本文關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究 摘要：近年來，國(guó)內(nèi)外眾多醫(yī)學(xué)院校及科研機(jī)構(gòu)紛紛提出虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念，即基于計(jì) 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的一個(gè)綜合不同工具和技術(shù)的信息化、 網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。 該文具體闡述 了虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀、實(shí)際應(yīng)用及其運(yùn)用中的利與弊，特別列舉了虛擬實(shí)驗(yàn)室在 醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)教學(xué)中的具體應(yīng)用， 探索如何利用虛擬實(shí)驗(yàn)室更高效地完成教學(xué)任務(wù)， 提高教學(xué) 質(zhì)量。 關(guān)鍵

詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；遠(yuǎn)程教育 l 虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵 虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是早在 1989 年由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的 Wolf 教授提出的， 用來描述計(jì) 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。 虛擬實(shí)驗(yàn)室綜合利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、 仿真技術(shù)、 多媒體技術(shù)、 人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)生成的逼真的三維虛擬環(huán)境中， 并能夠通過語言、 手勢(shì)等自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互[1－4]。 利用計(jì)算機(jī)， 再加一套虛擬實(shí)驗(yàn)軟件， 實(shí)現(xiàn) “以 虛代實(shí)”、“以軟代硬”，就相當(dāng)于建立了一個(gè)擁有先進(jìn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室。用計(jì)算機(jī)虛擬儀器 設(shè)備可以進(jìn)行設(shè)備參數(shù)測(cè)定、操作練習(xí)[3]，將冗長(zhǎng)枯燥的教學(xué)過程改進(jìn)為“簡(jiǎn)單虛擬實(shí)驗(yàn) 一簡(jiǎn)單實(shí)物實(shí)驗(yàn)一復(fù)雜模擬實(shí)驗(yàn)一綜合性實(shí)物實(shí)驗(yàn)” 這一循序漸進(jìn)的過程， 不但增強(qiáng)教學(xué)趣 味、簡(jiǎn)化知識(shí)體系，同時(shí)也得以確保教學(xué)資源的優(yōu)化與共享[3]。 2 虛擬實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究和應(yīng)用廣受研究機(jī)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(shí)驗(yàn)，“實(shí)驗(yàn)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(guó)際上具有代表性的生物、醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室有：霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所(Howard Hughes MedicalInstitute，HHMI)開發(fā)的細(xì)菌鑒定實(shí)驗(yàn)室、心臟病實(shí)驗(yàn)室、免疫實(shí)驗(yàn)室、神經(jīng) 生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室等；諾貝爾基金會(huì)(Nobel Foundation)開發(fā)的虛擬生化實(shí)驗(yàn)室[1]。 國(guó)內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)起步要晚一些，與發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)驗(yàn)室和各類虛擬教學(xué)系統(tǒng)[5]。

2003 年初，第一軍醫(yī)大學(xué)完成了國(guó)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(jìn)行手術(shù)，并可以利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。手術(shù)實(shí)際進(jìn)展的圖像也可 通過機(jī)器人攝像機(jī)實(shí)時(shí)傳遞并與虛擬病人疊加， 以便醫(yī)生實(shí)時(shí)掌握手術(shù)情況， 發(fā)出手術(shù)指令 [6]。 第二軍醫(yī)大學(xué)生理學(xué)教研室從 20 世紀(jì) 90 年代開始，對(duì)生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步探索， 對(duì)“蛙心灌流”、“哺乳動(dòng)物血壓調(diào)節(jié)”以及“動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制和記錄方法”等實(shí)驗(yàn)進(jìn) 行了成功的模擬，并先后在國(guó)內(nèi)生理學(xué)界的交流會(huì)上獲得好評(píng)。近年來，他們對(duì)原有實(shí)驗(yàn)進(jìn) 行升級(jí)，初步建成了機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室[1.7]。選形態(tài)學(xué)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(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)， 按不同學(xué)科和章節(jié)分庫(kù)保存， 并且建立相應(yīng)的虛擬切 片庫(kù)。虛擬切片庫(kù)在方便教學(xué)的同時(shí)，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了資源共享，增進(jìn)了師生互動(dòng)。 3 虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用 3．1 虛擬解剖 虛擬三維人體解剖學(xué)展示系統(tǒng)使用虛擬三維技術(shù)進(jìn)行人體解剖學(xué)標(biāo)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(biāo)本。三維動(dòng)畫相對(duì) 于傳統(tǒng)二維圖片，具有立體直觀、使用方便、無損耗、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，在人體解剖教學(xué)及醫(yī) 學(xué)科普教育中有良好的應(yīng)用前景。 3．2 虛擬診斷學(xué) 以多媒體編程技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用語義識(shí)別、TTS 發(fā)音、動(dòng)態(tài)圖形識(shí)別和 多種音視頻素材， 構(gòu)建一個(gè)仿真的臨床技能培訓(xùn)和診斷思維環(huán)境， 采取人機(jī)交互方式進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)。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(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，用于 訓(xùn)練和培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生、研究生和青年醫(yī)師，有助于增強(qiáng)診斷學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、提高學(xué)生的積極 性和自主性、培養(yǎng)與學(xué)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(chǔ)存和查找不便等弊端， 在實(shí)際教學(xué)過程中很不方 便。運(yùn)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(shí)驗(yàn)室具有明顯的

低成本、高效率、功能全等優(yōu)點(diǎn)，足以彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的不足，因而廣受高校和研究機(jī)構(gòu)推 崇。 3．4 虛擬胚胎學(xué)教學(xué) 胚胎發(fā)育過程相對(duì)抽象復(fù)雜，是醫(yī)學(xué)生理解的難點(diǎn)。應(yīng)用虛擬胚胎學(xué)教學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí) 現(xiàn)在課堂上的具體展示， 使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)人胚胎發(fā)生與早期發(fā)育的全過程， 解決因?qū)嶋H教學(xué) 中對(duì)孕婦和胎兒進(jìn)行跟蹤研究不便的教學(xué)難點(diǎn)， 并且可以在很短的時(shí)間內(nèi)將完整生理過程呈 現(xiàn)出來。 3．5 虛擬手術(shù)教學(xué)系統(tǒng) 虛擬手術(shù)是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)建立一個(gè)虛擬環(huán)境，并 借助該環(huán)境的信息進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃制訂、 手術(shù)演練、 手術(shù)教學(xué)、 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(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)手術(shù)前準(zhǔn)備、手術(shù)全過程以及手術(shù)后治療等。虛擬 手術(shù)教學(xué)系統(tǒng)使教學(xué)與臨床結(jié)合得更緊密，以更高的質(zhì)量完成教學(xué)任務(wù)。 4 虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì) 隨著對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究的深入和技術(shù)的完善， 虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有了更多的 應(yīng)用，并開始出現(xiàn)在各大研究機(jī)構(gòu)中[8-9]。一些虛擬實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往會(huì)因?yàn)榻虒W(xué)經(jīng)費(fèi)短缺、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足、實(shí)驗(yàn)課時(shí)限制等原因，使一些實(shí) 驗(yàn)項(xiàng)目無法開展。學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以不受時(shí)間和場(chǎng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得以充分開展。學(xué)生足不出戶便 可完成多項(xiàng)操作，豐富感性認(rèn)識(shí)，，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，從而大大激發(fā)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提 高自主學(xué)習(xí)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(xué)校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的投入； 二是可以節(jié)省實(shí)驗(yàn) 器材維護(hù)方面的投入。 目前許多高等院校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面均存在經(jīng)費(fèi)投入不足的問題， 而 虛擬實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備功能的充分發(fā)揮。 通過網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)資源共享， 避免大型、

貴重儀器設(shè)備的重復(fù)購(gòu)置口[12]。 4．3 安全系數(shù)高 在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中， 由于操作不當(dāng)或者其他原因， 學(xué)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(yán)重?fù)p失。例如：在低壓電路實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樵匣�、學(xué)生疏忽大 意，會(huì)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(shí)驗(yàn)中，也存在設(shè) 備漏電、學(xué)生觸電的可能性。采用虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)則可以避免此類事故的發(fā)生[12]。 4．4 提高了教學(xué)效果 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中緩慢過程的快速化或快速過程的緩慢化。 相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)中 單一、被動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)⒚總�(gè)實(shí)驗(yàn)操作最大程度地進(jìn)行仿真，將實(shí)驗(yàn)過 程中的圖像、文字、聲音以及動(dòng)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(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)可自行設(shè)計(jì)探索性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能 力、實(shí)驗(yàn)思維能力和獨(dú)立解決問題的能力[11]。 4．5 可延續(xù)性根據(jù)教學(xué)改革的需求，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需要不斷再設(shè)計(jì)和補(bǔ)充，其他的計(jì) 算機(jī)技術(shù)也可能需要重新開發(fā)，而虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)人員只需要將新的實(shí)驗(yàn)建模后放入虛擬實(shí)驗(yàn)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(fèi)問[13]。 5 虛擬實(shí)驗(yàn)室的局限性 虛擬實(shí)驗(yàn)室雖具有諸多優(yōu)點(diǎn)， 但是也存在某些局限性， 所以在實(shí)際教學(xué)過程中不可以完 全取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室的局限性體現(xiàn)在以下 3 方面。 (1)設(shè)備參數(shù)測(cè)試與實(shí)物測(cè)試有差別，模擬實(shí)驗(yàn)不能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)[3]。 (2)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)屬于新興計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種，要求教師具有較專業(yè)的計(jì)算機(jī)技能，而 醫(yī)學(xué)專業(yè)教師主要側(cè)重于教學(xué)能力的培養(yǎng)和教學(xué)方法的探索， 兩者有時(shí)不能得到統(tǒng)一。 如何 實(shí)現(xiàn)兩種能力的有機(jī)組合，又發(fā)揮專業(yè)技能優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前亟需解決的問題[13]。 (3)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)問題并 通過合作解決問題。對(duì)于較復(fù)雜的自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生能對(duì)課本知識(shí)融會(huì)貫通，提高動(dòng) 手能力和創(chuàng)新能力；要求多位學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作，明確分工。而虛擬實(shí)驗(yàn)室是對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的三維

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



  本文關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。