ＶＲ虚拟现实技术在动物实验教学中的应用

发布时间：2018-09-08所属分类：科技论文浏览：1次

摘 要： 摘要：动物实验教学是培养学生实际操作能力的专业教学活动中的核心手段，采取新型教学方式与手段，合理设置实验教学内容，有助于激发学生的操作积极性，促进实践教学的改革。基于虚拟现实技术的动物仿真实验操作，能够降低动物实验教学的成本，提高安全性，

　　摘要：动物实验教学是培养学生实际操作能力的专业教学活动中的核心手段，采取新型教学方式与手段，合理设置实验教学内容，有助于激发学生的操作积极性，促进实践教学的改革。基于虚拟现实技术的动物仿真实验操作，能够降低动物实验教学的成本，提高安全性，实现实验可重复性的沉浸式操作。同时极大提升学生的自主性和创新性，提高动物实验的教学成果，培养高素质的实践型畜牧兽医专业人才。

　　关键词：动物实验教学;虚拟现实技术;虚拟仿真实验;实验论文发表

　　动物实验教学是动物医学专业和畜牧兽医专业学生学习动物机体基本结构，掌握外产科手术学基本知识，锻炼学生实际操作技能及正确使用常用手术器械的必经之路，对学生职业能力培训和职业素质的养成，起到重要的支撑作用，培养畜牧产业高素质技能型人才。通过动物实验课程学习识别动物体主要器官的形态、结构和位置，掌握各器官系统的生命活动过程，为后续课程和从事本专业职业岗位奠定基础。动物实验教学具有很强的实践操作性，是其他兽医临床课程互通的桥梁，在动物医学及畜牧兽医专业课程学习中所发挥的作用尤为重要，是学生实现从理论向实践跨越的重要手段。

　　虚拟现实技术(VirtualReality，简称VR)，自20世纪50年代诞生以来，经过半个多世纪的快速发展，已经由最初模糊的概念转变成产品而落实到各行各业中，并取得了卓有成效。电子信息技术的迅猛发展，随之兴起的帮助人们多元化人机交互的辅助工具，虚拟仿真环境在教学过程中的应用更是打开了一个广阔的前景[1]。虚拟仿真实验室的投入能够降低动物实验教学的成本，提高实验的重复性，保证动物实验教学的安全性，模拟操作场景逼真，步骤严谨，同时具有完善的考评制度等优点而逐渐被引入高校实验教学[2]。将虚拟仿真实验应用到动物解剖和动物外产科手术实验教学中，能够改善传统动物实验教学课堂上的诸多局限，协助学生进行理论到实践的转换，加深动物机体的解剖学结构认识，进一步培养学生的临床思维及动手能力，增强团队合作意识，实现动物实验教学的终极目标。

　　1动物实验教学的局限性

　　动物医学专业和畜牧兽医专业目标在于培养具备较强实践创新能力和临床操作技能的专业应用型人才，因此在动物解剖及外产科手术等核心专业课程设置中亟需突出动物实验教学，增加实训环节，以提高学生的实践操作能力。动物实验教学在培养学生专业实践能力上发挥着不可或缺的作用，实验设置的方式、内容及涉及的操作直接影响着学生能力提升的质量。目前，传统动物实验教学存在着诸多问题。

　　1.1教师对实验动物教学工作的经验差异性

　　进行动物实验教学的教师都是经过专业考核和遴选的优秀教职工，基本教学能力和操作技能都不存在问题，但是因为专业方向不同，所侧重的临床操作技巧也会迥然有别。如防疫剖检与临床外科手术操作对细节的要求不尽相同，不同教师在操作方法的示范中所展现的要领和动作，操作手法和习惯都可能有所差异。这些差异在不同的环境下该作何改变和应对，对于教师了然于心，然而对于初次在课堂上进行解剖或手术操作的学生来讲，可能困惑于这些差异而无所适从，导致不能熟练掌握技巧，甚至出现不规范的操作。

　　1.2实验开展受内容设置和时空条件限制

　　动物实验教学课程的设置要遵守人道主义，考虑到动物福利，以及从尊重生命的角度会避开一些需要造模或者难度大的实验操作，如骨折，腹腔内脏手术[3]。在实验内容设置上会相对减少这类操作而以相关的视频影像资料进行替代学习，或者选择一些相对简单、安全的操作作为授课内容，并进行多人次组队以减少活体动物使用的数量。因而，无法保证每个学生都能动手操作，每一个相关手术都能开展。同时受课时限制，实验设置项目类别明显不足，诸多临床模拟无法体验，实际操作技能无法获得而影响学生的学习积极性。

　　1.3存在安全性隐患

　　动物实验教学在实施过程中的安全性问题，是不可忽略的首要事项。外产科手术有些实验是在活体动物身上进行模拟临床外科手术操作，所用实验动物涉及家犬、兔和羊等。在课程实施过程中一些动物具有攻击性，且有携带人兽共患病原体的不确定性，动物的麻醉及保定过程中存在危及实验动物和操作者人身安全的问题，教师及实验管理人员再三防范仍会存在潜在风险[4]。在实验操作过程会使用手术刀、手术剪、缝针等锐利器械，动物实验模拟实施前学生缺乏实际操作经验，仅靠教师在实验操作前的理论教授及演示过程中的强调难以防范意外事件的发生。

　　1.4学生的认知度不够

　　受实验条件、课时、动物使用量所限，并为防止意外发生，一些实验操作由教师操作演示，学生进行观看，这种实验所呈现的结果基本都是成功的操作，学生难以体会到在操作中如果操作不当会引起什么样的后果，遇到突发状况该如何应对解决。初次进行解剖或手术操作，学生会有紧张，信心不足或者疏忽老师反复强调的注意事项，相互之间的配合不当，可能导致一些操作失败，因而一些学生只愿意协助完成简单的部分任务，对由理论课过渡到实践课的热情逐渐淡化[5]。

　　1.5实验课程考核不完善

　　学生对一门课程的掌握程度应当有合适的考核方式进行评定，而动物实验操作具有团队性、过程的连续性、手术的不可预见性，以及操作的不可重复性，指导教师无法保证监管多个团队同时操作，因此对学生的专业实操技能的掌握仅靠最终书写的实验报告无法进行更为合理的评判。

　　2虚拟现实技术在动物实验教学上的应用

　　虚拟仿真技术的真实性、交互性、和沉浸性使得在信息传递方面有了重大突破，从传统简单的文本、图片或者声音转变为一系列实时呈现的拟真声像信息，触觉和运动感知[1]。基于虚拟仿真技术的模拟实验为新型的实验实训基地的建立和实验教学的设置提供了新的方式与思路[6]。虚拟仿真实验在教育中的多个学科已经得到应用。如中国科技大学的物理实验教学，中南大学的矿业工程化学虚拟仿真实验教学，第四军医大学的医学机能虚拟实验教学，西北农林科技大学动物医学虚拟仿真实验教学等[7]。这些虚拟仿真教学实验中心的建立，涵盖了各类专业性实验的原理，操作模拟以及案例等内容，并逐步完善相关知识题库，拓展与同一专业的相关课程相互交错，提升实验教学的质量。虚拟现实技术在动物实验教学上的应用能够弥补传统动物实验教学中的不足，发挥更多的优势。

　　2.1提高动物实验教学的规范性、统一性

　　VR教学系统设置学科完善，教学内容和教学方法都有严谨的层次性、逻辑性和统一性，涉及的动物外产科手术操作手法较为一致，弥补了各带教老师之间的差异性，学生在对注意事项、操作过程和拓展知识能够更全面的理解，提高实验教学效果的一致性。

　　2.2提高学生的团队性、积极性和自主性

　　在实施虚拟仿真实验教学过程中，动物实验有了可重复性，学生可以通过虚拟担当不同的角色，可以是主刀者也可以是助手，角色的转换能让他们进一步理解一个手术的完整性。麻醉师、器械护士、术者及助手的互相配合和更迭，使得学生的团队协助精神得到了提升，并能够更加全面的掌握手术过程中所涉及的操作技能。由于每个人都可以充当主刀师角色，学生的积极性得到了很大提高。团队成员可以从VR虚拟系统探索术前准备，深化对概念的理解，产生新想法，设定合理的手术方案，从而提高学生自主性和创新精神[8]。

　　2.3节约资源，降低风险

　　虚拟仿真实验室进行动物实验教学，可以不需要采购实验仪器、手术器械和实验动物，降低实验仪器设备维护维修带来的经费损耗，减少实验动物的购置成本和饲养场地占用。降低了学生初次使用手术刀、手术剪等锐利手术器械潜在的风险。学生操作不必使用实体动物，避免了动物保定(犬、猫等)过程中对人身造成伤害，也消除了人兽共患病的隐患。

　　2.4增加内容设置，高效利用课堂

　　虚拟仿真动物实验教学可以设置传统课堂教学中较难实现的外科手术操作，如骨折、腹腔手术，以及高难度的心脏、开颅手术等[9]。增加实验内容的设置，可以提高学生对外科手术学习的热情和积极性，也加强了各类外科手术操作过程的初步掌握，为真正走向临床打下坚实的基础。虚拟仿真动物实验操作打破了现实实验操作对时间的要求和限制。在现实实验中动物的保定麻醉需要一个过程，术后的恢复也较为缓慢，一些手术还要涉及术后护理。而在虚拟仿真实验操作可以缩短手术完成时间，高效的利用了有限的课堂实验课时，为内容的增设提供了机会。同时无需安排学生抽出其他时间进行术后的轮流监管护理。

　　2.5完善课堂实验的考核机制

　　学生实验操作的技能掌握程度可以通过操作一个完整的虚拟手术实验来考核，教师可以增置实验项目实施过程中的环节，如设置手术过程中的出血环节，设置多种备用手术器械，以考察学生的应变能力和对操作技能的掌握。手术器械选用、操作程序、助手协助等环节都可以进行系统评判打分，改善了指导教师无法对多组团队同时进行督查的问题，更能体现考核的严谨性与公正性。对学生进行不同角色的选择性考察，进一步提高考察技能掌握的完善性。

　　3总结与展望

　　当代学生教育已经由传统的教师以“教”为主转变成学生以“学”为中心，融学于教。随着电子信息技术的发展，虚拟现实教学模式越来越多的应用到教学当中，尤其是实验课堂的应用。学生通过实验操作掌握实验技能是非常重要的，尽管完全真实的实验操作仍有着不可替代性，但虚拟仿真实验教学通过仿真模拟场景操作，学生实现了3D沉浸式的操作体验，更加真实的模拟现实操作，提高了他们的学习积极性。同时实验教学内容设置增添了不确定性、失败性、陷阱性，提高了挑战性，激发了他们的思维创新能力。虚拟仿真动物实验教学借助于虚拟仿真技术，为动物医学和畜牧兽医专业教学内容的匹配提供了更多的资源和便利。因此，虚拟仿真实验教学可以作为传统实验的补充和辅助，通过设置一定的课堂比例，两者互相结合，增加理论知识的转化，为实践型专业技术人才的培养创建了新的方式，为传统教育理念的改革和新时代混合课程的设计提供相应的支持，促进动物医学专业和畜牧兽医专业的发展上升到新的层次。