浅析VR技术在实验动物解剖教学中的应用前景

　　摘要：动物解剖学是研究动物体形态组成、结构分布和功能阐释的一门非常重要的兽医专业基础课程。传统的教学模式以理论学习和实验教学为主，然而理论教学枯燥乏味，实验教学需要较强的临床经验储备，制约了该课程教学质量的进一步提升。虚拟现实技术的发展让从事临床动物实验教学的教师看到了希望。将虚拟现实系统引入动物解剖教学，可以使学生对畜禽形态结构和功能进行更加直观、形象的认识，加强了相关理论知识的理解和掌握程度，有效了提高动物解剖实验的教学成果，有利于培养高素质的实践型兽医专业人才。但高额的经费投入限制了该技术在动物解剖教学中的大量推广和应用，因此，是否应该将虚拟现实技术引入实验动物解剖课程教学中，有待于进一步的评估和分析。该研究立足于近年来日益突出的传统实验动物解剖教学中的一些问题，从多方面全面分析了VR技术引入实验动物解剖教学中的优势和缺点，可为拟考虑将VR技术引入实验动物解剖教学的高校提供参考信息。

　　关键词：动物解剖;虚拟现实;教学成果;动物实验;标本模型;应用前景

　　动物解剖学是农林院校动物医学专业学生课程学习中非常重要的专业基础课程之一。学生通过对各种动物的大体标本和模型进行观察，同时结合对实体动物的剖解，来获得各种动物组织形态、结构组成和位置、功能等信息，从而验证理论课程所学的知识点[1]。该课程的熟练掌握可为后续其他专业课程知识点的学习奠定良好的基础。只有熟练掌握正常状态下动物的形态结构，才能进一步了解和掌握动物在生理异常和病理情况下产生的变化。动物医学专业的学生毕业后从事的工作与经济动物密切关联。

　　虚拟现实论文范例：VR背景下测绘类专业产教融合实践模式探究

　　因此，要求必须掌握牢固的专业知识和较强的专业技能。对于动物解剖学这门课程而言，学生必须牢牢记住机体骨骼、肌肉和内脏的形态、结构和位置。这些内容涉及的知识点多，内容复杂，学习起来比较枯燥乏味[2]。传统的被动灌输式实验教学方式已经出现了一些问题，有必要探索适合该专业基础课程动物实验的最佳教学模式。虚拟现实(VirtualReality，VR)，是借助计算机模拟三维空间产生的一个虚拟世界，同时利用最新的传感器技术，创造出的一种人机交互系统。可以给使用者提供视觉、听觉、触觉等方面的感官模拟，让使用者如同身临其境，观察和体验三维空间内事物的变化情况[3]。

　　该技术所提供的虚拟仿真环境给临床教学，尤其是实验动物的解剖和病例的模拟教学提供了广阔的前景。克服了传统单一的理论教学给学生产生的枯燥感，也弥补了实验教学中新教师所需较强临床教学经验积累的不足，同时可增加学生的学习兴趣，促进其自主学习能力的提升。但是前期购置设备和软件开发需要投入高额的费用，以及后期需要持续支付的系统调试和维护费用，严重限制了该技术的推广和普及。

　　一、目前动物解剖教学的现状及存在的问题

　　动物医学是一个主要致力于培养动物疾病预防、诊断和治疗专业技能人才的专业，实验动物教学尤其是动物解剖教学在培养学生专业实践能力上发挥着不可替代的作用。因此动物实验设置的方式、内容以及涉及的操作，直接影响着学生动手能力提升的高低。动物解剖学是动物医学专业学生课程学习中非常重要的一门专业基础课程，目前主要的教学方式为理论讲解、模型认识结合实体动物解剖。这种传统的教学模式取得了较好的成果，培养了很多优秀的兽医人才。然而也存在以下几方面的问题。

　　(一)教师临床动物实验教学经验存在一定的差异参与实验动物相关内容教学的教师，均是通过了学校专业遴选和考核的教职工，具备了实验动物课程教学所要求的基本教学能力和动手操作技能。但是由于不同专业方向的侧重点存在差异，加之这些教师在学生时代接受教育时，受不同的指导教师的影响，导致其所掌握的临床操作技巧也会存在一定的差异[3]。

　　此外，动物实验教学中最常见的教学模式为，教师示范一遍，然后让学生对实体动物自己动手进行解剖操作。由于不同学生对同一个问题的理解和领悟能力存在差异，加之操作技巧掌握的熟练度不够，当他们自己动手进行剖解或手术操作时，会出现各种意想不到的操作问题，产生的连锁反应可能导致结果偏离正常可控的范围。虽然实验动物指导教师对于学生自己操作过程中可能会出现的问题和应对策略做了预案，然而临床动物实验教学经验存在差异的教师，所展现的处理方式和对学生情感的掌控能力也会存在较大的差异，可能会直接影响学生对这门课程的心里接受程度。

　　(二)动物实验开展的时空限制

　　1.实验动物经费问题。为了让学生对各种动物的组织形态、生理、病理变化了解的更加深入，动物解剖学实验的开展需要使用数量较多、种类各异的实验动物。为此 需要投入大量的经费购置实验动物、修建实验剖解平台和动物临时饲养场所[4]。这些因素极大地限制了动物解剖实验课开设的形式、次数和深度。有时，由于实验动物数量的限制，学生们只能几人甚至十几人组成一个小组，共同剖解一只实体动物。这样就会导致实际动手操作的人数被严重限制，无法使每个学生都有亲自动手练习的机会，降低了学生的参与度、积极性和主动性，极大地影响了实验动物教学的效果。

　　2.符合实验要求的健康畜禽来源较难找。通常可以购买到，用于开展实验的动物，或多或少存在一定的问题和差异，因此导致学生对某种生理和病理状态的正常认知也会出现一些的差异。尤其是初学者，往往会把一些非正常的生理和病理状态误认为是正常的，极大地影响了教学的效果[5]。

　　3.涉及动物伦理的问题。

　　高校涉及动物解剖的实验教学课程，开展的整个过程都要遵守动物伦理管理委员会关于实验动物处理的有关规定，确保实验动物所享受的相关福利[6]。因此，不管从是动物福利方面，还是从人道主义的角度出发，均需要尽量减少和避开一些较复杂且对实验动物伤害较大的实验内容，如构建骨折模型，腹腔或胸腔内脏处理手术，开颅手术等。对于这些实验的开展形式，往往会选择集体观看视频影像资料，或者多人一组，共同对一只实体动物进行相关处理。这些情况同样无法保证每个学生都能亲自体验动手操作的过程。此外，班级授课时间是固定的，很多实验项目无法深入安排和开展，不同学生在操作过程中碰到的个别问题无法得到及时的解答。

　　(三)存在一定的安全性隐患

　　在开展实体动物解剖实验课程时，为了得到较好的组织形态识别度，实验准备工作的教师通常会提前用多聚甲醛对实验动物整体或某个器官进行固定，然后再让学生进行解剖和观察，以验证和巩固理论知识。而多聚甲醛会对身体多个器官均可以产生严重的损害，如：多聚甲醛对呼吸道有强烈的刺激性，严重者可引起鼻炎、咽喉炎、肺炎等。同样也可以对眼睛产生灼伤。

　　此外，当皮肤与多聚甲醛接触时，可刺激皮肤产生皮肤干燥、皲裂、脱屑，甚至红肿等临床症状严重威胁教师和学生的身体健康[7]。加之，动物实验实施前学生缺乏实际操作经验，仅靠教师所做的理论讲解及临时演示过程难以防范意外事件的发生。如：当对动物进行绑定或麻醉时，动物会对周围实验者表现出撕咬、冲撞、踢人等一系列反抗动作;动物体内携带的人兽共患病原可通过剖解过程传染给实验者;实验者对手术刀、手术剪、缝针等锐利器械掌握不牢会造成划伤或刺伤等，这些不确定因素均存在威胁操作者人身安全的隐患[8]。虽然教师及实验管理人员会再三叮嘱学生并做一些防范措施，但仍存在潜在的风险。

　　(四)存在一定的就业负担

　　对于四年制本科教学的动物医学和动物科学专业的学生，每学期课程任务较为繁重，加之招生人数的逐年增加，使得学校无法给每个学生的外出实习，提供一个稳定的实习单位和充足的实习时间，从而让学生能够深入养殖企业基层锻炼，提前了解并在实践中提高养殖企业需求的基本技能。目前为止，大部分涉及动物解剖课程的农林高校，教学单位普遍采用教师课堂描述结合联系当地养殖企业并带领学生进行参观为主，学生如果想进一步了解现代牧业发展，需要自己通过网络媒体这个渠道。

　　由于不同学校所在地区经济发展状况存在较大差异，养殖的动物种类和品种也不尽相同。因此对于那些农林高校处于当地经济发展水平较低的地区，由于自身的局限性，与国内龙头养殖企业相比，其发展速度，设备的更新、不同层次和不同梯度人员的配备水平，导致学生对专业的认知与现代牧业发展的认识存在一定的差距。此外，学生是否愿意利用暑假和寒假的时间，深入基层养殖企业进行实习和锻炼等主观因素，影响学生能力的进一步提升。

　　在毕业寻找工作时，由于基础不同，给企业面试官的印象也存在较大的差异，严重影响学生的就业率。企业招收这类新就业的学生后，需要经过长时间的企业培训才能使刚入职的学生适应其岗位。不仅增加了企业的负担，而且也会让刚就业的学生产生严重的心里负担。传统的动物医学和动物科学实践课程都是以培养技术型人才为主要目的，缺少动手能力，使学生在就业时面对企业的需求岗位和岗位技能要求望而生畏，加之金融类、计算机类专业的高额工资诱惑，导致动物医学和动物科学专业的学生从心里上抗拒参与到本专业相关企业从事相关的工作。

　　此外，随着我国养殖业的集约化和扩大化程度的提升，一部分本科生在就业后走上了营销或管理岗位，这部分人因为前期对营销或管理岗位不是非常了解，在就职后，实际情况与想象中差距较大时，容易产生较为严重的心理落差，对工作的自信心不足，不能展现自己应有的能力，导致工作后一年内的离职率较高。为了迎合养殖企业发展的需求，不少高校都开设了相关的专业培训课程。然而，很多问题也逐步表现出来，一个非常明显的现象是，一些授课教师通过自学畜牧企业管理的相关知识后，在自己理解的基础上传授给学生;还有一个较为明显的现象是，往往会聘请一些大型企业管理或营销人员为学生进行讲座。而这两种形式的培养和授课，有些根本没有领会养殖企业所需要的管理精髓，有些掺杂了较为严重的个人观点，比较主观片面，严重影响了学生对其整个职业生涯规划。

　　二、VR在动物解剖教学中具有较大的潜力虚拟实验

　　(VirtualExperiment，VE)是在VR的基础上利用新型的虚拟仪器和多媒体计算机依次进行数据采集、分析与处理、整理与呈现，同时结合人机交互所构建的一种实验形式。实验者就像置身于真实的实验环境中一样，按照要求完成各种预设定的实验内容和项目[9]。利用VR系统创造的VE可为实验者提供一个直观、形象、逼真、方便和可重复操作的实验环境。与此同时，VE可以实现把抽象的、无法用常规手段展现的教学内容通过3D动画更加直观、生动、形象地呈现在学生面前，这种教学方式不仅加快了学生对教学内容的理解和掌握，而且提高了教师在实验动物教学中的成果。目前为止，VR系统已被高校应用于多个学科的教学实践中[3]。该技术的发展给实验动物教学带来了新的思路和机遇，将会避免传统动物实验教学中所面临的上述问题。

　　(一)可实现实验动物教学的规范和统一将VR系统引入实验动物教学后，基于计算机网络的教学模式可以实现课程设置、教学内容、教学方法的规范和统一。有效弥补了由于不同授课教师授课方式、临床经验积累程度以及操作手法的不同，而无形中给学生之间带来的差异。

　　(二)增加实践次数，提高参与度在VR系统所构建的VE中，对于一些操作过程较复杂的实验内容如骨折模型的构建、胸腔或腹腔内脏处理手术，以及高难度的心脏处理手术、开颅手术等实验不用再考虑受到动物伦理的限制。对实验动物可以实现多次重新开始进行剖解。通过多次不断的模拟，进一步提高操作的熟练度，使学生对动物的认知更加全面和深入。同时，对于需要进行团队合作的实验，每个人均可以与别人交换角色，体验不同角色在整个团队协作中的作用或职能，使学生对整个实验大局的掌握更加全面。此外，这种基于VR系统的解剖教学可以不用再考虑环境、光照、课时等因素对解剖实验开展的影响，学生和教师可以充分利用空余时间，自主增加实践次数，或者学生可以自己单独学习与探索。对于实验后的活体动物，同样无需再安排学生抽出其他时间对实验动物进行术后的轮流监管与护理。

　　(三)可以节约资源，降低潜在危险把VR系统引入动物实验教学后，动物实验课程准备人员将不用每年为筛选和购买符合开展动物实验要求所需的实验动物以及动物临时饲养场所而困扰，实验仪器设备的更新与维修、动物尸体处理的开支也可避免[10]。此外，使用VR系统进行实验动物的解剖教学可以完全避免动物咬伤、动物所携带人兽共患病原的感染以及手术器械的划伤等隐患。

　　三、VR在解剖学教学中的不足

　　虽然VR教学具有诸多优势，但是不可否认传统的教学方式仍是目前农林高校动物医学专业的主要教学形式。传统的实体动物教学与VR教学相比具有以下几方面的优势：

　　1.提供了更多的师生互动机会，提高了学生的表达能力。传统的授课过程中，教师会先亲自详细讲解和示范一遍，然后让学生自己操作，期间会一直在学生间游走，对学生的操作进行观察与指导，及时解决操作中遇到的问题。对大部分学生提出的一些共性问题，也可以及时集中解答。该过程中不仅锻炼了学生对事件的描述和表达能力，也增进了学生和教师之间的情感。而VR教学主要以计算机为主体来构建动物模型，使学生通过视觉、听觉、触觉等感官的模拟对动物的实体解剖。所有的操作步骤均是基于程序设定依次进行，整个过程基本都是学生自己参与。

　　2.培养了学生解决问题的能力。在实体动物实验过程中，学生面对的是真实的动物，操作过程中可能会出现各种各样无法预测的突发事件，这时就要求学生自己或者在指导教师的指引下，采取一些行之有效的方法使其继续沿着正确的方向进行。尤其是学生自主处理问题的情形下，培养了学生面对意外情况的处理能力，更加符合临床生产实际中对动物医学专业学生的能力需求。而基于VR技术的授课方式，所有操作过程均是基于之前软件程序的设定一步步进行，不会出现预测之外的任何情况，对学生处理意外情况能力方面的培养相对较薄弱。而且缺乏真实的动手实践，极有可能导致学生在面对真实动物时，出现信心不足而畏手畏脚和不知所措等情况。

　　3.经费投入相对较少。传统的动物解剖实验，动物购买及相关器材的购买每年只需几万元即可完成对该届学生的教学任务。而VR教学前期的硬件和软件则需要花费数百万人民币，后期还需要不断对系统进行维护，且上课时需要配置专业技术人员协助操作[4]。

　　四、结束语

　　基于VR技术的VE是对实体动物实验部分进行模拟与再现，实体动物实验是VE开展的基础和保障。随着科技的不断革新、进步和发展，将VR技术引入高校的教学，尤其是动物解剖这种动手能力较强的课程中，实现资源的有效合理利用，已经是高校发展的主要方向和手段。虽然基于VR技术的动物解剖实验在很多方面较实体动物实验展现出无法比拟的优势，但VR技术的工作原理依然是模拟与再现，并非是真正意义上的创造立体空间。因此，并不能完全取代真实环境中的动物解剖实验，因为真正的动手能力与技能必须在现实情景中进行多次操作练习而获得。

　　同时，实体动物实验的开展进一步加深了学生对VE教学内容和理论知识点的理解与掌握。两者在实验动物教学中是可以相互促进，相互补充的两种方式。综上所述，农林高校是否应该将VR技术引入到实验动物解剖教学中，这个问题是毋庸置疑的，因为VR技术所体现的优势，可以在很大程度上弥补传统教学的不足。但是引入VR系统力度的大小，应该在充分考虑到经费预算的基础上，采用合适的“虚实结合”实验教学模式，将虚拟实验和真实实验进行有机的结合，使两者能够优势互补、相辅相成，从而将实验动物解剖教学成果再创新高。

　　参考文献：

　　[1]肖传斌，张玲，程会昌.动物解剖学与组织胚胎学[M].郑州大学出版社，2009.

　　[2]王海东，张晓东，耿建军，等.农业院校精品课程的建设——以《动物解剖学与组织胚胎学》为例[J].教育理论与实践，2012(21)：54-56.

　　[3]庄向婷，白军.VR虚拟现实技术在动物实验教学中的应用[J].杨凌职业技术学院学报，2018，17(2)：73-75.

　　[4]高安崇，周靓，王秀娜，等.VR技术在动物科学实践(实验)教学中的应用研究[J].黑龙江畜牧兽医，2019(7)：157-159.

　　[5]马世波，田启超，张瑞锋，等.VR虚拟现实实训室在兽医解剖学实训课中的应用[J].山东畜牧兽医，2019，40(3)：64-65.

　　作者：冯旭飞，刘爵