探讨实验谈在解剖实验教学中网络虚拟实验系统构建及运用

论文导读：迫切需要我们探索出一种新型的实验教学模式，以弥补传统解剖实验教学的不足，在此笔者介绍一下网络虚拟实验系统。二、网络虚拟实验系统的构建1.虚拟实验的提出随着虚拟现实（VirtualReality）技术和网络技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作之外，还具有可重复使用
摘要： 利用多媒体仿真等技术在计算机上营造可辅助及部分替代传统实验的相关软硬件操作环境——网络虚拟实验系统，可使实验者像在真实环境中一样完成各种实验项目，并能取得等同于在现实环境中所取得的实验效果，其应用前景十分广阔。
关键词：解剖学；网络虚拟实验系统；构建及应用
1002-0845（2012）11-0078-03

一、传统解剖实验教学中存在的问题

近年来，我国非常重视医学实践教学方法的改源于：毕业论文致谢词范文www.7ctime.com
革与实践。《教育部、卫生部关于加强医学教育工作，提高医学教育质量的若干意见》（教高【2009】4 号文件）指出，“高等学校要积极创新医学实践教学体系，加强实践能力培养平台的建设。积极推进实验内容和实验模式的改革，提高学生分析问题和解决问题的能力”。然而，随着我国高等教育体制改革的深化，各地高校招生规模扩大后直接导致学生数量急剧攀升，从而带来了实验教学资源不足及实验教学质量下降等诸多问题。尤其是医学类院校，实验教学环节要求严格、精准，有些实验需要反复多次练习才能达到熟练掌握的目的。目前就解剖实验教学来说，存在的主要问题有：1）实验场地有限，实验轮回次数过多，实验教学模式单一。2）实验标本不足，寻找尸源异常困难。3）实验课时少，学生没有足够的时间在实验室观看和操作标本。4）实验指导教师不足，教师课时量大，工作负荷过重。5）实验内容多，学生观看操作演示受实习场所限制，实验教学效果受到影响。
为了解决解剖学实验教学所面临的困境， 提高实验课教学质量和加强学生实践能力的培养， 迫切需要我们探索出一种新型的实验教学模式，以弥补传统解剖实验教学的不足，在此笔者介绍一下网络虚拟实验系统。

二、网络虚拟实验系统的构建

1.虚拟实验的提出

随着虚拟现实（Virtual Reality）技术和网络技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作之外，还具有可重复使用、易于维护和能实现远程实验教学等诸多优点。
虚拟实验是一种基于虚拟现实（Virtual Reality）技术的新型实验教学手段，它是利用多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造的可辅助及可部分替代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，所取得的实验效果基本等同于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验虽然建立在一个虚拟的仿真平台之上，但注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性，它的出现将有效缓解很多高校在实验经费、场地和器材等方面普遍面临的困难和压力，而且开展网上虚拟实验教学能够突破传统实验时、空的限制，无论是学生还是教师都可以自由地、随时随地登录网络进入虚拟实验室进行各种实验，这有助于提高实验教学的质量。

2.虚拟实验系统的常用开发技术及应用原则

开发虚拟实验系统可以使用的技术很多，常用的有JA（软件编程语言）、NET技术（面向网络的开发平台）和VRML技术（虚拟现实建模语言）、ActiveX技术（使用COM使得软件部件在网络环境中进行交互的技术集）和FLASH技术（矢量动画制作软件）等，无论采用哪一种开发技术都有以下优点：1）开发成本低，容易实现；2）交互性好；3） 操作简单，实用性强；4）以实为本，虚实结合；5）通用性、开放性和可扩充性强，易于维护。
鉴于医学实验对真实性、准确性要求较高的特殊性，本文以开发解剖学运动系统的虚拟实验系统为例，介绍目前广为流行的、采用Flash动画制作的软件开发平台。结合网页制作工具（Dreamweer、ASP）和数据库技术（SQL， Structured Query Language）开发该系统。由于Flash软件具有灵活易用的特点，而且开发的动画形象、直观、逼真及交互性好，因此用它作为系统的开发工具只需要很少的投入就能开发出一个可以重复使用的虚拟实验教学平台，大大降低了开发成本，而且系统的实用性强，易于推广、扩充和维护。

3.网络虚拟实验系统的结构设计

解剖学网络虚拟实验系统的结构如图1所示，它运行于Windows 2003 Server的服务器上，采用B/S（Browser/Server）三层架构模式，由客户端、Web服务器和分布式Web服务资源3个部分组成。利用ASP（动态网页制作工具）搭建虚拟实验室平台的客户端，再利用数据库技术将系统的不同资源链接起来。该系统是一个集虚拟实验教学管理系统、实验课教学指导系统和网络实验仿真系统等为一体的多功能网上运行系统。实验类型包括演示型、交互型和验证性实验，系统的各部分之间既相互联系、相互补充，又具有相对独立性。开发虚拟环境、实现实验仿真是虚拟实验系统建设的核心部分。
图1 解剖学网络虚拟实验系统结构

4.网络虚拟实验系统的构建方法

（1）建立虚拟实验教学网站
利用Dreamweer网页制作工具搭建解剖学虚拟实验系统网络支撑平台，建立用户登录帐户、设置运动系统的实验项目名称、实验要求、实验用具、实验操作、自我测试和师生交流互动等项目。
（2）虚拟实验组件的制作
1）素材收集与处理。由解剖教师按照解剖学运动系统各个环节的实验教学要求，将实验标本或图谱通过数码相机和扫描仪等设备从不同角度拍摄（每转15度角拍摄一次），并扫描运动系统的图像，然后将这些图像素材经过Photoshopcs3软件进行批量处理，并按名称及章节归类，分类存入素材库，以供开发人员制作解剖学虚拟三维仿真动画使用。2）制作三维仿真动画。工欲善其事，必先利其器。选择Flash软件作为制作虚拟实验组件的优点是：a.动画文件体积小（一般为几十KB至几百KB大小），网上传输速度快；b.Flash动画作品属于矢量动画，可以无限放大而不失真；c.交互性强，方便操作；d.实物拍摄的图片制作逐帧动画真实且效果更佳。为减少Flash 动画所占用的磁盘空间，往往将动画中涉及的元素根据需要制作成各种元件，如影片剪辑元件、按钮元件和图形元件等，再利用Flash自带的A论文导读：
ctionScript3.0 脚本编程语言编写调用这些元件的代码，以达到灵活控制、增强交互性的目的。具体步骤是：打开FlashCS3软件，将准备好的素材图像导入到舞台；然后，将制作好的元件放到图像的相应位置上。可采用复制的方法复制这些元件，只要修改相应的元件名称即可[3]。为了在制作中减少差错、修改及调整方便，元件和背景图像要放在不同的图层上。最后，完成单一内容的Flash动画影片合成后，将其发布成SWF文件，文件名要按事先制定的编码规则命名。每一个SWF文件将构成虚拟实验系统中某个实习环节的虚拟实验。
下图分别为用脑颅骨和骨盆拍摄后的图片制作成的Flash动画文件（SWF）
图2 颅骨Flash动画文件
图3 骨盆Flash动画文件
此动画文件包含用数码相机每隔15度拍摄的24副颅骨图片，将这些图片按顺序制作成一个影片剪辑原件（逐帧动画），将图像的放大、缩小、左右旋转、停止、退出等制作成按钮元件，将这些元件拖放到舞台上，并对实例进行命名，再利用Flash自带的ActionScript

3.0 脚本编程语言编写调用代码。

（3）组建网络数据库
在校园网服务器上设置网站，建立SQL数据库，再将制作好的SWF动画文件存入网络数据库，供网络虚拟实验系统调用。
三、应用
虚拟实验系统要适应学生自主学习的要求，实现以学生为中心的实践教学模式，使学生通过网络教学资源就能够自主地完成课前预习、实验模拟仿真操作、课后巩固复习、完成课后作业和实验报告、问题交流与讨论等学习活动。

1.实验预习

本系统针对解剖学运动系统部分，结合传统实验教学模块开展了虚拟实验教学，实验的内容包括颅骨、骨盆等几个代表性实验。每次实验课前学生先登录校园网解剖实验教学网站，输入给定的用户名和口令后登录虚拟实验系统，通过实验指导手册了解本次实验的实验目的、实验用具、实验内容、实验方法和实验结论等。

2.仿真模拟实验

用户登录到虚拟实验系统后，选择要进行实验的项目，在对整个实验项目初步了解后即可进入操作环节；调用Flash动画文件，如图2和图3所示，进行模拟实验；拖动鼠标可以移动到要操作的对象上，点击“+”号可以放大对象，点击“-”号可以缩小对象，点击“L”和“R”按钮可以左右旋转对象，点击“Play”可播放动画，学生可从不同角度观察标本，辨认各个部位，点击“Stop”可停止播放。点击“各部位名称”可以观看动画中标本的部位名称及相关说明信息，点击“退出”按钮可退出本次实验。

3.课后作业和实验报告

课后作业是巩固实验教学效果的必要手段。学生在“模拟”实验操作结束后，点击“课后作业”，进入测试答题界面，通过回答问题来检查自己的学习情况，回答的结果正确与否由系统直接给出得分与正确率。实验报告是实验教学的最后一个环节，要求学生将各个实验部分进行归纳总结，对所得实验结果进行综合分析，同时对实验过程中可能出现的问题进行讨论。通过实验报告的书写可以培养学生分析问题和解决问题的能力。

4.实验交流与讨论

师生之间、学生之间的交流与讨论是发挥学生学习主动性、促使其积极思考并不断发现问题和解决问题的一个重要环节。通过交流与讨论，能够使学生尽快掌握实验目的、实验内容、实验方法和技巧。学生在实验中发现问题后，可以通过这个平台得到快速的解答和指导，提高实验操作能力。
解剖学虚拟实验系统增强并扩展了传统解剖实践教学的功能，构建和开辟了解剖实验教学的新模式，它将学生和实验仪器联系起来，为学生课前预习和课后复习巩固实验内容提供了可重复操作的平台。学生可随时通过校园网登录该平台进行重复模拟解剖实验操作，不受时间和地点的限制。通过人机对话，学生能够“身临其境”地观察实验现象，并进行高度仿真标本的“实际”操作，有助于培养学生的自主学习能力、实际动手能力和创新能力，促进实践教学效果和教学质量上新台阶。该系统不仅能有效地解决解剖尸源不足、标本缺乏的问题，而且节省了重复实验所带来的成本和费用。虚拟实验系统在解剖实践教学中的应用，突破了传统教学和现行教学模式的狭隘性，拓展了实验教学内容，有效地发挥了学习者的各种感官作用，为教学的创新提供了新的平台，具有广阔的发展前景和应用前景[4]。但我们也必须注意到，虚拟实验系统尽管有诸多优点，但与实物操作之间还是存在一定的差异，虚拟实验的过程给人的感觉是“看得到，摸不到”，而且无法遇到在实际操作过程中可能会出现的各种复杂情况等。因此，该系统只能作为解剖学实验教学的辅助手段，不能替代传统的实验教学。
附：源于：论文参考文献www.7ctime.com
参与课题研究和论文撰写的还有陈晓玲、王锦绣、梁明庆。
参考文献：
朱利，赵卫.虚拟现实技术在医学实验教学中的应用[J].南方医学教育，2008（4）.
张天伍，陈雪梅，等.局部解剖学虚拟实验室的设计与应用[J].解剖学杂志，2007（5）.
[3]覃洪，廖海涛，韦义萍.《药理学》Flash动画素材的制作及在教学中的应用[J]. 广西医科大学学报，2006（1）.
[4]周雪松，丰美丽.虚拟实验技术的研究现状及发展趋势[J].自动化仪表，2008（29）.
〔责任编辑：赵 滨〕