兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建與應(yīng)用

1、兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建與應(yīng)用摘要 為了解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的手術(shù)操作不易掌握，部分器官微小、易損，結(jié)構(gòu)與生理的協(xié)同作用不可見 等問題，構(gòu)建了兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，并通過實(shí)施虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和形成性實(shí)驗(yàn)考 核體系，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，有效提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完整、高效、綠色和環(huán)保。 關(guān)鍵詞 兔的解剖；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛實(shí)結(jié)合Construction and application for the virtual simulation experimentof the morphological structure and func

2、tion of rabbitsAbstract In order to solve the existed problems during operating the traditional experiments，like the difficult grasp，easy vulnerability of partial organics，and the invisible synergistic effect of structures and physiology，we constructed a virtual simulation experiment system of the m

3、orphological structure and function of rabbits. By implementing the experimental teaching model with the formative and experimental evaluation of the integration of reality and virtual simulation，the experimental teaching results and students initiative had been significantly improved; while the exp

4、erimental project integrity，high efficiency，green，environmental protection was also well achieved.Key words anatomy of rabbits; virtual simulation; experimental teaching; integration of reality and virtual simulation家兔解剖實(shí)驗(yàn)是生物、動科、獸醫(yī)、動檢、水產(chǎn)等專 業(yè)一個非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目掌握家 兔解剖手術(shù)的規(guī)范化操作流程、各器官形態(tài)結(jié)構(gòu)特征 及生理功能,可為學(xué)生科學(xué)嚴(yán)

5、謹(jǐn)學(xué)習(xí)態(tài)度的養(yǎng)成、動手 實(shí)踐能力的提升以及動物生理學(xué)、藥理學(xué)等后續(xù)實(shí)驗(yàn) 課程的學(xué)習(xí)提供必要的支撐算。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+ ”的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被越 來越多地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中目前，國內(nèi)外與動 物解剖相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)多以人體和大型動物如 牛、馬、犬等為主，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、獸醫(yī)等專業(yè)的臨床 教學(xué),且由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的差別以及知識 產(chǎn)權(quán)等問題，現(xiàn)有的資源很難應(yīng)用于我校動物學(xué)等課 程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。為此，圍繞解決傳統(tǒng)家兔解剖實(shí)驗(yàn) 教學(xué)中存在的一些問題，自主開發(fā)了 “兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與 功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，并且通過實(shí)施“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí) 驗(yàn)教學(xué)模式和全過程覆蓋的實(shí)驗(yàn)考核體系11，豐富了 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，

6、有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效 果。1傳統(tǒng)單一實(shí)體實(shí)驗(yàn)中存在的問題一是家兔解剖操作流程復(fù)雜、不易掌握。解剖操 作從家兔的處死到皮膚的剝離，到腹腔、胸腔的打開， 再到各系統(tǒng)、各器官的進(jìn)一步解剖觀察，步驟十分復(fù) 雜，且操作要點(diǎn)較多。在傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中， 一般需要教師在學(xué)生獨(dú)立動手操作前花費(fèi)大量的時間 逐步進(jìn)行演示和講解，示教效果差，不僅浪費(fèi)了有限的 實(shí)驗(yàn)學(xué)時，而且不利于學(xué)生利用寶貴的實(shí)驗(yàn)動物資源 提升實(shí)踐能力。二是存在部分器官組織幼嫩、微小、易損（如心臟、 膽囊、腦組織等），生理功能不可見、不可逆（如血液循 環(huán)、尿液的形成與排放等）、內(nèi)臟器官易纏繞以及結(jié)構(gòu) 不易觀察等問題，嚴(yán)重影響了學(xué)生

7、學(xué)習(xí)的效果。三是存在著預(yù)習(xí)難、復(fù)習(xí)難和考核難的問題。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的開展必須借助手術(shù)用具器械和實(shí)驗(yàn)動物，無 法讓學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生在開展實(shí)體 實(shí)驗(yàn)前對整個實(shí)驗(yàn)流程和注意事項(xiàng)沒有感性認(rèn)識，課 后也不能有效地鞏固所學(xué)的知識和技能。實(shí)驗(yàn)考核理 論化傾向嚴(yán)重，大多以筆試的方式代替實(shí)體操作，導(dǎo)致 對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)考核不全面、不完整。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中 還存在家兔購買成本高、實(shí)驗(yàn)動物福利與倫理和學(xué)生 對動物解剖心理畏懼等問題12-13 %2兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建為解決上述問題，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，運(yùn)用虛擬仿 真技術(shù)，使用Unity3D、Maya、3DSMax等開發(fā)工具，構(gòu)建 “兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與

8、功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，其主要功能架 構(gòu)如圖$所示用戶可以通過PC或智能移動終端設(shè) 備（智能手機(jī)、平板電腦）訪問虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn) 入系統(tǒng)前，需要進(jìn)行身份驗(yàn)證（后臺有數(shù)據(jù)庫支撐，以 便記錄學(xué)習(xí)軌跡和實(shí)驗(yàn)成績等數(shù)據(jù)），系統(tǒng)會自動判別 用戶的身份（學(xué)生、教師或管理員），以進(jìn)入相應(yīng)的功 能區(qū) PC端的主界面如圖2所示，下面依次介紹系統(tǒng) 的各主要功能模塊輔助功能I解剖模塊IT在線交流Iq自主解剖|4排泄過程I輔助功能I解剖模塊IT在線交流Iq自主解剖|4排泄過程I兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)微課視頻I 成績查詢I圖$兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能構(gòu)架圖Figure $ The functi

9、onal framework diagram of the virtual-simulation experiment for the morphological structure and function of rabbitsFigure 2 The interface system of the virtual-simulation experimentfor the morphological structure and function of rabbits2. $解剖模塊家兔解剖的流程大致包括:致死&體壁解剖&消 化系統(tǒng)解剖&泄殖系統(tǒng)解剖&循環(huán)系統(tǒng)解剖&呼吸系 統(tǒng)解剖&腦解剖等步驟

10、。為了便于學(xué)生在線開展家兔 解剖操作的自主訓(xùn)練，逐步掌握規(guī)范化操作流程，將解 剖模塊（圖3）分為3個子模塊:1）觀摩解剖:此模塊不 需要任何互動操作，學(xué)生通過對3D動畫的觀摩，初步 了解家兔解剖操作的規(guī)范化流程;2）虛擬解剖:學(xué)生可 利用鼠標(biāo),按照操作提示，通過對相應(yīng)3D模型的點(diǎn)擊 和拖動，按部就班地完成“仿真兔”的在線解剖，實(shí)現(xiàn) 學(xué)生對兔解剖操作規(guī)范化流程的了解和掌握;3）自主 解剖:在沒有任何提示的情況下,學(xué)生自主開展“仿真 兔”解剖操作的整個流程,可進(jìn)一步強(qiáng)化對相關(guān)技能的 掌握這3個子模塊由易至難，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律, 有利于學(xué)生牢固地掌握該部分實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識和技 能。圖3兔的解剖模塊F

11、igure 3 The anatomy mode of the rabbits2. 2透視結(jié)構(gòu)模塊在透視結(jié)構(gòu)模塊中，學(xué)生可完成對兔的外部形態(tài)、 骨骼系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、排泄系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)和組成特征的了解，完成對各器官在體內(nèi)的相對位 置與空間分布，以及相互連接方式等內(nèi)容的學(xué)習(xí)（圖 4） $首先點(diǎn)擊右側(cè)菜單中的相應(yīng)系統(tǒng)或器官名稱，即 可調(diào)出各系統(tǒng)的3D模型，然后通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊、拖動或 滾輪滾動左側(cè)的模型，實(shí)現(xiàn)對家兔外部形態(tài)和各系統(tǒng) 的縮放和360全方位觀察圖4透視結(jié)構(gòu)模塊Figure 圖4透視結(jié)構(gòu)模塊Figure 4 The perspective structure mode為了讓學(xué)生

12、直觀地了解兔在完成呼吸、食物消化 與吸收、血液循環(huán)、尿液形成等生理活動時其結(jié)構(gòu)組成 與生理功能的協(xié)同作用關(guān)系，在生理功能模塊中加入 這些內(nèi)容的3D仿真動畫（圖5）供學(xué)生觀摩。$） “呼吸 系統(tǒng)”動畫:實(shí)現(xiàn)呼吸功能時，家兔鼻腔、氣管、肺、胸膈 膜、胸骨等器官的動態(tài)變化過程;2）“消化系統(tǒng)”動畫： 食物從攝入體內(nèi)到排出體外，其在口腔、食道、胃、腸等 器官中食物形態(tài)的變化、養(yǎng)分的吸收、廢棄物的排泄等 一系列動態(tài)變化過程;3）“循環(huán)系統(tǒng)”動畫：血液在體 內(nèi)循環(huán)時，動脈血、靜脈血在心臟和血管中的流動與變 化過程;4，“排泄系統(tǒng)”動畫：尿液形成與排出時，其在 腎臟、膀胱、輸尿管中的動態(tài)變化過程2. 4 器

13、官復(fù)位模塊器官復(fù)位就是解剖過程的逆向操作，它有利于學(xué) 生進(jìn)一步加深和掌握家兔各系統(tǒng)、器官在體內(nèi)的相對 空間分布。在器官復(fù)位模塊中，學(xué)生可從骨骼系統(tǒng)開 始依次選取左側(cè)欄目中的各器官3D模型，并將其放置 到“仿真兔”體內(nèi)原有的位置上，直至完成所有器官的 拼裝（圖6）。操作過程中，如出現(xiàn)器官選取錯誤或位 置擺放錯誤,系統(tǒng)會自動提示用戶，以引導(dǎo)用戶完成正 確的操作。圖5生理功能模塊Figure 5 The physiological function mode2. 5虛擬考核模塊虛擬考核模塊分為解剖考核、復(fù)位考核和結(jié)構(gòu)考 核等3個部分（圖7）。1）解剖考核:按順序進(jìn)行解剖 操作,系統(tǒng)自動記操作步驟并計

14、分，完成學(xué)生對規(guī)范化 操作流程的考核;2）復(fù)位考核:與器官復(fù)位模塊相似, 系統(tǒng)記錄操作步驟并計分，完成對各器官空間分布的 考核;3）結(jié)構(gòu)考核:看圖在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上填出名稱，完 成對兔的外形和各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)名稱的考核。圖6器官復(fù)位模塊Figure 6 The organics reset mode（a）解剖考核;（F）復(fù)位考核;（c）結(jié)構(gòu)考核圖7虛擬考核模塊Figure 7 The virtual evaluation mode除了上述主要的功能模塊外，本實(shí)驗(yàn)還包含了目 的與器材、在線交流、試題庫、微課視頻、實(shí)驗(yàn)報告等模 塊，以確保整個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目流程的完整實(shí)施3“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建為了充分發(fā)

15、揮虛擬仿真資源的優(yōu)勢，提高實(shí)驗(yàn)操 作的成功率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和 主動性，將兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體 實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，構(gòu)建了涵蓋實(shí)驗(yàn)“前、中、后$3個階段的“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式（圖8）。圖8兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能“虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式Figure 8 The experimental teaching mode of the integration of reality and virtual simulation for the morphological structure and function of rabbits 在新模式下，家兔的解剖實(shí)驗(yàn)共6個學(xué)時，

16、其中虛擬仿真學(xué)習(xí)占2個學(xué)時。學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗(yàn)開始前，主 要以虛擬仿真學(xué)習(xí)為主,通過對虛擬仿真系統(tǒng)中各模 塊的虛擬操作，對實(shí)驗(yàn)有一個充分的預(yù)習(xí)，初步了解相 關(guān)知識和實(shí)驗(yàn)操作流程。線上的虛擬解剖練習(xí)還能起 到一個良好的過渡作用,有效緩解學(xué)生對動物解剖實(shí) 驗(yàn)的畏懼心理。進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)體解剖操作 時，學(xué)生可參照虛擬解剖的操作過程，完成自主解剖操 作。教師可大幅縮減示教、講授等環(huán)節(jié)的時間，而以個 別輔導(dǎo)和答疑為主，將實(shí)驗(yàn)學(xué)時最大化地“還于學(xué) 生。同時，學(xué)生可將實(shí)體解剖、實(shí)體器官與虛擬解剖、 3D器官模型相結(jié)合，開展比對式學(xué)習(xí)，進(jìn)一步規(guī)范實(shí) 體實(shí)驗(yàn)操作流程，分析器官結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異的原因。對 于實(shí)際操作難

17、、組織易破損、微小結(jié)構(gòu)難以觀察的部 分,學(xué)生可以使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充學(xué)習(xí) 實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,學(xué)生可利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各個模塊 進(jìn)行自主復(fù)習(xí)，進(jìn)一步鞏固知識和技能。此外,利用系 統(tǒng)還可開展師生之間的在線學(xué)習(xí)交流、實(shí)驗(yàn)報告提交 與批復(fù)等。4全過程覆蓋的形成性實(shí)驗(yàn)考核體系的構(gòu)建為解決以往實(shí)體實(shí)驗(yàn)考核難和理論化傾向嚴(yán)重的 問題，有效了解學(xué)生對兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的掌握情 況，構(gòu)建了覆蓋實(shí)驗(yàn)全過程的形成性實(shí)驗(yàn)考核體系（表 1）。通過線上、線下相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果、 操作過程、實(shí)驗(yàn)態(tài)度以及學(xué)習(xí)效果的全方位考核5小結(jié)綜上所述,揚(yáng)州大學(xué)生命科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 為了解決家兔解剖傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的手術(shù)操作流程不 易掌握、部分器官微小易損、結(jié)構(gòu)與功能協(xié)同變化過程教學(xué)效果,減少了實(shí)驗(yàn)動物用量，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)完整、高 效、綠色、環(huán)保 2018年，“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬 仿真實(shí)驗(yàn)”被遴選為國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目教學(xué)效果,減少了實(shí)驗(yàn)動物用量，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)完整、高 效、綠色、環(huán)保 2018年，“兔的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能虛擬 仿真實(shí)驗(yàn)”被遴選為國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目表1覆蓋實(shí)驗(yàn)全流程的形成性實(shí)驗(yàn)考核體系Table 1 The formative experiment evaluation system covering the whole experiment process考核項(xiàng)目Evaluatio