大鼠脑关键核团精准定位与快速取材虚拟仿真实验项目的建设及应用*

侯俊林 杨丽萍△ 曹 珊 李晓冰 赵培源 刘喜红 刘 征 陈四清

虚拟仿真实验是智能环境下教育发展的必然选择[1]。与传统教学模式相比,它能节约教学资源[2],改善实验可视感,充分调动学生的学习积极性[3]。上世纪九十年代中国虚拟仿真实验开始起步[4],2013年—2015年教育部在全国范围内建成了300个国家级虚拟仿真实验教学中心[5]。2017年教育部启动了国家虚拟仿真实验教学项目的认定工作[6]。因此各级各类院校都在积极建设虚拟仿真实验并将其应用于教学[7-9]。

大鼠脑组织是医学研究中常用的动物组织,大鼠脑组织关键核团的精准定位和准确快速取材是医学各专业学生必备的实验技能。由于大鼠脑组织结构复杂、核团众多且细小,不易准确识别,且组织柔软易损伤,新陈代谢旺盛,耐缺血缺氧能力差,操作时间过久组织容易液化。因此要求大鼠脑组织关键核团的定位必须精准,取材必须快速准确。在实验演示中,由于可暴露创口小,本实验又属于操作复杂的实验,因此演示效果不佳[10,11]。而学生直接实验成功率低、实验成本较高,多数医学院校本科教学难以开设。依据一流学科创新人才培养计划要求,河南中医药大学医学综合设计性实验课程中为本科生开设了大鼠海马组织精准定位与快速取材实验,但主要以演示实验为主,关键步骤需要老师代做,难以让学生独立操作完成整个实验过程,也很难支撑后续其他实验课程的开展及科研工作需求。因此,亟需建设大鼠脑关键核团精确定位与快速取材虚拟仿真实验。

1 实验教学目标

实验教学目标为:①掌握大鼠海马、垂体、杏仁核等关键核团的形态结构及位置关系。②了解脑立体定位仪技术原理,掌握脑图谱的使用方法及精确定位大鼠脑某一关键核团的操作方法。③掌握大鼠脑关键核团的快速取材方法,培养学生的探索创新和实践能力。

2 实验教学过程与方法

将虚拟仿真实验与传统授课相结合具有良好的应用效果[12]。本实验采用“以虚补实、虚实结合”的原则,采用线上线下混合式教学模式,共设置6个学时,线上虚拟仿真实验3个学时,线下实际操作3个学时。

将实验课程资源上传到网络教学平台,学生可以通过网络教学平台了解实验项目。在该实验项目中会呈现出实验的基本要求和实验资源,以让学生预先了解实验原理、实验目的和实验内容,掌握核心步骤操作要领、注意事项等。具体实施过程包括:①学生网上注册,获取听课资质,点击演示学生可以观看图片学习大鼠脑组织各关键核团的形态结构及解剖关系,观看视频掌握正确的操作过程及其要领。②学生通过“模拟”模块进行仿真训练,随意通过透视、旋转、拆装、拼接等虚拟化转换关键核团位置,使复杂结构间位置关系直观化,直至深刻理解,快速掌握。通过学习实验原理、反复进行虚拟演练,熟悉操作要领和关键参数直至胸有成竹、游刃有余。③学生通过“测评”模块中试题考核和操作考核两部分内容,系统自动记录完成质量和完成时间,并给予客观分值。满分同学可进入真实实验室完成整个实验过程。

3 交互性操作步骤简介

产生人机交互和计分点的操作类实验课程,在信息化教学中具有更好的便利性与沉浸式体验感[13-15]。因此,项目设置了学生交互性操作步骤的要求及赋分。见表1。

表1 交互性操作步骤要求及赋分

4 实验教学特色

4.1 教学方法创新大鼠脑组织解剖操作难度大,动物消耗多。为减少实验动物消耗和环境污染、避免意外咬伤和感染等危险情况,采用计算机模拟虚拟仿真实验方式,可给学生提供环境好、消耗低、安全可靠的实验体验。通过以虚补实的实验方式,在尽量不增加人力财力物力的情况下为学生提供重复进行大鼠脑组织解剖实验的机会,加深学生对知识的理解和应用,让学生在模拟操作过程中用心体会操作要领和关键步骤的成功秘诀,切实提高实验操作技能。

4.2 评价体系创新大鼠脑组织解剖虚拟仿真实验对学生进行在线操作的跟踪,实时记录学生使用情况,并实现在线测试和及时反馈。采取分步计分、最终出成绩的方式进行考核,最终成绩附扣分说明,让学生知道哪些步骤操作错误,便于再次操作时加强练习。最终成绩未获满分者需要重新进行虚拟实验操作,在反复学习过程中强化对知识点的掌握,提升操作技能。

5 小结

大鼠脑组织关键核团的精准定位和准确快速取材是医学实验常用技术,也是医学综合设计性实验课程的标志性实验之一。近年来在5+3一体化中医学、5+3一体化中医儿科学、中西医临床、中医学、中医养生学等专业广泛开展,受益学生5000余人。

实验采用人机交互、三维建模、虚拟现实等多种数字化、智能化技术手段,搭建3D动画虚拟仿真教学平台,将抽象核团转化为直观的三维仿真图像,让学生通过透视、旋转、拆分、拼装等方式加深对海马、垂体、杏仁核等关键核团形状、位置、毗邻关系的认识,并对实验的关键步骤进行虚拟仿真,让学生反复演练,理解掌握关键步骤操作要领,可真实还原大鼠脑关键核团精准定位与快速取材的核心实验操作步骤。三维虚拟仿真软件和虚拟课堂系统相结合,打破了时空局限性,为学生提供了真正的模拟实验室环境。虚拟仿真教学模式可使学生通过人机交互,掌握大鼠海马、垂体、杏仁核等关键核团的形态结构及位置关系,了解脑立体定位仪技术原理,掌握大鼠脑某些关键核团的精确定位和快速取材方法,培养学生的探索创新和实践能力。整个过程生动直观、可重复、实验成本低,具有高度的仿真性和很强的操作性,充分体现以虚促实、虚实互补的教学理念,可有效提高实验教学的吸引力和教学效果。学生可以选择练习模块反复练习、自行评价,实验无需特定的场地和实验耗材,学生可随时随地进行练习,从而有利于充分调动学生参与实验的积极性和主动性,保证了教学效果和教学质量的提升。

当下,信息化教学处于互联网普及时代[16,17],虚拟仿真实验已成为信息化教学和“金课”建设的重要助力[18]。上述项目的实施可为医学本科生开展大鼠脑组织取材提供技术支持,为医学综合设计性实验课程的开设提供保障,为大学生创新研究提供重要的实践平台。