多部仪器的不适配问题逐渐凸显[7]。内蒙古医科大学对非实验室专业技术人员未开通自主实验功能，一人操作多部仪器的问题尤为明显，提高大型仪器设备使用率更为困难。为了有效提高本校大型仪器培训效率和质量，增设对大型仪器理论和操作技能的培训和考核，考核通过的人员可以自主操作一部分大型仪器设备。

1.5 大型仪器培训专业要求高

大型仪器设备通常是集物理学、工程学、化学、计算机于一体的高科技仪器设备，尤其是医学院校使用的大型仪器设备常具有多学科交叉的特点，如数字医学3D打印机、运动捕捉系统等设备涉及材料学、工程学和力学等。操作此类大型仪器设备不仅专业度要求高，操作要求严格，还需要具备扎实的理论功底和良好的实操技能，如3D 打印机需要学生掌握计算机三维重建技术，使用运动捕捉系统需要学生掌握运动学相关理论。医学类院校的科研工作应认识到多学科交叉融合的重要性，更要充分认识到大型仪器相关专业技术理论知识培训的重要性，大型仪器的培训教学不仅要面向实验技术人员，还要面向本科生和研究生。

2 虚拟仿真技术应用于大型仪器设备教学培训优势分析

2.1 还原实验场景，丰富培训模式

部分大型仪器操作及原理过于宏观或微观，学生难以理解。虚拟仿真技术通过计算机图像、人机交互、Web 开发等技术模拟再现大型仪器设备及实验场景。大型仪器设备的虚拟仿真实验通过视频、动画和人机交互操作等形式模拟还原完整的大型仪器实验操作过程。实验通常以1～2 个实验案例为主线，贯穿大型仪器设备结构、原理、仪器操作流程、数据后处理等内容。学生通过手机、平板、电脑等终端设备，借助鼠标和键盘等输入设备即可进行大型仪器虚拟仿真实验操作，在人机交互过程中初步掌握大型仪器的原理和操作流程。

2.2 解决大型仪器实验“不敢做”“不好做”的问题

大型仪器虚拟仿真实验可以有效解决实际操作中实验周期长、封闭式管理等问题，不受大型仪器培训时间、地点、实验安全、操作不可逆、设备损耗、实验耗材昂贵等因素的影响[8]。学习者可以在手机端和电脑端反复进行虚拟仿真实验操作，具象了解大型仪器设备的安全操作流程、注意事项和知识要点，快速准确地掌握仪器设备使用方法，有效提高大型仪器培训效率和质量。2021 年，刘苏等[9]探讨了基于虚拟仿真实验的小动物活体成像教学培训，发现结论虚拟仿真实验可以让实验人员高效地学习大型仪器相关知识，快速地掌握大型仪器设备使用方法，尽快投入科研活动。

2.3 “虚实结合”形成理论学习+实践培训的闭环

以线下理论培训+上机演示模式为主的传统大型仪器培训，受培训人数、仪器数量等因素的限制不能满足科研需求，线上虚拟仿真实验教学可以有效提高培训效率[10]。然而，虚拟仿真技术的仿真程度有限，和真实的实验操作还有所差距，部分大型仪器虚拟仿真实验在使用方法、原理等方面仍存在细微差别，造成学生对大型仪器使用细节掌握不够，实物的认知不足和操作误差。学生在完成大型仪器设备虚拟仿真实验后，仍需进行实物现场教学和实践操作，对大型仪器设备的实验原理和操作方法等知识点进行强化训练，待培训完成及考核通过后才可自主上机操作。因此，在大型仪器设备教学模式改革中，要将虚拟仿真实验与课堂教学、大型仪器设备实物操作教学有效融合，才能更好地发挥虚拟仿真技术的优势。

2.4 弥补大型仪器共享不足、上机培训不足等问题

部分大型仪器由于专业性强、宣传力度不足、实验技术人员短缺，造成开放共享范围不足和利用率低[11]。高校可以借助大型仪器虚拟仿真实验，让学生对仪器的原理和应用方向形成初步的认识，激发学生的学习兴趣，提高课堂教学的效率和大型仪器使用率[12-13]。高校根据本校实际教学科研需求，校企合作研发大型仪器虚拟仿真实验项目，也可以通过免费的虚拟仿真平台如国家虚拟仿真实验教学课程共享平台，整合大型仪器虚拟仿真实验，构建大型仪器混合式教学体系。2021 年，刘晶等[14]构建了基于计划-执行-检查-处理（plan、do、check、act，PDCA）模式的大型仪器培训体系，其中线上培训课程体系中使用虚拟仿真实验还原真实的实验情景和仪器结构及工作原理，激发学生自主学习的欲望，一定程度上解决了仪器数量少、上机培训不足等问题。

2.5 提升学生对大型仪器理解的深度和广度

2021 年，柴占丽等[15]运用虚拟仿真技术对透射电镜进行教学培训改革，将透射电镜的虚拟仿真实验和实物仪器操作相结合，虚拟仿真实验包含仪器原理、仪器操作和数据分析处理三个部分。虚拟仿真实验不仅增加了实验成功率，还增强了学生对大型仪器理解的深度和广度和操作分析的综合能力。近年来虚拟仿真实验不再局限于验证类型的实验，综合设计实验、创新型实验逐渐成为虚拟仿真实验的研究方向和热点，不断满足学生对科研实验和创新的需要。

3 虚拟仿真实验在医学院校大型仪器教学中的应用设计

首先，为了解决大型仪器教学培训环节缺失，共享程度不足的问题，在内蒙古医科大学现有大型仪器共享平台仪器预约流程中加入培训考核这一环节，如图1 所示。大型仪器预约使用分为送样检测和自主检测两种方式，送样检测由实验技术人员进行上机检测，自主检测可以用户自主进行上机检测。用户选择自检时，系统判断用户是否通过该大型仪器的培训考核，考核通过即可按照预约时间自主上机检测，没有考核通过的用户需要进行该大型仪器的培训考核或者改选预约模式为送样检测。增加培训考核环节后，不仅能拓宽大型仪器上机检测时间，提高仪器使用率和共享度，还能增强实验人员对大型仪器认识的深度和广度，提升科研实验效率。

其次，为了全面掌握用户的科研需求及研究基础，对申请大型仪器培训的用户进行问卷调查，问卷调查主要内容包括选择需要培训的大型仪器设备、培训目标等级（初级培训、中级培训和高级培训）、对该大型仪器了解掌握程度和主要科研方向等。负责培训的专职教师根据提交调查问卷的结果制定个性化的培训方案，为用户挑选所需培训的大型仪器及培训等级等。

为了充分发挥虚拟仿真技术优势，解决本校大型仪器实物培训困难等问题，将虚拟仿真实验与课堂教学、大型仪器设备实物操作教学有效的融合，构建大型仪器培训三级模式，如图2 所示。将大型仪器培训流程分为初级、中级和高级培训，每件大型仪器均需要按照此流程进行培训及考核。初级培训为线上自主学习，学生可以通过手机端和PC 端进行在线学习，学习内容主要包括大型仪器虚拟仿真实验、大型仪器实物操作视频和大型仪器基础理论微课三部分。已经选修过理论课程的同学可以不用重复学习微课，线上自主学习完成度大于80%且理论考核成绩高于80 分的同学才进行中级培训，否则需要继续学习初级培训内容。中级培训为线下实物上机操作培训，专职教师定期对通过初级培训的学生进行线下实物教学。首先由专职教师演示大型仪器操作、样本前处理及数据后处理等流程，在演示过程中穿插讲述仪器原理和操作注意事项。学生在课下通过多次观摩教师操作并在教师指导下自主操作大型仪器，熟练掌握该大型仪器的操作流程即可申请上机考试，指导教师根据学生操作过程进行打分，考核成绩高于80 分即可预约申请该大型仪器自主上机检测，否则继续进行中级培训。中级培训结束后，学生可自主选择是否进行高级培训，高级培训为线下理论培训，培训内容包括大型仪器相关实验设计、仪器检测及维护和专业技术专题培训。培训方式可通过聘请校外工程师讲座、专职教师专题讲座等方式进行。讲座内容包括该大型仪器相关最新科研进展、涉及其他专业技术培训，如三维重建、有限元分析、统计学、生物信息学等相关内容。融入虚拟仿真实验的三级培训模式，使得大型仪器培训目标更为明确，更具有层次化和规范性。今后，笔者将继续借助计算机、互联网、物联网、虚拟现实等技术探索大型仪器共享平台管理新模式。

图2 大型仪器三级培训流程图

虚拟仿真技术不仅可以减轻一部分实验技术人员培训任务，还能有效提高学生科研学习兴趣、丰富大型仪器教学培训手段。融入虚拟仿真实验的三级培训模式，可使大型仪器培训目标更为明确，更具有层次化和规范性。加入大型仪器培训考核的大型仪器预约功能，可以有效提升大型仪器的共享度、开放度和利用率。虚拟仿真技术不仅可以应用于大型仪器培训，还可以和实验室安全培训等内容相结合。今后，还将继续借助计算机、互联网、物联网、虚拟仿真技术继续推动大型仪器共享平台中的教学改革。