兔的形态结构与功能虚拟仿真实验的构建与应用

1、兔的形态结构与功能虚拟仿真实验的构建与应用摘要 为了解决传统实验教学中存在的手术操作不易掌握，部分器官微小、易损，结构与生理的协同作用不可见 等问题，构建了兔的形态结构与功能的虚拟仿真实验”，并通过实施虚实结合”的实验教学模式和形成性实验考 核体系，调动了学生学习的兴趣和主动性，有效提升了实验教学效果，实现了实验项目完整、高效、绿色和环保。 关键词 兔的解剖；虚拟仿真；实验教学；虚实结合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家兔解剖实验是生物、动科、兽医、动检、水产等专 业一个非常重要的专业基础性实验教学项目掌握家 兔解剖手术的规范化操作流程、各器官形态结构特征 及生理功能,可为学生科学严

5、谨学习态度的养成、动手 实践能力的提升以及动物生理学、药理学等后续实验 课程的学习提供必要的支撑算。随着“互联网+ ”的快速发展，虚拟仿真技术被越 来越多地应用于实验教学中目前，国内外与动 物解剖相关的虚拟仿真实验多以人体和大型动物如 牛、马、犬等为主，主要应用于医学、兽医等专业的临床 教学,且由于实验教学内容、教学模式的差别以及知识 产权等问题，现有的资源很难应用于我校动物学等课 程的实验教学中。为此，围绕解决传统家兔解剖实验 教学中存在的一些问题，自主开发了 “兔的形态结构与 功能虚拟仿真实验”，并且通过实施“虚实结合”的实 验教学模式和全过程覆盖的实验考核体系11，丰富了 实验教学内容，

6、有效提高了学生的学习兴趣和学习效 果。1传统单一实体实验中存在的问题一是家兔解剖操作流程复杂、不易掌握。解剖操 作从家兔的处死到皮肤的剥离，到腹腔、胸腔的打开， 再到各系统、各器官的进一步解剖观察，步骤十分复 杂，且操作要点较多。在传统的实体实验教学过程中， 一般需要教师在学生独立动手操作前花费大量的时间 逐步进行演示和讲解，示教效果差，不仅浪费了有限的 实验学时，而且不利于学生利用宝贵的实验动物资源 提升实践能力。二是存在部分器官组织幼嫩、微小、易损（如心脏、 胆囊、脑组织等），生理功能不可见、不可逆（如血液循 环、尿液的形成与排放等）、内脏器官易缠绕以及结构 不易观察等问题，严重影响了学生

7、学习的效果。三是存在着预习难、复习难和考核难的问题。传统实验的开展必须借助手术用具器械和实验动物，无 法让学生开展实验预习和复习，导致学生在开展实体 实验前对整个实验流程和注意事项没有感性认识，课 后也不能有效地巩固所学的知识和技能。实验考核理 论化倾向严重，大多以笔试的方式代替实体操作，导致 对学生的实验考核不全面、不完整。此外，传统实验中 还存在家兔购买成本高、实验动物福利与伦理和学生 对动物解剖心理畏惧等问题12-13 %2兔的形态结构与功能虚拟仿真实验的构建为解决上述问题，提升实验教学效果，运用虚拟仿 真技术，使用Unity3D、Maya、3DSMax等开发工具，构建 “兔的形态结构与

8、功能虚拟仿真实验”，其主要功能架 构如图$所示用户可以通过PC或智能移动终端设 备（智能手机、平板电脑）访问虚拟仿真实验系统进 入系统前，需要进行身份验证（后台有数据库支撑，以 便记录学习轨迹和实验成绩等数据），系统会自动判别 用户的身份（学生、教师或管理员），以进入相应的功 能区 PC端的主界面如图2所示，下面依次介绍系统 的各主要功能模块辅助功能I解剖模块IT在线交流Iq自主解剖|4排泄过程I辅助功能I解剖模块IT在线交流Iq自主解剖|4排泄过程I兔的形态结构与功能 虚拟仿真实验系统微课视频I 成绩查询I图$兔的形态结构与功能虚拟仿真实验系统功能构架图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. $解剖模块家兔解剖的流程大致包括:致死&体壁解剖&消 化系统解剖&泄殖系统解剖&循环系统解剖&呼吸系 统解剖&脑解剖等步骤

10、。为了便于学生在线开展家兔 解剖操作的自主训练，逐步掌握规范化操作流程，将解 剖模块（图3）分为3个子模块:1）观摩解剖:此模块不 需要任何互动操作，学生通过对3D动画的观摩，初步 了解家兔解剖操作的规范化流程;2）虚拟解剖:学生可 利用鼠标,按照操作提示，通过对相应3D模型的点击 和拖动，按部就班地完成“仿真兔”的在线解剖，实现 学生对兔解剖操作规范化流程的了解和掌握;3）自主 解剖:在没有任何提示的情况下,学生自主开展“仿真 兔”解剖操作的整个流程,可进一步强化对相关技能的 掌握这3个子模块由易至难，符合学生的认知规律, 有利于学生牢固地掌握该部分实验的基础知识和技 能。图3兔的解剖模块F

11、igure 3 The anatomy mode of the rabbits2. 2透视结构模块在透视结构模块中，学生可完成对兔的外部形态、 骨骼系统、消化系统、排泄系统、循环系统、生殖系统结 构和组成特征的了解，完成对各器官在体内的相对位 置与空间分布，以及相互连接方式等内容的学习（图 4） $首先点击右侧菜单中的相应系统或器官名称，即 可调出各系统的3D模型，然后通过鼠标点击、拖动或 滚轮滚动左侧的模型，实现对家兔外部形态和各系统 的缩放和360全方位观察图4透视结构模块Figure 图4透视结构模块Figure 4 The perspective structure mode为了让学生

12、直观地了解兔在完成呼吸、食物消化 与吸收、血液循环、尿液形成等生理活动时其结构组成 与生理功能的协同作用关系，在生理功能模块中加入 这些内容的3D仿真动画（图5）供学生观摩。$） “呼吸 系统”动画:实现呼吸功能时，家兔鼻腔、气管、肺、胸膈 膜、胸骨等器官的动态变化过程;2）“消化系统”动画： 食物从摄入体内到排出体外，其在口腔、食道、胃、肠等 器官中食物形态的变化、养分的吸收、废弃物的排泄等 一系列动态变化过程;3）“循环系统”动画：血液在体 内循环时，动脉血、静脉血在心脏和血管中的流动与变 化过程;4，“排泄系统”动画：尿液形成与排出时，其在 肾脏、膀胱、输尿管中的动态变化过程2. 4 器

13、官复位模块器官复位就是解剖过程的逆向操作，它有利于学 生进一步加深和掌握家兔各系统、器官在体内的相对 空间分布。在器官复位模块中，学生可从骨骼系统开 始依次选取左侧栏目中的各器官3D模型，并将其放置 到“仿真兔”体内原有的位置上，直至完成所有器官的 拼装（图6）。操作过程中，如出现器官选取错误或位 置摆放错误,系统会自动提示用户，以引导用户完成正 确的操作。图5生理功能模块Figure 5 The physiological function mode2. 5虚拟考核模块虚拟考核模块分为解剖考核、复位考核和结构考 核等3个部分（图7）。1）解剖考核:按顺序进行解剖 操作,系统自动记操作步骤并计

14、分，完成学生对规范化 操作流程的考核;2）复位考核:与器官复位模块相似, 系统记录操作步骤并计分，完成对各器官空间分布的 考核;3）结构考核:看图在相应的结构上填出名称，完 成对兔的外形和各系统结构名称的考核。图6器官复位模块Figure 6 The organics reset mode（a）解剖考核;（F）复位考核;（c）结构考核图7虚拟考核模块Figure 7 The virtual evaluation mode除了上述主要的功能模块外，本实验还包含了目 的与器材、在线交流、试题库、微课视频、实验报告等模 块，以确保整个实验项目流程的完整实施3“虚实结合”的实验教学模式的构建为了充分发

15、挥虚拟仿真资源的优势，提高实验操 作的成功率和实验教学效果，激发学生学习的兴趣和 主动性，将兔的形态结构与功能虚拟仿真实验与实体 实验相结合，构建了涵盖实验“前、中、后$3个阶段的“虚实结合”的实验教学新模式（图8）。图8兔的形态结构与功能“虚实结合的实验教学模式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，家兔的解剖实验共6个学时，

16、其中虚拟仿真学习占2个学时。学生在实体实验开始前，主 要以虚拟仿真学习为主,通过对虚拟仿真系统中各模 块的虚拟操作，对实验有一个充分的预习，初步了解相 关知识和实验操作流程。线上的虚拟解剖练习还能起 到一个良好的过渡作用,有效缓解学生对动物解剖实 验的畏惧心理。进入实体实验室开展实体解剖操作 时，学生可参照虚拟解剖的操作过程，完成自主解剖操 作。教师可大幅缩减示教、讲授等环节的时间，而以个 别辅导和答疑为主，将实验学时最大化地“还于学 生。同时，学生可将实体解剖、实体器官与虚拟解剖、 3D器官模型相结合，开展比对式学习，进一步规范实 体实验操作流程，分析器官结构出现差异的原因。对 于实际操作难

17、、组织易破损、微小结构难以观察的部 分,学生可以使用虚拟仿真实验的内容进行补充学习 实体实验结束后,学生可利用虚拟仿真实验各个模块 进行自主复习，进一步巩固知识和技能。此外,利用系 统还可开展师生之间的在线学习交流、实验报告提交 与批复等。4全过程覆盖的形成性实验考核体系的构建为解决以往实体实验考核难和理论化倾向严重的 问题，有效了解学生对兔的形态结构与功能的掌握情 况，构建了覆盖实验全过程的形成性实验考核体系（表 1）。通过线上、线下相结合，实现了对实验预习效果、 操作过程、实验态度以及学习效果的全方位考核5小结综上所述,扬州大学生命科学基础实验教学中心 为了解决家兔解剖传统实验中存在的手术操作流程不 易掌握、部分器官微小易损、结构与功能协同变化过程教学效果,减少了实验动物用量，实现了实验完整、高 效、绿色、环保 2018年，“兔的形态结构与功能虚拟 仿真实验”被遴选为国家级虚拟仿真实验教学项目教学效果,减少了实验动物用量，实现了实验完整、高 效、绿色、环保 2018年，“兔的形态结构与功能虚拟 仿真实验”被遴选为国家级虚拟仿真实验教学项目表1覆盖实验全流程的形成性实验考核体系Table 1 The formative experiment evaluation system covering the whole experiment process考核项目Evaluatio