基础医学虚拟仿真实验教学资源建设

1基础医学虚拟仿真实验教学资源建设与特色教学软件研发情况

1．1建设构架

基础医学虚拟仿真实验教学资源主要按照学科模块分类建设，包括医学机能学、医学形态学、病原生物学、细胞与分子医学、虚拟生命博物馆以及创新性特色虚拟仿真教学等六大模块。每个模块根据实验教学目标再进行细分，建成了结构层次清晰、适于扩展和依次开发的基础医学虚拟仿真实验教学平台。通过自主研发及与企业的合作研发，目前已建有虚拟实验项目近300项，其中重点建设的原创性虚拟仿真实验项目55项。这些虚拟仿真实验教学资源基本涵盖了基础医学所有实验教学内容，形成了与实验课程对应、功能互补、内容拓展的基础医学虚拟仿真实验教学体系。构建的优质教学资源应用于本科生的课内实验教学、设计性实验以及课外创新性科技项目的培育训练。

1．2基础医学虚拟仿真实验教学资源建设情况

1．2．1医学机能学模块

机能学虚拟仿真实验模块包括虚拟机能实验教学系统、VBL－100医学机能虚拟实验室及虚拟标准化病人PBL教学系统。经过近十年的建设与完善，现有虚拟仿真实验项目100多项，60余项实验因素，自测题库1300多题，已成为机能实验学学习的重要辅助平台。虚拟机能实验教学系统利用生物仿真引擎、处理因素数据库、3D技术等手段虚拟手术和模拟结果，包括实验室漫游、药品试剂、仪器与器械、手术操作、虚拟实验、在线考核、课内外拓展等子模块。VBL－100医学机能虚拟实验室含有30多个机能学实验的全套虚拟仿真实验，包括了生理、药理、病生、人体等大量实验内容，每个实验场景设置了资料室、动物房、实验准备室、模拟实验室和考场等内容。虚拟标准化病人PBL教学系统利用网络化教学平台，将虚拟标准化病人的问诊、查体、实验检查、病情判断、机制分析等过程与问题为基础的学习相结合。学生充当“准医生”完成询问病史、体格检查、判断病情，并围绕给出的问题就发病机制、可能的疾病表现、相关检测方法等展开讨论，训练学生综合分析问题的能力。这些机能学教学软件的使用，补充了动物机能学所不能观察到的部分病理生理变化现象，也拓展了在动物和人体不能实现的实验项目。

1．2．2医学形态学模块

该模块包括数字人解剖系统、全息三维解剖虚拟实验教学系统和形态学数字切片系统三个部分。数字人解剖系统直观显示人体3D立体结构，可进行多维的解剖断层学习，也可与真实的断层标本进行比对学习，起到了虚实结合的作用；全息三维解剖虚拟实验教学系统是借助于全息投影和3D立体成像技术完成的一种立体感极强的成像，全方位展现人体局部和特定器官的空间结构，可重复使用，避免人体标本资源的损耗；形态学数字切片系统拥有46个章节的虚拟仿真实验，包含了数字切片910张，学生可在虚拟环境下，模拟显微镜的操作和观察，完成虚拟图片的教学过程，在倍率转换、结构测量、地图漫游和知识点标注等方面突破了显微镜本身的功能限制，学生可按章节系统对正常及病理组织结构进行比较，通过开展比对学习来提高学习效果。此外，还可实现正常与病理组织切片的自测与考试。

1．2．3病原生物与免疫学模块

该模块包括病原微生物学、免疫学、寄生虫学三个子模块，总计30多项实验内容。细菌形态学实验及人体寄生虫病病原学检测实验项目采用虚拟实验与真实实验同时进行，而对于高危险性的病毒相关实验和高成本动物模型相关实验则以虚拟仿真实验教学为主，如我校研发的血吸虫感染诱导的免疫细胞反应等项目。通过该模块的教学，可避免学生因使用高致病性病原体所带来生物安全的危害、缩短病原体培养时间以及拓展成功率低、成本高的病原体感染动物模型综合性实验项目。

1．2．4细胞与分子医学模块

该模块包括虚拟基本技能教学系统、虚拟综合实验教学系统、虚拟自主创新实验操作系统三部分，近30个虚拟实验项目。虚拟基本技能教学系统旨在完成模拟细胞培养、生物大分子分离纯化等基本实验技能训练；虚拟综合实验教学系统通过模拟外源基因转染细胞过程、模拟定量分析基因分型等实验项目，达到培养学生综合运用多种基本实验技能的目的；虚拟自主创新实验操作系统通过调用虚拟化的仪器设备、实验用品，自主设计可以解决一定科学问题的实验项目，提升学生的创新思维能力。该模块解决了分子医学实验所涉及的高成本、高消耗和实验周期长等问题。

1．2．5虚拟生命博物馆模块

目前，该模块有2000多张数字化的正常人体标本、各期正常与异常胚胎标本、大体病理标本及致病性寄生虫标本。通过中心网站开放共享，既方便校内外学生的浏览和学习，作为传统实验教学的拓展项目，也为中小学生、社会人士提供一个了解生命奥秘的科普平台。

1．3创新性特色虚拟仿真教学软件研发情况

在基础医学虚拟仿真实验教学资源建设中，中心注重现代信息技术与医学教育内容的深度融合，重点研发适合实验教学和能力培养需要的特色原创性虚拟仿真教学软件。中心目前已自主研发了50多款原创性的虚拟仿真实验项目，包括高端综合模拟人教学系统、基础与临床结合项目、科研成果转化为实验教学项目、探索性实验项目、高端科研设备的虚拟化项目等五个子模块的虚拟仿真实验软件。其中，前两个子模块的实验软件主要应用于传统实验教学，作为实体实验的补充与拓展；后三个子模块的实验软件主要应用于基础医学的设计性实验以及大学生创新性科技项目的培育训练。

1．3．1高端综合模拟人教学系统实验项目

2006年起，中心率先将高端综合模拟人系统应用于临床医学等本科生的虚拟机能实验与人体机能实验学、麻醉生理学和麻醉药理学实验课程教学中，自主研发了21款虚拟仿真实验项目，如综合因素对肺通气和肺换气的影响－Ⅱ型呼吸衰竭、心脏因素对血压的影响－甲亢并发高血压和蛛网膜下腔麻醉对循环的影响等。以高端综合模拟人（ECS）为载体，按照临床病例－计算机编程语言－ECS演示其体征－动物实验方式开展模拟与实操相结合的教学，让学生早期接受临床思维训练。通过ECS演示临床病例，学生从病情的演变过程获取相关信息，然后教师引导学生独立思考如何应用相关基础知识解释临床现象以及疾病的发生机制。

1．3．2基础与临床结合项目

为了强化基础与临床的结合，让学生了解基础学科相关知识在临床上的应用，培养运用多学科知识解决实际问题的临床思维能力。中心与附属医院联合研发基础与临床结合的虚拟实验项目5项，如开发椎间盘的解剖与临床、溺水后人体生理病理变化及抢救方法、高致病性病原体患者采样及检测、华支睾吸虫病的检测与防治等虚拟实验软件，作为拓展性特色项目应用于本科生实验教学。

1．3．3科研成果转化项目

将科研成果转化为原创性的虚拟实验项目（见表2），并应用于设计性实验教学以及大创项目培育训练，既拓展学生视野，也培养学生的创新意识和创新性思维能力。如将获得国家科技进步二等奖的诊断肝癌的甲胎蛋白酶标电泳测定法转化为甲胎蛋白酶标电泳测定法虚拟实验项目；将教育部获奖成果－辛伐他汀抗心肌肥厚和心力衰竭作用及机制转化为辛伐他汀对抗H2O2所致的动脉内皮急性损伤虚拟实验项目；此外，与我校呼吸疾病国家重点实验室联合研发的高致病性呼吸道病毒的采集和检测、人禽流感病毒的检测等项目，将重点学科的科研成果转化为实验教学内容。

1．3．4探索性实验项目

为了培养学生的探索精神和创新性思维能力，中心自主研发及合作研发多个探索性虚拟实验项目，如基于AR的虚拟大学生创新实验室虚拟仿真系统、大气颗粒物对内皮细胞中炎症因子表达影响、实验动物的急救措施虚拟仿真教学系统和油酸型呼吸窘迫综合征的发生与治疗等，并将其应用于基础医学设计性实验及大学生创新性科技项目的培育训练。

1．3．5高端科研设备的虚拟化项目

为了解决实体实验因实验条件限制、学生不能接触和操作高端科研仪器的问题，中心研发了膜片钳虚拟实验操作、液相芯片虚拟实验操作、四腔离体组织槽虚拟实验操作以及液相激光仪和紫外吸收仪虚拟实验操作等，并将其作为拓展性实验项目应用于大学生创新性科技项目的培育训练。同时，也让学生了解精密仪器工作原理及应用，开阔学生的科研视野。

2优质教学资源及特色教学软件的应用效果

2．1优质教学资源的应用效果

2．1．1校内应用效果

2013年起，基础医学实验教学中心整合各模块虚拟仿真教学资源，通过自主研发或合作开发虚拟实验项目，构建了基础医学虚拟仿真实验教学平台，并于2015年被评为部级虚拟仿真实验教学中心。建成的教学平台网站面向学校全体学生、教师及附属医院医生开放，该平台不受时空限制，学生可在校内任一地点登录平台网站。目前登录访问人数已达10万多人次，广大师生获益良多。在实体实验的基础上，将平台网站的优质虚拟实验资源有效应用于临床医学本科生基础医学各课程的课前预习、课中教学、课后巩固提高，线上的虚拟仿真教学与线下实体实验教学有机结合，致力于能力培养和提高实验效果。实验课前通过操作相关虚拟实验，学习实验原理及模拟操作过程，动手演练拓展性实验项目，为实体实验操作做好充分的准备；而在实验期间，学生可针对有些实体实验难以观察到的结构、给药途径以及操作的关键环节，通过演示相应的虚拟实验，加深对这些难点内容的理解和掌握；而对于课内还未完全掌握的综合性实验，可通过课后的在线虚拟实验教学模式，对相应的实验进行巩固提高，从而实现实操与虚拟实验、线上与线下实验教学的有机结合。这种虚实结合的实验教学模式，既拓展学习时空、提高学生学习兴趣，也有利于学生的自主学习、创新实践能力的培养，以及人才培养质量的有效提升：近五年来，学生获得各类课外科研项目351项；开发创新性实验项目500多项；公开116篇；获得国家专利7项；获得“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生临床技能大赛等学科大赛奖项100多项。

2．1．2校外应用效果

平台网站的优质虚拟实验资源，除了向学校师生开放共享外，还面向广州地区12所高校实验室开放共享建设单位的高校联盟本科生开放共享，目前已有数千人次使用了这些优质虚拟实验资源。此外，虚拟生命博物馆也作为线上科普教育模块，面向广州地区中小学的科普共建单位开放共享。中小学生通过虚拟生命博物馆在线了解人体结构、胚胎发育、寄生虫病以及正常与异常器官变化，吸引中小学生热爱医学以及培养良好的生活习惯和预防意识。线上科普教育受到学生的欢迎与肯定，产生良好的社会效益。

2．2特色教学软件的应用效果

2．2．1校内应用效果

首先，将创新性特色教学软件中的高端综合模拟人教学系统、基础与临床结合项目应用于传统实验教学，作为实体实验的补充与拓展。如将高端综合模拟人系统的21款虚拟仿真实验项目应用本科生的机能实验教学，既补充了动物机能学所不能观察到的部分病理生理变化现象，也拓展了在动物和人体不能实现的实验，同时，也让学生尽早接触临床场景，有利于临床思维能力的培养。其次，将科研成果转化的实验项目、探索性实验项目应用于设计性实验以及大学生创新性科技项目的培育训练，既拓展学生视野，也启迪学生开展大创项目选题以及进行设计性实验，有利于创新意识和创新性思维能力的培养。

2．2．2国内示范引领作用

中心将自主研发的近20款虚拟仿真实验教学软件通过梦之路公司销售并转化到广州中医药大学、山东中医药大学、长江大学医学院等20多所大学使用，目前应用情况良好，也受到使用高校的肯定，发挥了中心优质教学资源的示范引领作用，产生了良好的社会效益和经济效益。此外，中心研发的创新性特色教学软件，在部级实验教学中心联席会主办的全国基础医学虚拟仿真实验教学软件的创意方案和成熟作品大赛中获得二等奖3项、三等奖2项，发挥了特色教学软件在国内的示范引领作用。综上，在基础医学实践教学中，通过自主研发一批原创性的特色虚拟仿真实验软件，在此基础上构建开放共享的基础医学虚拟仿真实验教学平台，并依托该平台将这些优质教学资源应用于本科生的实体实验、设计性实验以及创新性科技项目的培育训练。这种虚拟实验与实操相结合、线上与线下教学相结合的方式，创新了实验教学模式，是实现现代信息技术与医学教育内容深度融合、培养创新型人才的有益尝试。虽然这些特色虚拟仿真实验软件使用情况良好，也取得一定的育人成效，但如何更好地解决实体实验与虚拟仿真实验的深度融合，如何更好地发挥特色软件助推学生开展设计性实验与创新性科技项目，持续提高教学效果和人才培养质量，还须进一步探讨。

参考文献：

［1］樊守艳，王继浩．基础医学虚拟仿真实验教学现状分析与展望［J］．中国教育信息化，2018，（2）：88－89．

作者：周丽芬 马宁芳 章喜明 朱晓琴 李锦新 黄婉丹 戴建威 马长玲 单位：广州医科大学基础医学院基础医学实验教学中心