張 偉 ，張雁容

（1.西北師范大學教育技術(shù)與傳播學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅中醫(yī)學院，甘肅 蘭州 730000）

對醫(yī)學院校構(gòu)建虛擬實驗室的思考

張 偉1，2，張雁容2

（1.西北師范大學教育技術(shù)與傳播學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅中醫(yī)學院，甘肅 蘭州 730000）

綜述虛擬實驗室的內(nèi)涵和功能、國內(nèi)外研究與應用現(xiàn)狀及構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，并就醫(yī)學院校構(gòu)建虛擬實驗室的可行性及重要性進行初步分析。

醫(yī)學院校；虛擬實驗室；實驗教學

實驗教學是醫(yī)學院校教學的重要組成部分。構(gòu)建符合各專業(yè)人才培養(yǎng)目標的實驗教學體系，是促進學生理論聯(lián)系實際，提高實踐能力，增強創(chuàng)新意識，培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才的有效途徑。經(jīng)多年研究和探索，尤其是通過教育部本科教學工作水平評估，醫(yī)學院校的實驗教學工作有了很大發(fā)展。但長期以來，受辦學基礎(chǔ)薄弱、經(jīng)費緊張、投入不足等因素制約，醫(yī)學院校實驗教學依然存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）驗證性、演示性實驗多，綜合性、設計性實驗少；（2）儀器設備數(shù)量偏少，更新?lián)Q代速度較慢；（3）實驗教室有限，實驗場地擁擠；（4）理論課時較多，實驗課時偏少；（5）新辦專業(yè)缺乏成熟的配套實驗教材，傳統(tǒng)專業(yè)實驗教材內(nèi)容陳舊，教學方法單一；（6）實驗師資不足，教師知識更新不夠等。這些問題勢必影響醫(yī)學院校教學質(zhì)量和專業(yè)認證，影響學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，探討構(gòu)建符合醫(yī)學院校各專業(yè)人才培養(yǎng)目標，挖掘已有教學資源，易于管理的實驗教學體系勢在必行。

隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，使得以網(wǎng)絡技術(shù)為支撐的遠程教育得到迅速發(fā)展，并取得重大成就，加快了實驗教學改革進程。近年來，國內(nèi)外許多醫(yī)學院校及科研機構(gòu)紛紛提出虛擬實驗室的概念，即利用圖形、語音、視頻、動畫等多種技術(shù)，用戶可以通過網(wǎng)絡身臨其境地觀察實驗現(xiàn)象，給用戶提供一個基于網(wǎng)絡的技術(shù)交流、共同研究的平臺。隨著虛擬實驗室技術(shù)的不斷成熟，虛擬實驗室具有低成本、高效率、功能全等優(yōu)點，越來越廣泛地應用于高校科研、教學方面，并取得了許多成效[1]。

1 虛擬實驗室的內(nèi)涵及功能

虛擬實驗室（Virtual laboratory）的概念，最早在1989年由美國University of Virginia的William Wolf教授提出，用來描述計算機網(wǎng)絡化的虛擬實驗室環(huán)境，它是指借助圖形（圖像）、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機上創(chuàng)建一個可視化的虛擬實驗環(huán)境。其中，每一個可視化器件代表一種實驗器材，無論是學生還是教師都可以隨時進入虛擬實驗室操作儀器，通過鼠標的點擊與拖拽，進行各種實驗[2]。虛擬實驗室包括注冊登錄管理、實驗預約、實驗預習、設備教學、虛擬實驗、實驗報告管理、實驗考核評價、實驗成績管理、實驗資源下載等功能[3]。

2 國內(nèi)外虛擬實驗室研究與應用現(xiàn)狀

虛擬實驗室的研究和應用受到許多研究機構(gòu)及軟件供應商的重視，在網(wǎng)絡技術(shù)應用工作開展較早的美國巴爾的摩約翰霍浦金斯大學化學工程系的卡爾威教授在電腦網(wǎng)絡上建立了一個虛擬實驗室，讓工程系的學生通過網(wǎng)絡做實驗，嘗試解決工程上遇到的各種問題，在“電子工作”的軟件系統(tǒng)中利用虛擬實驗室提供的元件構(gòu)造各種模擬電路和數(shù)字電路，并能動態(tài)地測試電路的性能[4]。1995年，網(wǎng)絡上出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”實驗，“實驗者”可以用虛擬手術(shù)刀層層分離青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織。目前，國際上具有代表性的生物、醫(yī)學虛擬實驗室有：Howard Hughes醫(yī)學研究院（HHMI）開發(fā)的細菌鑒定實驗室、心臟病實驗室、免疫實驗室、神經(jīng)生理學實驗室等；諾貝爾基金會（The Nobel Foundation）開發(fā)的虛擬生化實驗室。

近年來，國內(nèi)虛擬實驗室建設也得到了迅速發(fā)展，最具代表性的是一些著名大學開發(fā)出的遠程教學虛擬實驗室，涉及物理、化學、生物、醫(yī)學等多門學科，如清華大學的汽車發(fā)動機檢測虛擬實驗室、華中科技大學的工程測試虛擬實驗室、國防科技大學的現(xiàn)代測控技術(shù)與應用虛擬實驗室等，但規(guī)模都較小，功能還不完善[5]。2003年初，我國第一軍醫(yī)大學宣布完成了國內(nèi)首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集。利用遠程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，醫(yī)生只需對虛擬病人模型進行手術(shù)，并通過網(wǎng)絡將醫(yī)生動作傳送到網(wǎng)絡另一端的手術(shù)機器人，由機器人對危急病人實施遠程手術(shù)。手術(shù)實際進展的圖像也可通過機器人攝像機實時傳給醫(yī)生的頭盔立體顯示器并將其與虛擬病人疊加，以便醫(yī)生實時掌握手術(shù)情況并發(fā)出手術(shù)指令[6]。上海交通大學對虛擬人體運動建模的研究頗有特色[7]。第二軍醫(yī)大學生理學教研室從20世紀90年代開始，對生理學虛擬實驗進行初步探索，曾對“蛙心灌流”“哺乳動物血壓調(diào)節(jié)”以及“動作電位的產(chǎn)生機制和記錄方法”等實驗進行了成功的模擬，并先后在國內(nèi)生理學界的教學和計算機應用大會上進行交流，獲得了好評。近年來，他們對原有實驗進行升級，完成了多種實驗軟件設計、調(diào)試和驗證，初步建成了機能學虛擬實驗室[8]。

3 構(gòu)建虛擬實驗室的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬實驗室應具備以下特征：與現(xiàn)實操作的一致性、信息反饋的實時性、感受的逼真性、實時的交互性、較強的擴充性、高度的開放性和資源的共享性，能保證實驗操作的安全和快速，高效地滿足教學需求。因此，要實現(xiàn)這些目標，需要具備以下基本技術(shù)條件[1，2，9～11]。

3.1 硬件支持

虛擬實驗室系統(tǒng)的硬件環(huán)境由3部分構(gòu)成。

3.1.1 遠程客戶端 客戶端計算機在嵌入腳本后，具有允許腳本和動態(tài)組件運行的瀏覽器功能，同時具備實現(xiàn)虛擬顯示所必須具有的音頻、視頻等多媒體I/O設備。在實際開發(fā)應用中，應盡量實現(xiàn)瘦客戶端，以降低客戶端的接入要求。

3.1.2 傳輸數(shù)據(jù)通道 接入網(wǎng)絡的虛擬實驗室的數(shù)據(jù)傳輸量較龐大，因此，需要采用基于虛擬現(xiàn)實傳輸協(xié)議VRTP的高速通信網(wǎng)絡，以便實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)構(gòu)成的虛擬環(huán)境多點傳送。

3.1.3 服務器 Web服務器：接收客戶端請求數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應請求提交給對應的應用程序服務器處理;應用程序服務器：處理由Web服務器轉(zhuǎn)交的對虛擬實驗儀器的請求，由安裝虛擬儀器（VI）開發(fā)平臺的計算機及相關(guān)接口組成。

3.2 軟件支持

3.2.1 虛擬現(xiàn)實 虛擬現(xiàn)實（VR）是一門涉及計算機、傳感與測量、仿真、微電子等技術(shù)的綜合集成技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)；虛擬環(huán)境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的交互式環(huán)境仿真。使用VR時要注意運用動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、虛擬現(xiàn)實模型語言技術(shù)等。

3.2.2 Flash技術(shù) Flash CS3作為矢量多媒體技術(shù)是為創(chuàng)作網(wǎng)絡交互式動畫而開發(fā)的，其腳本語言Active Script支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)，通過它可開發(fā)出具有很強交互功能的網(wǎng)絡動畫。Active Script還提供了XML Socket的組件，支持將XML對象通過Socket發(fā)送，并可以由服務器接收數(shù)據(jù)。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫技術(shù) 數(shù)據(jù)庫技術(shù)在虛擬實驗室的應用已從起步、發(fā)展階段，逐漸走向成熟。設備基本信息、實驗處理信息、學員教師信息、中斷信息存儲等，基本都采用數(shù)據(jù)庫進行管理，這樣實驗者才能較好地進行操作并控制實驗進度。

3.2.4 ActiveX控件技術(shù) ActiveX控件是基于COM和COM+的通用組件?？梢岳肰C、Delphi等進行ActiveX控件開發(fā)。ActiveX技術(shù)允許不同軟件開發(fā)的組件在網(wǎng)上進行互相操作。在開發(fā)過程中一個實驗儀器可以在多個實驗環(huán)境中重復使用。

4 醫(yī)學院校構(gòu)建虛擬實驗室的可行性

（1）基本具備虛擬實驗室構(gòu)建的支撐條件。目前醫(yī)學院?；窘ǔ闪饲д仔@網(wǎng)，可實現(xiàn)百兆到桌面，方便師生在辦公室或宿舍使用，不受時空限制，現(xiàn)有網(wǎng)絡傳輸速率完全滿足傳輸數(shù)據(jù)通道的要求。（2）可選用平民化、大眾化的虛擬技術(shù)。醫(yī)學院校開設的專業(yè)不多，實驗室數(shù)量、學生人數(shù)和開設的實驗相對較少，因而，可充分挖掘?qū)W院現(xiàn)有資源，以平民化、大眾化的虛擬技術(shù)創(chuàng)建虛擬實驗室。（3）擁有一批計算機網(wǎng)絡應用專業(yè)人才，能對虛擬實驗室構(gòu)建、運行、維護和管理提供直接技術(shù)支持。（4）許多學科已積累了大量能實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的素材。如許多實驗性較強的基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課開設的大量實驗等。

5 醫(yī)學院校構(gòu)建虛擬實驗室的重要性

5.1 創(chuàng)新實驗教學模式

利用現(xiàn)有校園網(wǎng)將實驗設備、實驗教學內(nèi)容、教師指導和學習者的操作有機融為一體，能克服資源、課堂、課時的制約，延伸實驗教學，為醫(yī)學院校實驗教學改革和專業(yè)認識提供新亮點。

5.2 實現(xiàn)理論教學與實驗教學一體化

能將實驗原理、方法與虛擬實驗儀器、實驗環(huán)境相結(jié)合，便于理論教學與實驗教學有機結(jié)合。

5.3 利于設計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗的開設

開設設計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗是虛擬實驗室又一重要應用形式，這類實驗由于內(nèi)容新穎、應用性較強，在實驗室往往無法及時開設。通過虛擬實驗室，可將相應網(wǎng)絡資源進行組合，開發(fā)相應實驗，甚至包括一些障礙性、破壞性實驗。

5.4 為學生創(chuàng)造寬松的實驗環(huán)境

構(gòu)建的虛擬實驗環(huán)境可使學生預習、分析、設計、消化實驗，營造人性化課堂氛圍。學生可以通過網(wǎng)絡共享實驗資源開展實驗，如遇到不能解決的問題可通過聊天室、電子郵件等通訊方式向教師請教，或與同學進行討論，尋求解決問題的辦法。

5.5 解決實驗設備與師資不足的問題

醫(yī)學院校傳統(tǒng)的實驗教學基本是在實驗室完成，受實驗設備數(shù)量、實驗耗材數(shù)量、指導教師人數(shù)、實驗學時等限制，實驗只能分組進行，因而學生接觸實驗設備和儀器的機會很少，大多數(shù)學生是在看實驗而不是在做實驗，教學效果不理想。虛擬實驗室能夠容納較多的學生進行實驗，這在很大程度上解決了實驗設備和師資不足的問題。其可以模擬、仿真新設備、新儀器，使學生學習到最先進的知識與技能，以解決實驗設備、儀器更新緩慢的問題，使實驗教學跟上時代發(fā)展的步伐。

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A

1671-1246（2010）19-0099-03

注：本文為甘肅省教育廳科研項目（0906-01）