本文關(guān)鍵詞：虛擬實驗室在醫(yī)學實驗教學中的應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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虛擬實驗室在醫(yī)學實驗教學中的應(yīng)用研究 摘要：近年來，國內(nèi)外眾多醫(yī)學院校及科研機構(gòu)紛紛提出虛擬實驗室的概念，即基于計 算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的一個綜合不同工具和技術(shù)的信息化、 網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗環(huán)境。 該文具體闡述 了虛擬實驗室的內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀、實際應(yīng)用及其運用中的利與弊，特別列舉了虛擬實驗室在 醫(yī)學實驗學教學中的具體應(yīng)用， 探索如何利用虛擬實驗室更高效地完成教學任務(wù)， 提高教學 質(zhì)量。 關(guān)鍵

詞：虛擬實驗室；實驗教學；遠程教育 l 虛擬實驗室的內(nèi)涵 虛擬實驗室的概念是早在 1989 年由美國弗吉尼亞大學的 Wolf 教授提出的， 用來描述計 算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境。 虛擬實驗室綜合利用計算機圖形學、 仿真技術(shù)、 多媒體技術(shù)、 人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸 覺等感覺器官功能， 使人能夠沉浸在計算機生成的逼真的三維虛擬環(huán)境中， 并能夠通過語言、 手勢等自然的方式與之進行實時交互[1－4]。 利用計算機， 再加一套虛擬實驗軟件， 實現(xiàn) “以 虛代實”、“以軟代硬”，就相當于建立了一個擁有先進設(shè)備的實驗室。用計算機虛擬儀器 設(shè)備可以進行設(shè)備參數(shù)測定、操作練習[3]，將冗長枯燥的教學過程改進為“簡單虛擬實驗 一簡單實物實驗一復(fù)雜模擬實驗一綜合性實物實驗” 這一循序漸進的過程， 不但增強教學趣 味、簡化知識體系，同時也得以確保教學資源的優(yōu)化與共享[3]。 2 虛擬實驗室在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 虛擬實驗室的研究和應(yīng)用廣受研究機構(gòu)和軟件供應(yīng)商的重視。早在 1995 年，互聯(lián)網(wǎng)上 便出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”實驗，“實驗者”可以用虛擬手術(shù)刀層層分離青蛙，觀察它的肌 肉和骨骼組織。 目前，國際上具有代表性的生物、醫(yī)學虛擬實驗室有：霍華德休斯醫(yī)學研究所(Howard Hughes MedicalInstitute，HHMI)開發(fā)的細菌鑒定實驗室、心臟病實驗室、免疫實驗室、神經(jīng) 生理學實驗室等；諾貝爾基金會(Nobel Foundation)開發(fā)的虛擬生化實驗室[1]。 國內(nèi)虛擬實驗室的建設(shè)起步要晚一些，與發(fā)達國家還存在一定差距，但發(fā)展較快，目前 已有部分高校初步建立了虛擬實驗室和各類虛擬教學系統(tǒng)[5]。

2003 年初，第一軍醫(yī)大學完成了國內(nèi)首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集。醫(yī)生可以為虛擬病人 模型進行手術(shù)，并可以利用網(wǎng)絡(luò)遠程控制機器人，實施遠程手術(shù)。手術(shù)實際進展的圖像也可 通過機器人攝像機實時傳遞并與虛擬病人疊加， 以便醫(yī)生實時掌握手術(shù)情況， 發(fā)出手術(shù)指令 [6]。 第二軍醫(yī)大學生理學教研室從 20 世紀 90 年代開始，對生理學虛擬實驗進行初步探索， 對“蛙心灌流”、“哺乳動物血壓調(diào)節(jié)”以及“動作電位的產(chǎn)生機制和記錄方法”等實驗進 行了成功的模擬，并先后在國內(nèi)生理學界的交流會上獲得好評。近年來，他們對原有實驗進 行升級，初步建成了機能學虛擬實驗室[1.7]。選形態(tài)學科中結(jié)構(gòu)典型的組織切片信息，即可 將制作成的虛擬切片存儲在計算機內(nèi)， 按不同學科和章節(jié)分庫保存， 并且建立相應(yīng)的虛擬切 片庫。虛擬切片庫在方便教學的同時，也在一定程度上實現(xiàn)了資源共享，增進了師生互動。 3 虛擬實驗室在醫(yī)學實驗學教學中的應(yīng)用 3．1 虛擬解剖 虛擬三維人體解剖學展示系統(tǒng)使用虛擬三維技術(shù)進行人體解剖學標本的演示，在清晰 度、質(zhì)感、素材輸入難易度上全面超越了常規(guī)三維建模方法制作的電子標本。三維動畫相對 于傳統(tǒng)二維圖片，具有立體直觀、使用方便、無損耗、易擴展等優(yōu)點，在人體解剖教學及醫(yī) 學科普教育中有良好的應(yīng)用前景。 3．2 虛擬診斷學 以多媒體編程技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用語義識別、TTS 發(fā)音、動態(tài)圖形識別和 多種音視頻素材， 構(gòu)建一個仿真的臨床技能培訓(xùn)和診斷思維環(huán)境， 采取人機交互方式進行實 驗。虛擬診斷技術(shù)具有創(chuàng)新性、交互性、智能性、仿真性、開放性和可擴展性等優(yōu)點，用于 訓(xùn)練和培養(yǎng)醫(yī)學生、研究生和青年醫(yī)師，有助于增強診斷學實驗教學效果、提高學生的積極 性和自主性、培養(yǎng)與學生臨床技能和思維能力。 3．3 虛擬切片系統(tǒng) 傳統(tǒng)的組織切片存在數(shù)量龐大、 不易儲存和查找不便等弊端， 在實際教學過程中很不方 便。運用虛擬切片系統(tǒng)，將組織切片轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的信息，并從中挑虛擬實驗室具有明顯的

低成本、高效率、功能全等優(yōu)點，足以彌補真實實驗室的不足，因而廣受高校和研究機構(gòu)推 崇。 3．4 虛擬胚胎學教學 胚胎發(fā)育過程相對抽象復(fù)雜，是醫(yī)學生理解的難點。應(yīng)用虛擬胚胎學教學系統(tǒng)，可以實 現(xiàn)在課堂上的具體展示， 使學生充分認識人胚胎發(fā)生與早期發(fā)育的全過程， 解決因?qū)嶋H教學 中對孕婦和胎兒進行跟蹤研究不便的教學難點， 并且可以在很短的時間內(nèi)將完整生理過程呈 現(xiàn)出來。 3．5 虛擬手術(shù)教學系統(tǒng) 虛擬手術(shù)是采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用醫(yī)學影像數(shù)據(jù)，利用計算機建立一個虛擬環(huán)境，并 借助該環(huán)境的信息進行手術(shù)計劃制訂、 手術(shù)演練、 手術(shù)教學、 手術(shù)技能訓(xùn)練、 術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、 術(shù)后康復(fù)等工作。學生通過網(wǎng)絡(luò)可以學習手術(shù)前準備、手術(shù)全過程以及手術(shù)后治療等。虛擬 手術(shù)教學系統(tǒng)使教學與臨床結(jié)合得更緊密，以更高的質(zhì)量完成教學任務(wù)。 4 虛擬實驗室在醫(yī)學教學中的優(yōu)勢 隨著對虛擬實驗室研究的深入和技術(shù)的完善， 虛擬實驗室在醫(yī)學實驗教學中有了更多的 應(yīng)用，并開始出現(xiàn)在各大研究機構(gòu)中[8-9]。一些虛擬實驗在醫(yī)學教學中已比較成熟、具有一 定代表性并有較高的關(guān)注度。 4．1 自由度大 實驗教學中往往會因為教學經(jīng)費短缺、實驗場地不足、實驗課時限制等原因，使一些實 驗項目無法開展。學生利用虛擬實驗室進行實驗，可以不受時間和場所的限制，甚至可以利 用網(wǎng)絡(luò)化手段提高效率[10]，使得以前無法開展的實驗項目得以充分開展。學生足不出戶便 可完成多項操作，豐富感性認識，，加深對教學內(nèi)容的理解，從而大大激發(fā)學習的主動性，提 高自主學習能力[11]。 4．2 節(jié)省投入 節(jié)省投入包括 2 方面： 一是可以節(jié)省學校在實驗室建設(shè)方面的投入； 二是可以節(jié)省實驗 器材維護方面的投入。 目前許多高等院校在實驗室建設(shè)方面均存在經(jīng)費投入不足的問題， 而 虛擬實驗室可以實現(xiàn)對現(xiàn)有設(shè)備功能的充分發(fā)揮。 通過網(wǎng)絡(luò)還可以實現(xiàn)資源共享， 避免大型、

貴重儀器設(shè)備的重復(fù)購置口[12]。 4．3 安全系數(shù)高 在實驗進行中， 由于操作不當或者其他原因， 學生人身安全和儀器設(shè)備的安全都受到潛 在威脅，甚至有可能造成嚴重損失。例如：在低壓電路實驗中，因為元件老化、學生疏忽大 意，會發(fā)生短路、電流過大的情況而損壞儀器或芯片；在各種較高電壓的實驗中，也存在設(shè) 備漏電、學生觸電的可能性。采用虛擬儀器進行實驗則可以避免此類事故的發(fā)生[12]。 4．4 提高了教學效果 虛擬現(xiàn)實技術(shù)能實現(xiàn)實驗中緩慢過程的快速化或快速過程的緩慢化。 相對于傳統(tǒng)教學中 單一、被動的學習方式，虛擬實驗系統(tǒng)能夠?qū)⒚總�實驗操作最大程度地進行仿真，將實驗過 程中的圖像、文字、聲音以及動畫等各種因素融為一體，具有智能性、仿真性、形象性和趣 味性。學生通過虛擬實驗軟件系統(tǒng)可自行設(shè)計探索性實驗、綜合性實驗，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能 力、實驗思維能力和獨立解決問題的能力[11]。 4．5 可延續(xù)性根據(jù)教學改革的需求，實驗課程教學需要不斷再設(shè)計和補充，其他的計 算機技術(shù)也可能需要重新開發(fā)，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)良好的二次開發(fā)性能夠很好地適應(yīng)這些變 化。 設(shè)計人員只需要將新的實驗建模后放入虛擬實驗室即可， 這在很大程度上解決了重新開 發(fā)導(dǎo)致的資源浪費問[13]。 5 虛擬實驗室的局限性 虛擬實驗室雖具有諸多優(yōu)點， 但是也存在某些局限性， 所以在實際教學過程中不可以完 全取代真實實驗室。虛擬實驗室的局限性體現(xiàn)在以下 3 方面。 (1)設(shè)備參數(shù)測試與實物測試有差別，模擬實驗不能完全代替實物實驗[3]。 (2)虛擬現(xiàn)實技術(shù)屬于新興計算機技術(shù)的一種，要求教師具有較專業(yè)的計算機技能，而 醫(yī)學專業(yè)教師主要側(cè)重于教學能力的培養(yǎng)和教學方法的探索， 兩者有時不能得到統(tǒng)一。 如何 實現(xiàn)兩種能力的有機組合，又發(fā)揮專業(yè)技能優(yōu)勢，是當前亟需解決的問題[13]。 (3)傳統(tǒng)的實驗教學是在教師的指導(dǎo)下，學生分組進行實驗，在實際操作中發(fā)現(xiàn)問題并 通過合作解決問題。對于較復(fù)雜的自主設(shè)計實驗，要求學生能對課本知識融會貫通，提高動 手能力和創(chuàng)新能力；要求多位學生團結(jié)協(xié)作，明確分工。而虛擬實驗室是對現(xiàn)有實驗的三維

重現(xiàn)，只包含已經(jīng)建模并輸出的實驗教學課程，難以模擬具有創(chuàng)新性的自主實驗設(shè)計[13]。 6 結(jié)束語 傳統(tǒng)的實驗教學通常存在實驗保障和儀器維修方面的局限性， 且很多學校存在辦學基礎(chǔ) 薄弱、經(jīng)費不足、實驗器材有限、教學方式單一等問題，極大地影響了實驗教學質(zhì)量。虛擬 實驗室作為新興的實驗教學和科學研究的平臺， 擁有傳統(tǒng)實驗室不可比擬的優(yōu)勢， 且正在逐 步應(yīng)用于各大研究機構(gòu)。 但關(guān)于虛擬醫(yī)學實驗的理論研究基礎(chǔ)仍顯薄弱， 其固有的局限性也 使教學效果大打折扣。因此，虛擬實驗室的發(fā)展需要揚長避短，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，輔助完 成教學計劃、充實信息交流平臺，培養(yǎng)更多的有實踐能力的創(chuàng)新型人才。



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