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构建中医院校基础医学实验教学虚拟实验室

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  摘要:现代医学教育中,中医院校对基础医学实验课教学大都存在着对实验形式和内容的要求越来越高,但实验设备、器材、环境和经费相对落后的矛盾。如果能构建虚拟实验室,恰当地运用现代教育技术的仿真、模拟功能,则可以变抽象为具体,使静态内容动态化,逼真地模拟实验时实验过程中宏观变化中的微观过程,变微观为直观,让学生观察、体验、感受事物发展过程中的微观现象,能够把实验教学中难以描述、难以突破的难点、重点、生动形象地表现出来,激发学生学习的兴趣,调动学生的学习积极性,强化学生对实验学知识的记忆和理解。


  关键词:基础医学实验课教学;虚拟实验室;模拟实验


  北京中医药大学基础医学实验教学中心属于国家级实验教学示范中心也是北京市实验示范中心和北京高等学校示范性校内创新实践基地。在该实验教学示范中心的基础上正在有计划地进行虚拟实验室的建设,构建了虚实结合的实验教学模式,对开展虚拟仿真实验教学进行了初步探索。


  构建医学实验教学虚拟实验室是科技发展的必然。医学实验教学是培养医学及相关专业学生实践能力、创新意识、科学思维方法及严谨科学态度的重要途径。中医专业的学生要成为一个合格的医生,不仅要掌握中医基本理论、中医经典及中医临床知识,也要掌握现代医学知识。教育部关于"十二五"期间实施"高等学校本科教学质量与教学改革工程"的意见中提出"卓越医生教育培养计划",对医学院校的人才培养也提出了更高的要求[1]。


  1虚拟实验技术的引入可提高形态学实验课程的课时效率


  1.1在传统人体解剖学教学中,教师使用实物标本、教学模具、多媒体课件等帮助学生理解人体的形态结构。虚拟实验室可通过建立数字虚拟人体平台,在计算机上建立三维人体模型,能更好地展现人体空间的准确结构和层次关系[3]。学生只需将鼠标移到某一解剖结构上,该结构的详细说明便会显示出来。这使学生能够反复多次观察人体复杂多样的组织器官,便于理解和记忆其形态、位置和毗邻关系。也可进行虚拟解剖操作,通过点击、选择即可完成逐层解剖、构建组织与器官等,极大地增加了学生的操作机会,锻炼了动手能力,同时启发临床思维。数字虚拟人体平台作为尸体解剖的辅助训练和前期练习,可以提高解剖学实验教学的时效。


  1.2传统的医学组织胚胎学与病理??验教学中,教师借助光学显微镜和组织切片,向学生阐述各种正常及病理状态下的细胞、组织、器官的结构和特点。教学模式存在玻片制作成本高,且易破损或褪色,后期投入资金加大、学生学习局限于专业实验室内进行,受时间和空间的限制的问题。这些问题必然会影响形态实验教学的质量。虚拟实验技术将普通玻璃切片扫描、重构形成数字化切片,以图像的方式呈现给学生,以模拟显微镜观察切片的全过程[4]。数字化切片具有图像分辨率及色彩还原度高、不受显微镜、场地和时间的限制、操作简单等特点,可完美解决上述问题。大大提高教师有限实验课程的课时教学效率。


  2虚拟实验技术的引进可延伸人体机能学实验课程的时间和空间;提高学生实验的安全系数;提高实验教学效果。是实操实验课程的有益补充


  人体机能学实验课程包括生化、生物、生理、病原微生物实验课程,在虚拟实验室中构建虚拟仿真技能学实验平台。依托网络通信技术、数据库技术、人机交互技术、多媒体技术等,构建一个虚拟的实验环境和实验对象,学生可通过鼠标在虚拟的实验环境对实验对象进行操作,掌握一些因实验条件不具备、实验操作危险性较高、实验成本过高、实验消耗过大等原因无法真实进行的实验[5]。以生理实验室为例,包含了神经肌肉电生理实验、心血管系统实验、呼吸系统实验、泌尿系统实验、消化道系统实验等5个实验模块,每个实验模块又下设若干个具体的实验项目。每个实验项目包括了实验简介、实验原理、实验模拟、实验录像、实验波形和结果等内容。学生可根据自己的兴趣选择实验项目进行操作或者预习,实验操作过程通过鼠标移动来实现,如果出现操作不当或者操作失误,系统会进行自动提示。学生也可以通过实验录像对实验内容进行提前预习或者在实验操作后进行回顾。通过这种教学方式,一方面可以节约教学成本,另一方面也可以提高高校对创新型人才的培养能力。


  3虚拟实验技术引入中医诊断实训课程和中药学实训课程不仅提高了教学效果并延展课堂范围


  中医诊断实训课程和中药学实训课程是中医院校的特色,对培养中医学生成为一名真正优秀的中医人才起着桥梁的作用。虚拟实验技术通过计算机生成的一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它通过视、听、触觉等作用于使用者,使之产生身临其境的交互视景的仿真。通过网络大数据可以将临床病例收集整理并通过计算机图形、图像处理与模式识别,智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学,是现代仿真技术的进一步发展和应用。使作者借助必要的设备自然地与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,产生身临其境的感觉和体验,使人机交互更加自然和谐。以多媒体编程技术和虚拟现实技术为基础,应用语义识别、TTS发音、动态图形识别和多种音视频素材,构建一个仿真的临床技能培训和诊断思维环境,采取人机交互方式进行实验。虚拟诊断技术具有创新性、交互性、智能性、仿真性、开放性和可扩展性等优点,用于训练和培养医学生、研究生和青年医师,有助于增强诊断学实验教学效果、提高学生的积极性和自主性、培养与学生临床技能和思维能力。


  4虚拟实验室的局限性


  虚拟实验室虽具有诸多优点,但是也存在某些局限性,所以在实际教学过程中不可以完全取代真实实验室。虚拟实验室的局限性体现在以下3方面。


  4.1设备参数测试与实物测试有差别,虚拟实验不能完全代替实物实验。


  4.2虚拟现实技术属于新兴计算机技术的一种,要求教师具有较专业的计算机技能,而医学专业教师主要侧重于教学能力的培养和教学方法的探索,两者有时不能得到统一。如何实现两种能力的有机组合,又发挥专业技能优势,是当前亟需解决的问题。


  4.3传统的实验教学是在教师的指导下,学生分组进行实验,在实际操作中发现问题并通过合作解决问题。对于较复杂的自主设计实验,要求学生能对课本知识融会贯通,提高动手能力和创新能力;要求多位学生团结协作,明确分工。而虚拟实验室是对现有实验的三维重现,只包含已经建模并输出的实验教学课程,难以模拟具有创新性的自主实验设计。


  5结论


  虚拟教学与实际教学要相辅相成。虚拟实验教学并不能完全取代实际实验教学,实际实验教学的优点不能被完全抹杀。实际实验教学应用于机能学实验教学可以培养学生的实际操作能力,在实际操作中遇到问题解决问题。所以要合理利用虚拟实验,补充、延展实际实验,提高教学效率。

  作者:赵福建,张玮,王谦,任丽薇,陶仕英,白锦雯。本文来自《中国中医基础医学》杂志

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