长沙医学院临床学院外科教研室 湖南长沙 410219
【摘 要】外科实验教学是培养医学人才的重要环节，但传统教学方式受到教学资源等的限制。为此本教研室开发了虚拟实验教学系统，它互动性强，操作简便，不受时间及场地限制，相比于传统实验教学更能激发学生的学习兴趣，提高外科实验的教学效果。
【关键词】虚拟实验；外科教学
[Abstract] Surgical experimental teaching is an important part of cultivating medical talents，but traditional teaching methods are limited by teaching resources. To this end，the teaching and research section has developed a virtual experimental teaching system，which is highly interactive and easy to operate，and is not limited by time and venue. Compared with traditional experimental teaching，it can stimulate students' interest in learning and improve the teaching effect of surgical experiments.
[Key words]：Virtual experiment；Surgical teaching
临床医学是实践性很强的学科，外科学尤甚。外科实践教学是培养医学人才的重要环节，没有反复的、规范的实验操作就不会有疾病诊断和治疗技术的谙熟。传统的外科临床技能训练离不开有效的实验开展，而如今外科却面临着诸多困难。实验教学在高校应用型本科人才培养的过程中具有重要地位和特殊作用，依据目前我国高等教育发展之现状和人才培养模式的需求，伴随着计算机技术、网络技术、信息技术的发展，计算机虚拟技术在实验教学上的优势正在不断被认可，构建网络化的虚拟实验室进行开放式教学十分必要，成为未来实验教学改革的重要方向，而适宜的虚拟课件系统的研发在网络虚拟实验室的建设过程中处于核心地位[1]。此外，由于高校招生规模增加，学生人数庞大，教学经费相对缺乏，单个学生可以利用的实验教学资源相对不足。以我院为例，每届大约有2000人同时进人外科学实验室，而实验教师只有8名，每名教师需要不停地巡回指导，免不了顾此失彼。开展不了犬等大动物实验，只能以家兔代替，而草食性动物与人的解剖结构差距甚远。课时也有限，平均实验课只有26节，而无菌术、外科打结等基本功就要耗费20课时，学生真正在动物身上开展实验的时间所剩无几。因此，医学生在学校中临床技能训练不足，临床诊疗能力较差，进人医院自然底气不足，畏首畏尾，或者粗鲁蛮干，容易出现医疗差错甚至医疗事故。故亟需从多种途径为医学生提供外科实验机会，夯实医学生的外科基本功。本文就作者工作实际，论述了网络虚拟实验室课件系统的基本组成和相关技术
一、外科实验教学的改革思路
本实验室从多种途径培训学生外科操作能力，首先开发了一套“打结、切开缝合、肠吻合”多功能外科操作模型，使医学生脱离动物就能练习外科基本功，节约了资源；其次，晚上开放实验室，并有实验教师值班，延长了医学生的训练时间；再次，组织外科技能竞赛，并将实验成绩计人该科目总分，极大提高了医学生学习的热情和积极性；最后，研发了虚拟外科实验教学系统（Virtual surgery experimental teaching system，VSETS），在这个平台上学生通过网络就可以学习打结、缝合、动物实验等，使学生更能贴近临床。
虚拟外科实验教学系统（VSETS）就是用虚拟现实技术（virtual reality，VR），利用医学影像数据，在计算机中建立一个虚拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行实验计划制定、动物手术演练、手术教学、手术技能训练、。笔者认为利用现有的网络技术和工具，开发虚拟网络教学平台，搭建网络外科实验培训平台，能从“动脑”与“动手”两方面对医学生进行培养，提高外科临床能力，让学生真正进人医生角色，更好地适应临床工作[2]。
二、VSETS的意义
VSETS是以计算机仿真技术为核心，采用过程仿真、处理因素数据库、虚拟环境界面、人机交互构建的网络化虚拟实验平台。在计算机中建立虚拟场景，使学生置身于虚拟环境中，进行课程学习、虚拟手术、自我测试，通过流程设定、策略控制完成各种预定的教学项目，达到学习与训练的目的，优化了教学过程，提高了教学质量[3]。VSETS分为客户端和管理端两大部分。客户端也叫学生端，它以认知理论为基础，从课程规划、实验知识准备、模拟训练到学后知识巩固，构建一个符合认知结构的学习模式。它分为五大模块：①课程规划：以精品课程为基础，进行课程学习指导②器械介绍：展示与基础外科学相关的实验器械以及使用说明等，用于学前知识准备和学后知识复习；③教学视频：提供与基础外科学相关的教学视频的流媒体点播，可以按照需求进行分类展示，用于学前知识准备和学后知识复习；④虚拟实验室：它以动物实验项目为基础，通过流程设定、错误限制、过程提示等完成各种预定的教学项目，达到学习与训练的目的；⑤习题自测：提供本学科试题库，学生可以自我练习与评分，及时巩固复习相关知识。管理端也叫教师端，它主要由两大部分组成：①数据管理：用以管理客户端所有模块的数据；②用户管理：用以网络监控、用户授权、用户分组等[4]。
三、VSETS应用体系结构
VSETS采用混合分布式应用体系结构，客户端部分包含课程规划、器械介绍、教学视频、习题自测，因其特点是用户操作使用简单，要求模块具备较好的灵活性与开放性，故采用三层C/S体系结构；客户端部分即虚拟手术室，因其要求对各种实验环境进行仿真，对虚拟场景和交互要求较高，不同的用户端会选择不同的实验项目，并且不同的实验操作对服务端有不同的请求，服务器有不同的响应策略，故采用二层C/S体系结构。
虚拟实验教学系统由本课题组成员自行开发完成，系统采用VRML3.0结合Extreme3-D显示，部分模型通过3D Studio Max V9.0进行建模，系统主体运用NET2015开发平台，采用混合C/S体系结构进行系统构建，页面设计采用PhotoshopCS6，部分动画制作采用FlashCS6Pro，数据库采用SQL Server2008，数据管理通过数据管理程序完成。服务器采用IBM3650m5，系统米用Windows Server 2012，客户机采用现行主流PC机，系统采用Windows8。
四、VSETS模块设计
VSETS首先进入的是一个虚拟实验场景，从临床楼四楼更衣室进入，走廊两侧设置各功能学习房间。当点击虚拟实验室房间时，即可进人虚拟实验室模块，它以实验项目为单位，实施具体的虚拟实验模块。它通过3D场景、3D模型、流程控制、交互响应、模拟动画进行实验过程的仿真。在虚拟场景中，推开实验室门，首先选择实验项目，然后进入该实验的模拟场景。实验场景界面分为两大区域，即中心区域和右侧器械库，中心区域分为过程提示区和手术区。在进行虚拟手术时，先将实验动物放置于手术区，然后按照手术的流程到器械库中提取相关器械进行手术操作，当运用器械进行手术时，实验对象就根据器械、步骤、部位，调用相关的实验模型，进行模拟动画，展示手术产生的反应，当学生进行了错误操作时，比如所选取的器械错误，或者对实验对象手术部位的选择错误，系统就会暂时停滞在上一手术状态，并在过程提示区告知操作不正确，如果学生错误操作的次数达到3次以上，则系统会在过程提示区提示学生规范的操作应该是怎样的[5-6]。在手术结束时会给该项手术的要点和注意事项做一个总结。通过不断强化手术过程的方式，达到学习与训练的目的。如果学生能够顺利地完成整个手术流程，就会对手术步骤、不同阶段所应选取的手术器械、手术部位以及该项手术过程的注意事项都有一定的了解。
五、VSETS教学效果评价
为评价VSETS的教学效果，在2015年级本科临床医学7个班级发放调查问卷，就“人机互动性”、“反复操作性”等五个方面进行调查。共发放问卷731份，收回720份，其中有效问卷为714份，调查结果见表1。
表1 VSETS教学效果评价
由调查结果可知，传统的电教教学就是简单录像播放、幻灯片展示，而虚拟实验教学系统具备虚拟环境的场景感，具备互动性强、操作简便、突出重点难点、增强感性认识、提高学习成绩等优点[7]。相比于传统手术教学，不受时间及场地限制，更能激发学生的学习兴趣，更能提高外科实验的教学效果。与其他单位开发的虚拟系统相比，VSETS是3D建模，更加形象逼真；Flash动画可以鼠标点击操作，互动效果好，学生更具有参与感和成就感。目前，虚拟手术教学系统巳得到教师和学生的认可，在教学方式上开辟了一个新的途径。
六、结语
虚拟实验教学课件系统是建立在网络C/S模式下进行教学的，整合了多种制作软件程序的优良特性，拥有良好的虚拟现实特性，能把真实的实验操作通过软件得到良好的实现；具有良好的互动特性，能及时对实验内容和疑问进行反馈处理；课件整合了文字、图片、影像学和声音等元素从多角度，多系统去激发学习者的感官剌激，强化了学习效果和学习热情；而且运行实验教学功能扩展灵活，便于集中管理、更新和维护；同时可以进行远程继续教育，不受时间和空间的限制，极大的节省了教学资源的费用消耗，是对理论教学内容的有力支持，符合建构主义倡导的“以学生为中心”的抛锚式教学和随机进行学习的教学策略[8]。实验内容丰富而且综合性强以锻炼学生实践能力和创新意识、创新精神，促进学生知识、能力、素质的综合提高。网络虚拟实验的开放式教学对未来实验室“科技化，信息化，开放化”的改革方向打下了坚实的基础，值得进一步研究和教学推广。
参考文献：
[1]邵岩. 基于虚拟现实技术的力反馈手术平台的研究[D].沈阳工业大学，2018.
[2]许彦劼，夏明.虚拟现实技术在医学中的应用[J].东南国防医药，2018，20（02）：164-167.
[3]孙明，赵文嫣，潘春雨，谭书韬，吴斌.虚拟现实技术在泌尿外科教学培训中的应用[J].生物医学工程与临床，2017，21（06）：667-671.
[4]刘思怡，谭金海.虚拟现实技术在外科手术培训中的应用与展望[J].临床外科杂志，2017，25（08）：638-640.
[5]李小菲. 基于VR技术的教学课件的设计与应用研究[D].江西科技师范大学，2016.
[6]陈川. 虚拟学习社区在促进师范生创新能力中的应用研究[D].湖南师范大学，2014.
[7]尹卓良. 虚拟现实技术在多媒体课件中的应用研究[D].北京印刷学院，2010.
[8]张树才，王明俊.基于虚拟现实技术的课件制作方式研究[J].科技信息，2010（21）：584-585.
注：基金项目：长沙医学院2017年校级教学改革研究立项项目（第41号）
论文作者:李丽,黄慧明,刘丽,黄巍
论文发表刊物:《兰大学报（医学版）》2018年6期
论文发表时间:2018/11/21
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