虚拟实验在医学教育中的应用

【前言】虚拟实验在医学教育中的应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。世界医学教育联合会执行委员会于2001年6月通过并的《本科医学教育全球标准》指出：“医学毕业生的质量是衡量医学院校教育质量的最终标准，本科临床医学专业教育的目标是不仅包括思想道德与职业素质目标、知识目标，还包括技能目标。”医学是一门实践性很强的学科，实...

摘 要 医学教育是虚拟实验应用的一个重要领域，通过调查国内15个国家级医学基础实验中心的网站，发现仅有3%设有虚拟实验的演示。通过对虚拟实验的表现和交互形式的分析，进而总结开发虚拟实验的一般流程，为开发医学虚拟实验人员提供借鉴。

关键词 医学教育；虚拟实验；虚拟现实

中图分类号：G642.423 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2012）33-0134-02

1 引言

笔者以2010年和2011年公布的名单为准，对15个国家级医学基础实验教学中心的网站进行调查和分析，发现80%的网站设有教学课件和教学视频，3%设有虚拟实验的演示。

世界医学教育联合会执行委员会于2001年6月通过并的《本科医学教育全球标准》指出：“医学毕业生的质量是衡量医学院校教育质量的最终标准，本科临床医学专业教育的目标是不仅包括思想道德与职业素质目标、知识目标，还包括技能目标。”医学是一门实践性很强的学科，实验和实习贯穿整个教学过程，实验教学环境的好坏对学好这门课程更是至关重要，因此，在医学教育中加入虚拟实验对学习者的学习有很大的帮助。虚拟现实技术作为一种新型的教学媒体，因其强大的沉浸性、交互性等，有益于锻炼学生的实验技能，将成为医学教育必要的补充。

2 虚拟实验概述

虚拟实验是指借助于多媒体、虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，对实验结果的性能和实验过程中产生的现象进行预测和评价，从而缩短实验操作时间和设计周期，降低实验成本。

2.1 虚拟实验类型

1）演示型。演示型虚拟实验对学生交互性操作的要求不高，以线性的演示过程为主，使学生能够清晰地感知实验现象、实验物体等。例如，在计算机上，利用3ds Max软件来模拟真实的人体器官，利用Virtools三维交互软件来展示人体新陈代谢的整个过程，较为真实地显示出人体的正常生理状态和出现的各种变化，将抽象的知识形象化，有利于学生理解和记忆。

2）虚拟操作型。该类型实验可让学生自己来设计实验，有一定的交互性，但相对来讲投入成本高一些。将真实的实验环境仿真成三维模型，使学生沉浸在实验环境中，进一步增强学生的感性认识。以“人体解剖实验”为例，通过3ds Max建立的人体结构模型，可以使学生通过人机交互对人体模型进行浏览，在模型内部“漫游”，让学生非常直观轻松地学习人体解剖结构。

3）分布式。将网络和虚拟现实技术结合起来，将不同地域的虚拟实验环境互联起来，支持各地学习者之间进行实时交互，共享相同的虚拟实验环境。基于一种分布式的网络环境，系统运行在多台计算机上，学生之间可以进行实时交互，共享相同的虚拟实验环境，适合于在线讨论式学习，是未来发展的方向之一。

2.2 虚拟实验的特点

虚拟实验除了利用虚拟现实技术的沉浸性、交互性和多感知性以外，相比传统实验，还具有其他一些特点。

1）虚拟实验的开发成本比较低。在实验教学中，大部分实验仪器价格昂贵，并具有一定的使用期限，然而虚拟实验只需一定的硬件和软件设备，就能模拟真实仪器的实验效果，在一定程度上满足教学的需要。

2）虚拟实验可被大范围使用。虚拟实验对应用环境的要求不高，只需提供网络和相应的计算机，每个学生都有实验操作的机会，克服时间和空间的限制。学习者可在任何时间、任何地点进行实验知识的学习，拓宽了学习的时间和空间。

3）避免真实实验或操作所带来的各种危险。在微生物这门课中，模拟有害生物对人体攻击的全过程，有利于学生对此问题的理解与记忆，不必接触危险性较强的病原体，也不存任何安全隐患。

2.3 目前网络虚拟实验所存在的问题

1）网络虚拟实验的设计与开发没能和如何实施实验教学过程相结合。已有网络虚拟实验的一般模式大致包括预习、操作、考核三个部分，如果按照它来设计与开发，显然背离了实验教学的本质意向。实验教学的宗旨在于缩短理论与实践的差距，应采取将实验原理和实际应用结合的方式来讲授实验原理，再现知识赖以产生的客观事实，引导并激发学习者的学习兴趣和创新意识。

2）以“技术为中心”的构建方法所导致的问题。随着虚拟现实技术在教育领域的推广，软件开发人员无意中应用“以技术为中心”的设计理念，以软件功能为出发点，以技术功能与实验现象为中心设计，侧重从呈现方式、实现技术等角度进行设计开发，将教学内容罗列到虚拟实验系统中，而较少综合考虑学习者特征、教学内容等因素进行设计，无形中使“教育产品”变成“技术产品”。

通过对15个医学基础实验教学中心网站的调查与分析，大部分网络虚拟实验提供“看”的经验，致使学生根本没有兴趣继续学习，它并不是真正意义上的远程教育中的实验教学，与真实教学中实验活动的展开相差甚远。因此，从教学设计的视角，参照真实教学活动，研究网络环境下的虚拟实验教学活动展开前的教学设计以及网络虚拟实验教学的一般过程显得非常重要。

3 虚拟实验的设计与实现过程

3.1 实验分析

根据学科特点，细致剖析实验的具体设计思路。了解实验的本身目的、原理、过程及特点等，更重要的是分析实验难点，要根据实验目的，确定虚拟实验中需要制作的模型及其精细程度、交互和反馈环节，从而确定进行问题情境设计所要解决的问题和切入点。

3.2 学习者分析

学习者分析是教学设计过程中的一个重要环节，教学目标能否实现体现在学习者的学习活动中。主要目的是为学习内容的组织、教学活动的设计等提供依据，从而使教学真正促进学习者智力的发展。

3.3 界面设计

大部分网络虚拟实验都以网页的形式呈现。因此，根据实验内容的主题来确定具体的功能，从而进行页面布局的设定。当教学信息的呈现布局不够明朗时，很容易使信息加工系统的认知负担过重，学习者就势必需要分散一部分精力用于思考这方面问题，从而加重认知负荷。一般情况下，目标用户都是确定的，但因安装不同的浏览器会造成显示样式不统一的情况，故要提前考虑相关CSS样式的影响。

3.4 技术选择与开发

遵循技术适当性原则，综合考虑具体实验内容及所需交互方式，来选择最合适的技术来开发虚拟实验。涉及多种技术，包括页面控制技术、3D建模及交互控制、数据库开发技术等。现今主流的建模工具主要有3ds Max、Maya、AutoCAD、CATIA等；3D交互技术有VRML、Cult3D、Flash、Virtools等，要视个人的熟练程度与问题的复杂性而定。

3.5 测试与评价

开发出来的虚拟实验产品，需要进行一定的性能测试。在一定程度上，评估该系统是否存在内存泄露及死锁等情况，为系统性能优化提供依据。性能测试脚本是描述单个浏览器向Web服务器发送的HTTP请求序列，常用的工具有ApacheBench、Load Runner、TestDirector与Rational Robot等。

参考文献

[1]郑颖丽.体验式虚拟实验[D].上海：华东师范大学，2008（4）.

[2]欧阳玲莉，等.PBL与传统医学教育模式之比较[J].广西医科大学学报，2003（20）：28-29.

[3]王晓燕，宋效先.计算机虚拟仿真技术在医学领域中的应用[J].张家口医学院学报，2003，20（5）：82，F003.

[4]杨宏伟.虚拟仿真技术在物理实验中的应用[J].实验室研究与探索，2005，24（9）：38-39.

[5]马蓓，夏金辉.计算机仿真与模拟技术在医学教育中的应用[J].中国医学高等教育，2008（1）：104-105.

[6]丁敏，等.基于我国实际对PBL与传统教学结合模式的探索和实践[J].中国医学高等教育，2008（12）：111-113.

[7]黄慕雄.高校教学型虚拟实验室建设的现状与建议[J].网络教育与远程教育，2005（9）：77-80.