ＶＲ虛擬現實技術在動物實驗教學中的應用

發布時間：2018-09-08所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：動物實驗教學是培養學生實際操作能力的專業教學活動中的核心手段，采取新型教學方式與手段，合理設置實驗教學內容，有助于激發學生的操作積極性，促進實踐教學的改革�；�于虛擬現實技術的動物仿真實驗操作，能夠降低動物實驗教學的成本，提高安全性，

　　摘要：動物實驗教學是培養學生實際操作能力的專業教學活動中的核心手段，采取新型教學方式與手段，合理設置實驗教學內容，有助于激發學生的操作積極性，促進實踐教學的改革�；�于虛擬現實技術的動物仿真實驗操作，能夠降低動物實驗教學的成本，提高安全性，實現實驗可重復性的沉浸式操作。同時極大提升學生的自主性和創新性，提高動物實驗的教學成果，培養高素質的實踐型畜牧獸醫專業人才。

　　關鍵詞：動物實驗教學;虛擬現實技術;虛擬仿真實驗;實驗論文發表

　　動物實驗教學是動物醫學專業和畜牧獸醫專業學生學習動物機體基本結構，掌握外產科手術學基本知識，鍛煉學生實際操作技能及正確使用常用手術器械的必經之路，對學生職業能力培訓和職業素質的養成，起到重要的支撐作用，培養畜牧產業高素質技能型人才。通過動物實驗課程學習識別動物體主要器官的形態、結構和位置，掌握各器官系統的生命活動過程，為后續課程和從事本專業職業崗位奠定基礎。動物實驗教學具有很強的實踐操作性，是其他獸醫臨床課程互通的橋梁，在動物醫學及畜牧獸醫專業課程學習中所發揮的作用尤為重要，是學生實現從理論向實踐跨越的重要手段。

　　虛擬現實技術(VirtualReality，簡稱VR)，自20世紀50年代誕生以來，經過半個多世紀的快速發展，已經由最初模糊的概念轉變成產品而落實到各行各業中，并取得了卓有成效。電子信息技術的迅猛發展，隨之興起的幫助人們多元化人機交互的輔助工具，虛擬仿真環境在教學過程中的應用更是打開了一個廣闊的前景[1]。虛擬仿真實驗室的投入能夠降低動物實驗教學的成本，提高實驗的重復性，保證動物實驗教學的安全性，模擬操作場景逼真，步驟嚴謹，同時具有完善的考評制度等優點而逐漸被引入高校實驗教學[2]。將虛擬仿真實驗應用到動物解剖和動物外產科手術實驗教學中，能夠改善傳統動物實驗教學課堂上的諸多局限，協助學生進行理論到實踐的轉換，加深動物機體的解剖學結構認識，進一步培養學生的臨床思維及動手能力，增強團隊合作意識，實現動物實驗教學的終極目標。

　　1動物實驗教學的局限性

　　動物醫學專業和畜牧獸醫專業目標在于培養具備較強實踐創新能力和臨床操作技能的專業應用型人才，因此在動物解剖及外產科手術等核心專業課程設置中亟需突出動物實驗教學，增加實訓環節，以提高學生的實踐操作能力。動物實驗教學在培養學生專業實踐能力上發揮著不可或缺的作用，實驗設置的方式、內容及涉及的操作直接影響著學生能力提升的質量。目前，傳統動物實驗教學存在著諸多問題。

　　1.1教師對實驗動物教學工作的經驗差異性

　　進行動物實驗教學的教師都是經過專業考核和遴選的優秀教職工，基本教學能力和操作技能都不存在問題，但是因為專業方向不同，所側重的臨床操作技巧也會迥然有別。如防疫剖檢與臨床外科手術操作對細節的要求不盡相同，不同教師在操作方法的示范中所展現的要領和動作，操作手法和習慣都可能有所差異。這些差異在不同的環境下該作何改變和應對，對于教師了然于心，然而對于初次在課堂上進行解剖或手術操作的學生來講，可能困惑于這些差異而無所適從，導致不能熟練掌握技巧，甚至出現不規范的操作。

　　1.2實驗開展受內容設置和時空條件限制

　　動物實驗教學課程的設置要遵守人道主義，考慮到動物福利，以及從尊重生命的角度會避開一些需要造�；蛘唠y度大的實驗操作，如骨折，腹腔內臟手術[3]。在實驗內容設置上會相對減少這類操作而以相關的視頻影像資料進行替代學習，或者選擇一些相對簡單、安全的操作作為授課內容，并進行多人次組隊以減少活體動物使用的數量。因而，無法保證每個學生都能動手操作，每一個相關手術都能開展。同時受課時限制，實驗設置項目類別明顯不足，諸多臨床模擬無法體驗，實際操作技能無法獲得而影響學生的學習積極性。

　　1.3存在安全性隱患

　　動物實驗教學在實施過程中的安全性問題，是不可忽略的首要事項。外產科手術有些實驗是在活體動物身上進行模擬臨床外科手術操作，所用實驗動物涉及家犬、兔和羊等。在課程實施過程中一些動物具有攻擊性，且有攜帶人獸共患病原體的不確定性，動物的麻醉及保定過程中存在危及實驗動物和操作者人身安全的問題，教師及實驗管理人員再三防范仍會存在潛在風險[4]。在實驗操作過程會使用手術刀、手術剪、縫針等銳利器械，動物實驗模擬實施前學生缺乏實際操作經驗，僅靠教師在實驗操作前的理論教授及演示過程中的強調難以防范意外事件的發生。

　　1.4學生的認知度不夠

　　受實驗條件、課時、動物使用量所限，并為防止意外發生，一些實驗操作由教師操作演示，學生進行觀看，這種實驗所呈現的結果基本都是成功的操作，學生難以體會到在操作中如果操作不當會引起什么樣的后果，遇到突發狀況該如何應對解決。初次進行解剖或手術操作，學生會有緊張，信心不足或者疏忽老師反復強調的注意事項，相互之間的配合不當，可能導致一些操作失敗，因而一些學生只愿意協助完成簡單的部分任務，對由理論課過渡到實踐課的熱情逐漸淡化[5]。

　　1.5實驗課程考核不完善

　　學生對一門課程的掌握程度應當有合適的考核方式進行評定，而動物實驗操作具有團隊性、過程的連續性、手術的不可預見性，以及操作的不可重復性，指導教師無法保證監管多個團隊同時操作，因此對學生的專業實操技能的掌握僅靠最終書寫的實驗報告無法進行更為合理的評判。

　　2虛擬現實技術在動物實驗教學上的應用

　　虛擬仿真技術的真實性、交互性、和沉浸性使得在信息傳遞方面有了重大突破，從傳統簡單的文本、圖片或者聲音轉變為一系列實時呈現的擬真聲像信息，觸覺和運動感知[1]�；�于虛擬仿真技術的模擬實驗為新型的實驗實訓基地的建立和實驗教學的設置提供了新的方式與思路[6]。虛擬仿真實驗在教育中的多個學科已經得到應用。如中國科技大學的物理實驗教學，中南大學的礦業工程化學虛擬仿真實驗教學，第四軍醫大學的醫學機能虛擬實驗教學，西北農林科技大學動物醫學虛擬仿真實驗教學等[7]。這些虛擬仿真教學實驗中心的建立，涵蓋了各類專業性實驗的原理，操作模擬以及案例等內容，并逐步完善相關知識題庫，拓展與同一專業的相關課程相互交錯，提升實驗教學的質量。虛擬現實技術在動物實驗教學上的應用能夠彌補傳統動物實驗教學中的不足，發揮更多的優勢。

　　2.1提高動物實驗教學的規范性、統一性

　　VR教學系統設置學科完善，教學內容和教學方法都有嚴謹的層次性、邏輯性和統一性，涉及的動物外產科手術操作手法較為一致，彌補了各帶教老師之間的差異性，學生在對注意事項、操作過程和拓展知識能夠更全面的理解，提高實驗教學效果的一致性。

　　2.2提高學生的團隊性、積極性和自主性

　　在實施虛擬仿真實驗教學過程中，動物實驗有了可重復性，學生可以通過虛擬擔當不同的角色，可以是主刀者也可以是助手，角色的轉換能讓他們進一步理解一個手術的完整性。麻醉師、器械護士、術者及助手的互相配合和更迭，使得學生的團隊協助精神得到了提升，并能夠更加全面的掌握手術過程中所涉及的操作技能。由于每個人都可以充當主刀師角色，學生的積極性得到了很大提高。團隊成員可以從VR虛擬系統探索術前準備，深化對概念的理解，產生新想法，設定合理的手術方案，從而提高學生自主性和創新精神[8]。

　　2.3節約資源，降低風險

　　虛擬仿真實驗室進行動物實驗教學，可以不需要采購實驗儀器、手術器械和實驗動物，降低實驗儀器設備維護維修帶來的經費損耗，減少實驗動物的購置成本和飼養場地占用。降低了學生初次使用手術刀、手術剪等銳利手術器械潛在的風險。學生操作不必使用實體動物，避免了動物保定(犬、貓等)過程中對人身造成傷害，也消除了人獸共患病的隱患。

　　2.4增加內容設置，高效利用課堂

　　虛擬仿真動物實驗教學可以設置傳統課堂教學中較難實現的外科手術操作，如骨折、腹腔手術，以及高難度的心臟、開顱手術等[9]。增加實驗內容的設置，可以提高學生對外科手術學習的熱情和積極性，也加強了各類外科手術操作過程的初步掌握，為真正走向臨床打下堅實的基礎。虛擬仿真動物實驗操作打破了現實實驗操作對時間的要求和限制。在現實實驗中動物的保定麻醉需要一個過程，術后的恢復也較為緩慢，一些手術還要涉及術后護理。而在虛擬仿真實驗操作可以縮短手術完成時間，高效的利用了有限的課堂實驗課時，為內容的增設提供了機會。同時無需安排學生抽出其他時間進行術后的輪流監管護理。

　　2.5完善課堂實驗的考核機制

　　學生實驗操作的技能掌握程度可以通過操作一個完整的虛擬手術實驗來考核，教師可以增置實驗項目實施過程中的環節，如設置手術過程中的出血環節，設置多種備用手術器械，以考察學生的應變能力和對操作技能的掌握。手術器械選用、操作程序、助手協助等環節都可以進行系統評判打分，改善了指導教師無法對多組團隊同時進行督查的問題，更能體現考核的嚴謹性與公正性。對學生進行不同角色的選擇性考察，進一步提高考察技能掌握的完善性。

　　3總結與展望

　　當代學生教育已經由傳統的教師以“教”為主轉變成學生以“學”為中心，融學于教。隨著電子信息技術的發展，虛擬現實教學模式越來越多的應用到教學當中，尤其是實驗課堂的應用。學生通過實驗操作掌握實驗技能是非常重要的，盡管完全真實的實驗操作仍有著不可替代性，但虛擬仿真實驗教學通過仿真模擬場景操作，學生實現了3D沉浸式的操作體驗，更加真實的模擬現實操作，提高了他們的學習積極性。同時實驗教學內容設置增添了不確定性、失敗性、陷阱性，提高了挑戰性，激發了他們的思維創新能力。虛擬仿真動物實驗教學借助于虛擬仿真技術，為動物醫學和畜牧獸醫專業教學內容的匹配提供了更多的資源和便利。因此，虛擬仿真實驗教學可以作為傳統實驗的補充和輔助，通過設置一定的課堂比例，兩者互相結合，增加理論知識的轉化，為實踐型專業技術人才的培養創建了新的方式，為傳統教育理念的改革和新時代混合課程的設計提供相應的支持，促進動物醫學專業和畜牧獸醫專業的發展上升到新的層次。