校企共同开发肝性脑病虚拟仿真实验模块的探索

刘 靖

（佛山科学技术学院口腔医学院 省级医学基础实验教学中心，广东 佛山528000）

2017 年7 月教育部在《教育部办公厅关于2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4 号）明确提出，深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，于2017-2020 年在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作［1］。

在教育部政策的指引下，我校构建了整体优化、模块组合、功能互补、由简到繁、逐级递进的省级医学基础实验示范中心。中心积极鼓励教师主动创新研发，结合医学相关专业急需的实验教学内容，建设示范性虚拟仿真实验教学项目，积极探索线上线下相结合的实验教学新模式，力争形成开放、共享、优质的信息化实验教学项目体系。笔者作为省级医学基础实验中心骨干教师，对基础医学实验教学（特别是长期任教的机能实验学）中存在的问题进行思考和总结，以提高教学质量和更好地实践育人为导向，积极探索机能实验学的虚拟仿真教学项目的开发。

1 建设肝性脑病虚拟仿真实验模块的必要性

目前医学机能学虚拟实验教学系统采用成都泰盟软件有限公司推出的机能学实验仿真软件VBL-100，医学机能虚拟涵盖了100 多个机能学实验的模拟仿真，模拟仿真实验的优点在于无需实验器材和实验动物，即可帮助学生明晰实验原理，实践操作步骤，看到实验现象，可大大提高机能学实验项目的操作成功率。病生实验项目有急性心力衰竭、心率失常、急性缺氧、急性失血性休克、急性高血钾症、家兔肺水肿、家兔呼吸功能不全。但是缺少肝性脑病的实验模块。

肝性脑病（Hepatic encephalopathy，HE）是指在排除其他已知脑疾病前提下，继发于肝功能障碍的一系列严重的神经精神综合征，发病机制目前以氨中毒学为中心环节［2］。机能实验学开设的“氨在肝性脑病发病中的作用”实验课，是通过结扎家兔大部分肝叶人为阻断肝脏血流，模拟急性肝功能障碍，再经十二指肠灌入复方氯化铵溶液，致使家兔在短时间内血氨水平明显升高，出现类似肝性脑病的典型症状，是病理生理学唯一的一个消化系统疾病整体模型的经典实验［3］，实验设立3 个组，甲组（家兔大部分肝叶被结扎+十二指肠灌注复方氯化铵），乙组（假结扎手术+十二指肠灌注复方氯化铵），丙组（大部分肝叶结扎+十二指肠灌注生理盐水），甲兔最早出现抽搐、震颤、角弓反张等中枢神经系统症状，从而证实肝性脑病的氨中毒学说。从科研和教学的角度这个实验是严谨且非常具有实验价值的，不仅在动物身上很好地建立了肝性脑病的疾病模型，而且开腹、插管、缝合等操作可充分锻炼学生的动手实践能力，对实验动物的分组处理可以启发和培养学生的科研设计思维。因此本实验在我校口腔医学、护理学、药学等专业均有开设，但本实验也是带教老师和学生心理压力最大、成功率不高的一个实验。主要原因是为了排除全身麻醉药对家兔中枢神经系统的影响，家兔的腹部手术是选择进行局部麻醉（0.1%普鲁卡因），难度极大，需要手术人员具备较熟练的操作能力。即便如此，手术过程中家兔疼痛、挣扎、哀嚎，学生们在极大的心理压力下不忍下手，手术时间过长又会使家兔根本无法存活到缝合下地。为能保证看到实验现象，常由带教老师完成家兔肝脏的大部分结扎，十二指肠插管等重要环节的操作，不能达到锻炼和提高学生手术实操能力的目的。同时家兔的痛苦经历也不符合动物实验研究中的3R 原则：替代（Replacement）、减少（Reduction）、优化（Refinement），实验人员应通过替代或优化减少对实验动物的不人道操作，把对动物的伤害降到最低限度［4］。为此，笔者与成都泰盟软件有限公司进行合作，共同开发家兔肝性脑病虚拟仿真实验模块。对于护理学等操作技能要求较高的专业保留实体实验，但实体实验前可通过学习虚拟实验模块，提前进行步骤预演，观看手术难点，减少手术对实验动物造成的痛苦，提高实验成功率。对于手术训练要求不高的专业，可以用虚拟仿真实验替代实体实验。

2 开发肝性脑病虚拟仿真实验模块的过程

2.1 校方编写脚本

在共同开发虚拟仿真实验模块的过程中，由校方教师编写脚本。脚本内容包括实验名称、计算机界面操作、虚拟仿真环节内容和展示形式、实验方法和步骤、实验现象和结果，通过“学与用”两方面来完成。“学”的环节涉及实验原理、实验内容，观看实验步骤、了解实验器材等；“用”的环节主要是进行实验步骤练习，其中设置重重选择关卡，如实验动物、器械、测定指标的选择等，选择正确者才可以进入下一步。

2.2 企业开发计算机程序

对于开发虚拟仿真实验模块，学校与企业之间的沟通、协作密不可分。企业接收到校方编写好的脚本后，需要对实验脚本进行系统分析，提炼出实验中所需实验器材、场景及知识考点，分析实验步骤中的逻辑关系，合理规划虚拟实验中的动作过程，将脚本转化为虚拟实验剧本，交于开发人员进行开发。

2.2.1 素材的绘制

首先需要对实验中所使用的各种仪器、手术器械及实验动物进行原画绘制。在肝性脑病虚拟仿真实验中所绘制的实验器材和实验动物主要有哺乳动物手术器械、注射器、分光光度计、恒温兔台及家兔等。其中对实验动物要根据实验过程绘制不同的体位和角度，如实验模块中家兔的固定需要将家兔绘制成如图1 所示仰卧位姿势。对于手术器械等需要将部件拆解绘制，如注射器，可将针管、针头以及活塞分开绘制如图2 所示，在后期动作规划中，即可形成注射器的吸取药物和注射药物动作。

图1 家兔仰卧位姿势原画绘制

图2 注射器原画绘制

2.2.2 界面框架设计

界面框架设计主要包括软件主界面、提示框以及答题框等。软件主界面包含了学校名称、学校Logo、实验策划、技术支持、版本号以及实验模块入口等。图3 所示提示框和答题框是对重要知识点提示和考核所用，要求设计醒目、易读、易操作。

2.2.3 动画设计

动画设计采用Adobe Flash Professional CS6 软件进行开发，是整个虚拟仿真实验模块的核心过程，主要涉及到动画布局、动作规划以及知识点的交互设计，要求整个虚拟仿真实验模块设计布局美观合理，虚拟实验操作逻辑严谨，学生使用交互性强，具有考核评分功能等。肝性脑病虚拟仿真实验模块采用3 组实验家兔同时显示布局，如图4 所示，使用者可对虚拟实验的分组和流程一目了然。对于动作规划和知识点考核的交互性设计，采用计算机高级语言编写程序，用代码控制控制整个虚拟仿真实验模块的动作和交互流程，记录整个虚拟仿真实验模块知识考核。家兔肝脏的结扎切除、十二指肠插管等手术操作，是整个实验的重难点，手术视频剪辑插入到虚拟仿真实验模块当中，使学生更加容易掌握实验的重点难点操作。

图3 肝性脑病虚拟仿真实验答题框

图4 肝性脑病虚拟仿真实验动画布局设计

2.2.4 未来发展趋势和改进

肝性脑病虚拟仿真实验模块可安装在基于校园网的网站平台上或者其他网络平台，学生只要在有网络的条件下即可随时学习，不受时间和空间的限制，同时节省了实体实验的耗材，符合动物伦理学“3R”原则［5］。随着Html5 技术以及手机互联网的不断成熟，肝性脑病虚拟仿真实验模块可利用Html5技术进行升级改造，实现虚拟仿真实验模块手机、平板以及PC 等多终端使用，使学生可以随时随地进行肝性脑病虚拟仿真实验模块的学习。

文献［1］明确指出了采用虚拟现实（VR）等先进可靠的实验研发技术，提高虚拟仿真实验模块的吸引力和教学有效度。因此，对肝性脑病虚拟仿真实验模块可采用现代潮流VR 技术进行升级改造，通过计算机技术生成一个接近于真实世界的3D 虚拟环境，学生可以完全沉浸于虚拟环境中完成肝性脑病实验操作，使虚拟实验模块更加真实，交互性更强。

3 结语

人工智能技术、虚拟现实技术、物联网、大数据等技术为虚拟仿真实验教学软件的开发提供了强有力的技术支持［6-8］。实验条件要求较高或难以达到实验效果的实验项目和实践环节，可由虚拟仿真实验来完成，将医学实体实验与虚拟仿真实验有机结合，做到“虚实结合、能实不虚”［9］。每个学校都有自己的人才培养目标和定位［10］，有自己特有的教学内容，与公司合作开发全新的、能展现学校学术水平的独立项目，才是特色展示的核心。应充分利用企业和教学单位的优势进行设计创新，同时构建更加兼容的使用环境，比如将用在局域网的VBL-100 高清机能虚拟实验室升级为VMC-100 虚拟仿真教学平台［11］，师生可以便捷应用平台［12］，通过不同终端接入，登陆不同ID 便能够使用相应授权范围内的教育资源及教学应用，实现资源共享的最大化。