血管收缩效能测定和评价虚拟仿真实验项目的建设

龙 瑶，卢研宇，李红芳，胡 燕，高飞云，王 燕

（1. 兰州大学 基础医学实验教学中心，甘肃 兰州 730000；
2. 成都泰盟软件有限公司，四川 成都 610100）

随着信息化技术水平的不断提高，教育信息化已成为教育改革发展的必然趋势[1-5]。医学机能实验是一门以综合性、设计性实验为主要内容的实验课程[6]，对培养医学生的实践操作能力和科研创新能力具有重要作用，但目前很多综合性强、融合度高的实验内容由于受到课时、设备、操作难度、生物安全等各种因素的限制，难以开展实体实验教学[1,6-9]。血管收缩效能测定和评价虚拟仿真实验项目是一项涵盖医学本科生理学和药理学多个知识点的综合性实验项目，其实体实验手术分离血管难度大，药物量效曲线测定耗时长，实验操作要求高，无法在本科生中大规模开展。而且，该实验中涉及多个理论知识的重点和难点，相应的实验操作技术在学生科研创新训练中经常用到。因此，项目组设计、制作、开发了该虚拟仿真实验项目，帮助学生理解相关理论知识，掌握实验操作技能；
结合实验拓展启发学生设计思路，延伸课堂教学，提高学生的学习效率和科研创新能力。

1.1 实验项目的设计思路

将血管收缩效能测定和评价虚拟仿真实验涉及的所有内容制作为中英文双语版，一方面使学生在学习专业知识和技能的同时提升专业英语水平，达到事半功倍的效果，另一方面可用于留学生教学，既满足了医学教育国际化的需求，又可进一步扩大教学资源共享范围。实验项目的设计框架如图1 所示，主要分为实验简介、实验模拟、思考题和实验拓展4 大部分。

图1 血管收缩效能测定和评价虚拟仿真实验设计框架结构示意图

1.1.1 实验简介

实验简介主要以文字、图片、表格等形式向学生展示实验目的、原理、器械、药品、数据分析、参考文献等内容。学生通过这部分可了解本实验所涵盖的知识点，学习实验中使用药品的配制方法、药物量效曲线的绘制过程以及亲和力指数（pD2）的计算方法等。

1.1.2 实验模拟

实验模拟部分是本虚拟仿真实验的核心，共设置了“实验学习”和“实验考核”两个模块。学生通过点击相应实验器械、药品、回答选择题或填空题等人机交互操作，逐步完成实验。

在虚拟实验过程中，学生可自主学习血管摘取与螺旋肌条制备的实验操作方法、肌条张力测定及去甲肾上腺素量效曲线绘制过程、血管内皮和肾上腺素受体阻断药对血管收缩效能的影响及pD2的计算等内容，并完成对学习效果的自测。

1.1.3 思考题

针对本虚拟仿真实验涉及的关键知识点及实验操作注意事项，项目组在实验项目建设中设置了思考题部分，引导学生对实验关键点进行思索，达到不仅知其然，且知其所以然的教学目的。

1.1.4 实验拓展

实验拓展部分的设置意在进一步延伸本虚拟仿真实验的教学内容，引导学生根据本项目所学实验方法，自主设计与平滑肌药物量效反应相关的实验，启发学生的设计思路，指导学生进行实验设计，提高学生科研创新能力。

1.2 实验项目的实现途径

血管收缩效能测定和评价虚拟仿真实验项目采取校企合作的模式进行建设。学校撰写实验脚本，企业将脚本转化为虚拟实验剧本，交于软件开发人员进行制作。整个项目的开发制作过程主要涉及以下4 个方面。

1.2.1 素材的绘制

对于本虚拟仿真实验项目的开发，首先要对实验中使用的各种仪器、实验器械等素材进行原图绘制，不同的实验素材根据功能需求采用不同的软件工具分别绘制为二维素材和三维素材。其中二维素材要根据动态效果和实验过程绘制成不同的体位和角度，如采用Adobe Animate CC 绘制不同的静态手势，用于实验过程中拿取或者托举各种实验器械。实验器械需要将其部件拆解开进行绘制，如家兔麻醉中使用的注射器，需将针管、活塞以及针头分别绘制，在后期动画制作过程中才能完成注射器吸取和注射药物的动作。为了进一步提高虚拟实验的沉浸感和仿真度，实验中使用的恒温水浴槽、离体组织恒温灌流系统等实验仪器采用3DMax、MAYA 等软件进行三维建模和渲染，同时绑定仪器动态节点，还原仪器外观，模拟真实仪器的操作使用方法。

1.2.2 界面的设计

虚拟仿真实验界面的设计首先使用 Adobe Photoshop CC 软件进行可视化界面设计，优化界面视觉布局，调整图片大小、位置、文字排版等。随后采用Html、CSS 以及JavaScript 等语言进行页面的呈现和组装，要求整个虚拟仿真实验过程中的各个界面美观、易读、易操作。

1.2.3 动画的制作

虚拟仿真实验中的动画通过Adobe Animate CC软件进行制作开发，主要涉及动画布局、动作规划以及知识点考核的交互性设计。要求设计布局美观合理，实验操作逻辑严谨，学生学习交互性强，具有考核评分功能等。对于动作规划和知识点考核的交互性设计，采用CreateJs 高级语言编写程序，用代码控制整个虚拟仿真实验模块的动作和交互流程，记录实验中各个知识点的考核结果，最后采用Html5 技术对整个交互式动画进行封装。

1.2.4 波形的模拟

在本虚拟仿真实验涉及的药物量效曲线的波形制作中，运用了Html5 Canvas 技术。将原始BL-420 信息化生物信号采集与处理系统中的波形数据，转化为数据点，采用计算机高级语言和算法实时反演，并通过Adobe Animate CC 设计波形界面和交互操作，从而实现由学生自主确定加药时机的功能，逼真还原实体实验中药物量效曲线的绘制过程。

本虚拟仿真实验已作为我校机能学实验课程的线上必修内容，应用于临床医学、医学影像学、麻醉学、预防医学专业40 多个班级的实验教学中，在我校研究生选修课“平滑肌生理和药理”中也进行了初步应用。学生反馈实验内容丰富、实验步骤详细、呈现形式新颖、具有良好的体验感和操作感，但在网络稳定性和交互形式多样化上仍需进一步提高。此外，项目已通过“实验空间”国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台在全国范围开放共享。根据项目网站后台统计数据，截至2020 年2 月，已有2 974 人次访问本虚拟仿真实验项目，累计学习时间超过10 000 h。

3.1 以虚补实，拓展实验内容的广度与深度

本虚拟仿真实验项目通过动画形式，将血管平滑肌的收缩特点及调节机制、平滑肌前负荷与收缩效能的关系、内皮细胞在血管平滑肌收缩活动中的作用、肾上腺素受体激动药和阻断药的作用及其机制、药物剂量与效应关系等教学大纲和医师资格考试大纲要求掌握的重点难点以生动、形象、直观的方式呈现出来，弥补了实体实验无法大规模在本科教学中开展这一不足，拓展了学生学习的广度与深度。

3.2 突破时空限制，提高学习效率

学生不再受时间和实验室空间的限制，可根据自己的需求，在任何互联网覆盖的区域，通过各类移动终端进入虚拟仿真实验进行学习[10]，验证所学的基础理论知识，熟悉实验操作技能。本项目实验模拟部分的“实验学习”模块，特意设计为学生可根据自己的需求直接跳转到想要学习的内容进行反复练习与操作，使碎片化时间可以得到充分、有效的利用，从而提高学生的学习效率。

3.3 教学手段新颖，激发学生的学习兴趣和主动性

虚拟仿真技术为学生提供了一个逼真的实验学习环境，通过文字、图片、动画、声音、人机交互操作等途径调动学生多感官参与学习，帮助学生更好地记忆、理解、掌握知识和技能。本项目中的药物量效曲线测定环节高度仿真实体实验过程，由学生自行判断加药时机。加药时机的掌握是药物量效曲线测定至关重要的一步，加药过早或过迟都会导致整条量效曲线测定失败。学生反馈每次到达这个步骤都既兴奋又紧张，良好的沉浸感和互动性有效地激发了学生的学习兴趣，使学生乐于学习、想要学习，提升了学生的学习主动性。

3.4 辅助双语教学，扩大共享范围

实施双语教学，适应了医学高等教育国际化趋势发展的需要，对于更新教育理念，提高学生素质，培养具有国际合作意识、国际交流与竞争能力的复合型医学人才具有重要意义[11]。本中英文双语版实验项目，为我校机能学实验课程在2020 年全面开展双语教学提供了丰富的教学资源。此外，中英文双语版的设计使项目通过互联网走出国门、走向世界，在全球范围实现共享成为可能。

血管收缩效能测定和评价虚拟仿真实验项目的实验方法取材于我校传统科研优势领域，项目组成员基于多年的教学经验积累，精心设计制作了这一知识内容覆盖面广、操作技能精细度高的双语版虚拟仿真实验项目。该项目在一定程度上解决了传统医学机能实验教学模式手段单一、教学资源不足、大型综合实验成功率低、教学效果欠佳等问题[7-8]，为进一步实现虚实结合、线上线下、混合教学新模式奠定了基础。由于这是本项目组开发的第1 个虚拟仿真实验项目，在各方面还存在诸多不足。项目组在应用和推广过程中，将持续收集使用者的反馈意见和建议，对项目进行以下改进和完善：

（1）从实验内容、操作便捷度、交互多样化、网络稳定性等方面对项目进行不断的改进和提升；

（2）不断完善英文版本的语言使用，力争用纯正的专业英语表达实验中所涉及的内容；

（3）通过举办会议、接待参访、承办培训等途径，与国内外兄弟院校、相关机构进行广泛交流与推广，充分发挥项目示范、引领、辐射作用，扩大虚拟仿真实验教学的受益面，共享虚拟仿真实验项目建设成果。

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