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计算机技术

基于交互式药理学实验的虚拟仿真软件开发 ——以“药物对家兔动脉血压的作用”虚拟仿真实验为例
蔡洪涛,黄和,金戈
(1.沈阳医学院计算机教研室,辽宁 沈阳 110034;2.沈阳医学院药理学教研室,辽宁 沈阳 110034)
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摘  要:药理学课程是医学院校开设的一门重要课程,通过选做经典、实用的实验,使学生熟悉药理学实验的基本操作方法,进一步掌握学习药理学知识的科学方法和技能。本文以“药物对家兔动脉血压的作用”实验课程为例,介绍使用Auhtorware7开发交互式虚拟仿真软件所用到的开发方法及使用的交互技术。


关键词:交互式;虚拟;仿真;药理学


作者介绍:

蔡洪涛(1975-),男,汉族,辽宁沈阳人,教研室主任,副教授,硕士。研究方向:虚拟仿真技术在医学课程中的应用。


中图分类号:TP391.9     文献标识码:A 文章编号:2096-4706201803-0000-03

Development of Virtual Simulation Software Based onInteractive Pharmacology Experiments

——An example of virtual simulation experiment ofthe effect of drugs on arterial blood pressure in rabbits

CAI Hongtao1HUANG He1JIN Ge2

1.Shenyang Medical College Computer Teaching andResearch OfficeShenyang  110034China2.Shenyang Medical College Pharmacology Teaching and Research OfficeShenyang  110034China

AbstractThepharmacology course is an important course offered by medical colleges. Byselecting classic and practical experimentsstudentsare familiar with the basic operation methods and skills of pharmacologicalexperimentsand further master the scientific methods of learning pharmacology. Thisarticle takes the experimental coursethe effectof drugs on arterial blood pressure in rabbitsas anexample to introduce the development methods used to create interactive virtualsimulation software using Auhtorware7.

Keywordinteractivevirtualsimulationpharmacology


0  引 言

当前,信息技术的发展带动教育技术的进步,随着高性能计算机不断推出,利用计算机软件开发医学课程的实验虚拟仿真软件在众多医学高校的课程建设中逐渐兴起。医学虚拟仿真实验软件在教学实践中具有安全和高效的特点,学生使用虚拟仿真实验软件进行学习能够得到近乎真实的体验。药理学课程是医学院校开设的一门重要课程,通过选做经典、实用的实验,使学生熟悉药理学实验的基本操作方法,进一步掌握学习药理学知识的科学方法和技能,验证药理学的基本理论,加强对理论知识的理解,从而更牢固地掌握药理学的基本概念,学习新药临床前药理学研究的方法以及定量药理学实验和药物的检定方法。药理学课程实践教学内容比较完整,但由于其所涉及的相关实验部分存在风险性,且实验环境复杂,有些实验需要保证让每个学生充分掌握并重复制作,但是在时间和空间上的保障具有较大的难度,对实验教学难免有一定的影响。因此,在药理学课程的实验中,需要通过制作具有交互功能的虚拟仿真实验软件,并应用于实践教学来弥补不足。


1  药理学课程实践教学制作虚拟仿真软件的意义

1.1  伦理学对人的观念的限制

医学伦理学要求善待患者,实验动物伦理学要求善待动物。课程中具有危险性的技能操作不允许学生直接在病人身体上进行,动物实验也要遵循减少(reduction)、替代(replacement)和优化(refinement)的3R原则。

1.2  实验条件对使用者的限制

课程实验中包含高致病性的实验内容、带有剧毒类物质的实验或者放射性的实验,对实验开设条件要求高,学生在实验过程中存在较大的安全风险,因此开设此类实验的教师会格外担心。

1.3  实验成本和资源在现实教学中的限制

很多医学实验在进行制作时使用的设备极其昂贵,同时又面临实验动物稀少,医学药物类实验试剂和耗材价格过高的情况。有些药理实验的对象不仅难得,而且重复使用率低,即便实验开出,但每组实验人员过多,并且实验操作不可逆,所以无法达到预期的教学效果。

1.4  学生制作实验的时间与空间限制

在药理学实验中,如药物稳定性考察、药物毒副作用实验等,实验时间跨度长达几个月或者更久,即便能够进行实验,但在实验过程中受各种条件的影响,也会导致学生观察结果不明显,获取实验相关数据不容易,从而导致教学效果不理想。

综上所述,在药理学实践课程中,开发虚拟仿真实验供教师和学生使用可以避免一些不利因素,使教师能够将学生所需的实践学习内容全部展现出来。


2  药理学虚拟仿真实验软件的总体设计

药理学课程虚拟仿真实验软件开发目的在于医学实验中的应用使教学过程的构建高度仿真,具有交互功能的实验内容能够还原真实体验的教学情境。在实践教学应用中,让学生先进行虚拟实验操作,完成相关教学内容的学习后,再进入实际操作,能提高实验效果,节约资源。药理学课程虚拟仿真软件整体设计结构如图1所示。


图1  药理学实验仿真教学软件设计结构图


在开发虚拟仿真实验软件时,使用Authorware7作为主要开发工具,它是美国Macromedia公司开发的一种多媒体制作软件,是一个图标导向式的多媒体制作工具,开发人员能快速开发多媒体软件,具有强大的交互功能。它不需要传统的计算机语言编程,只通过对图标的调用就可以编辑一些控制程序走向的活动流程图,将文字、图形、声音、动画和视频等各种多媒体项目数据汇在一起,可达到多媒体软件制作的目的。Authorware7通过图标的调用来编辑流程图,用以替代传统计算机语言编程的设计思想,并充分利用其交互功能制作。在人机对话中,它提供了按键、按鼠标和限时等多种应答方式,同时还提供了许多系统变量和函数,可以根据用户响应的情况来执行特定功能。

2.1  虚拟仿真实验软件的导航设计

虚拟仿真实验软件中的导航设计属于学习者和虚拟仿真实验软件之间的一种个性化交互。实验仿真的实质是学习的人与虚拟实验之间的关联,通过虚拟仿真实验来掌握基本的原理或者技术。在设计教学内容时,对于抽象的原理、概念及实验中的各种现象,如果仅仅使用文字进行描述,学生就会缺乏感性认知,而单纯依靠教材内容的描述,又会令学生缺乏独立思考以及探索的能力,逐渐失去学习兴趣。

在进行虚拟仿真实验软件开发时,首先应着重对课程实践体系的教学内容进行有目的的课程教学导航设计,以激发学生探索知识的兴趣。利用超文本结构组织教学信息的呈现,为学生提供多种学习路径。超文本是按照人的联想思维方式,非线性地组织管理信息的一种先进的技术。由于超文本结构信息组织的联想式和非线性符合人类的认知规律,所以便于学生进行联想思维。另外,由于超文本结构的信息结构的动态性,学生可以按照自己的目的和认知特点重新组织信息,按照不同的学习路径进行学习。

药理学虚拟仿真实验软件总计由24个实验组成,各个实验的内容相对独立。对于通识性内容,利用Authorware7的框架图标进行结构划分,再由导航图标进行超文本方式链接,构成一个完整的知识体系。例如,“药物对家兔动脉血压的作用”的虚拟仿真实验的设计思路为:首先通过对本实验的介绍了解在实验中使用的药物参数及特性,然后通过相关的微课视频让学生看清楚实验的过程,最后将药物对家兔动脉血压的作用效果利用虚拟仪器测量家兔动脉血压值的曲线变化的仿真实验,使学生能够对本实验内容进行充分学习。“药物对家兔动脉血压的作用”虚拟仿真实验制作框架如图2所示。


图2 “药物对家兔动脉血压的作用”虚拟仿真实验制作框架


2.2  虚拟仿真实验教学软件中的多媒体视频和音频处理技术及编程技术

药理学课程虚拟仿真实验中使用的多媒体素材在设计时使用Adobe Premiere标记来显示不同格式的视频和音频,包括WMV、AVI和MPEG等。为保证软件的教学效果,视频使用分辨率在800线以上的高清素材。在进行软件集成应用时,利用Authorware7的视频插入功能和交互功能控制视频和音频的播放。现有的虚拟仿真实验开发实现系统遵循面向对象的原理,底层的开发工具通常采用OpenGL图形库等,常用的商业化、集成化虚拟仿真环境开发软件有WTK、Vegas、Virtools、OpenGVS等。可以在虚拟仿真软件开发过程中加入预先制作好的视频及动画素材,在实验教学过程中利用多媒体视频及音频素材直观、现实的特点,来增强学生在虚拟仿真实验过程中的互动性。

Authoreare7支持用户编写代码来实现一些功能,利用编程技术可以灵活地完成虚拟仿真部分的制作。例如,在展示药物对家兔动脉血压作用时,通过虚拟仪器监控家兔的血压变化,当注射不同药物时,家兔的血压产生动态曲线,这部分的仿真设计的结构如图3所示。


图3  绘制血压动态变化曲线


其核心源代码如下所示:

yrandom:=Random(3,10,1)

x1:=x1+3

y1:=200+yrandom+h

x2:=x2+3

y2:=250+yrandom+h

2.3  虚拟仿真实验动态窗口设计

在药理学虚拟仿真实验教学过程中使用图片和动画等可以动态演示实验内容。在实验仿真过程中根据实验需要提供动态显示的绝大部分用户界面的内置支持,用以实现在实验过程中的交互功能。例如,放大和缩小矩形、更改窗口大小等。在实现过程中融合动画和编程技术来仿真实验结果、模拟各种现象和数据的变化过程、虚拟各种实验仪器的效果和各种实验现象以及演示一些连续变化系统在各种状态的改变效果。实验中涉及的动态窗口的实现方法,可以利用Authorware7提供的热对象方式或者热区方式来实现。

例如,热对象方式在虚拟仿真实验中涉及的药物说明的具体制作过程为:首先将虚拟实验中涉及到的药品图片在主界面上按次序进行罗列摆放,每一张图片为一个热对象,学生将鼠标移动到图片上方时,会有相应的提示。学生在操作时,逐一对各个药品图片进行点击,之后会弹出一个动态窗口,用于显示相关的详细信息。当学生观看完毕后,再点击动态窗口中的任意位置,关闭动态窗口,返回到主界面。

另外,使用热区域交互可将每个图片或屏幕的某些部分划分成不同的区域,当鼠标移动到这些区域上方后,会出现手型图标进行提示,当使用鼠标点击后,会弹出一个动态窗口来显示各个药品的特性、功效等基础信息。

动态窗口的使用是在虚拟仿真实验过程中进行全过程演示时的必要补充,在对实验内容进行设计时需要从情境窗口、实践窗口和小结窗口等几方面进行布局设计,操作过程中使用的各种实验素材要进行合理规划,根据场景需要进行调度,最后在屏幕上展示给学生。

2.4  虚拟仿真实验软件中微课的应用

微课作为目前流行的一种辅助教学方式在课程教学过程中得到了广泛的应用。在虚拟仿真实验软件的设计中,将实验过程中的关键步骤、药物实验对动物的反应作用以及在实验过程中使用的各种手术视频等制作成各种类型的微课,集成在虚拟仿真实验中,增强仿真实验的逼真程度。学生根据虚拟实验进行的过程和发生的各种情况以及使用微课进行学习,能够实现虚拟仿真实验与真实实验的同步教学。

利用Authorware7提供的ActiveX加载微课视频的过程为:首先将微课视频录制好,然后将视频生成wmv格式,用控件方式插入到主程序中。具体步骤如下:首先选择“插入”菜单,再选择“控件”选项,选择ActivcX…,在弹出的窗口中选择“windows media player”;然后点击“custom…”,再在弹出的窗口中点击“浏览”,选择本地硬盘上的微课视频,调整参数;最后点击“确定”,完成微课的导入。


3  结 论

药理学课程实验虚拟仿真教学软件在我院2015级临床医学本科生药理学课程实验教学中进行了应用,取得了比较满意的教学效果。在教学过程中应用虚拟仿真实验软件,一方面能缓解设备更新压力、提高实验效率,另一方面能有效地提高学生的兴趣,使学生接受更多、更具体、更完整的信息,从而更加深刻地理解实验内容。


参考文献:

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[4] 梁亦龙,卢利平,范欢,等.虚拟实验在生物化学实验教学中的运用 [J].实验室科学,2012152):45-47.

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[6] 王华英,朱印宏,幸莉仙.Authorware 7.0入门与提高 [M].北京:清华大学出版社,2005.

课题项目:沈阳医学院教学改革立项课题:基于交互式药理学课程实验仿真教学软件的设计与开发(YB2016020);沈阳医学院课题:基于虚拟现实技术的医学解剖学仿真实验的研究(20171021)。