基于校企合作的智慧化机能学实验室建设丨干货分享
校企合作是高校提升人才培养质量、提高教学 水平、彰显办学特色、助推区域经济转型升级的重要 途径[1]。2017 年，国务院办公厅发布《关于深化产教融 合的若干意见》，提出要促进教育链、人才链和产业 链、创新链有机衔接，将产教融合贯穿人才培养的全 过程[2]。因此，高校应与企业开展多渠道、多方式、多 维度的产学合作，探索校企合作新模式[3-4]。
机能学实验在基础医学实验中是一门关键的实 验课程。它将生理、药理和病理生理三门学科的实验 系统地融合在一起，在原有经典实验的基础上进行优 化和改进，使实验具有连续延伸性、互补性及深刻的 内在联系，从而促进了学科间的渗透，更加贴近临床 实践，同时有助于培养学生科学的思维方法和严谨的 科学作风[5-6]。当前，医学院校建设创新理念指导下的智慧化机能学实验室，利用先进设备和信息管理技术 提高机能学实验教学质量是很有必要的[7]。而基于校 企合作建设智慧化机能学实验室，可将先进的实验教 学理念、实验教学设备与信息技术深度融合，使学生 的学习、实验和研究融为一体，有利于推进实验教学 改革及机能学综合性、创新性实验开展，满足学生自 主学习的需要，提高学生学习的积极性，最终达到有 效教学和学习的目的。
一、智慧化实验室管理系统建设
医学院校要基于校企合作建设智慧化机能学实验 室，首先应建设智慧化实验室管理系统。智慧化实验室 管理系统是以管理系统为中心，将多套不同的实验室 设备有机结合起来，形成一套可伸缩、可配置的实验室 整体解决方案。该系统不仅能在机能学实验室中使用， 还可扩展到其他实验室中。智慧化实验室管理系统实 现了实验室展示（实验室介绍）、安全管理（视频监控系 统）、环境管理（温湿度及其他环境条件监控）、电源管 理（开关电）、门禁管理、设备管理（实验设备管理）、药 品管理（实验药品及其存贮管理）、开放实验室管理（实 验预约）、实验数据管理（所有的实验数据）、实验报告 管理（学生实验报告批阅）、实验教务管理（实验课件、 内容、通知等）、实验动物管理（如实验动物消耗的管 理）、实验室教师通信及其他管理的一体化。
智慧化实验室管理系统包含以下内容：
①实验室 教学管理系统：用于实验室教学管理。该系统可以完 成学生管理、教师管理、角色权限管理、教学跟踪，以 及实验预约、实验形成性评价记录、实验报告和实验 数据管理、实验教学通知及教学内容发布等，最为复 杂。
②实验室设备管理系统：用于实验室设备管理。该 系统可以管理实验设备的常规信息（购买日期、价格、 厂家等）、维护信息、报废信息等基本信息，同时还可 以跟踪实验设备的动态使用情况，如每台设备的使用 小时数，且可与学校的实验室信息管理系统对接，方 便实验室资产管理员上报信息。
③实验室监控系统：用于实验室视频监控。该系统采用网络监控摄像头， 可以在展示系统、手机 APP 系统及其他需要视频的 系统中直接提取各个实验室的监控视频，且可以控制 每个摄像头的角度、远近等。
④实验室大屏展示系 统：可用于实验室整体信息、实时数据图表等的展示。
⑤实验室门禁系统：用于实验室门禁管理。该系统可 支持多种开关门方式，如玻璃滑动门、实验室普通门， 同时也支持多种身份识别方式，如教师学生卡、刷脸、 身份证等。
⑥实验室电源管理系统：用于实验室电源 管理，内部存在实验室教师和学生权限管理。该系统可以控制实验室的总电源和每台设备的分电源，自动 统计实验室中每台设备的使用时间，还可以根据远程 网络指令开关电源等，保障实验室用电安全。
⑦实验 室环境管理系统：用于实验室环境管理。该系统可以 探测实验室环境并可以对环境进行一定程度的控制， 包括温度、湿度、细颗粒物、甲醛等。
⑧实验室安全监 控系统：用于实验室通用安全管理。该系统可以实现 防火、防盗、防潮等通用安全监控。防火主要通过烟雾 传感器和温度传感器触发；防盗由监控靠窗、靠门视 频分析及门禁的非法强行进行判定；防潮通过湿度传 感器判定。
⑨实验室智能药品柜：用于实验室常规药 品管理。该系统可以按照教学安排自动选择药品柜中 的药品组合，提供给验证（人脸识别、校园卡刷卡等识 别方式）通过的实验人员（教师或学生），从而减轻教 师分发药品的负担。
⑩实验室智能器械柜：用于实验 室常规手术器械管理。该系统可以按照教学安排自动 选择器械柜中的实验器械组合提供给验证 （人脸识 别、校园卡刷卡等识别方式）通过的实验人员（教师或 学生）；在实验完成后自动回收实验人员使用清洗干 净的实验器械。
二、集成化、信息化的动物实验平台建设
完备的实验教学仪器和综合型的实验系统可将 机能学实验中的生理学实验、药理学实验、病理生理 学实验等多门相关学科的实验教学内容进行交叉融 合，为临床医学实践和医学科学研究奠定坚实基础。在机能学实验中，动物实验所需仪器及耗材种类繁 多，且部分实验需要配备局部照明系统才可以看清实 验动物的解剖结构，若实验操作者同步进行呼吸机控 制调节、生物信号采集系统软硬件的操作和观察、环 境温度信息和波形等的观察，无疑会分散其进行手术 时的注意力，降低实验效率，甚至导致实验失败。
基于这一系列实验困难，医学院校应与企业合作， 建设集成化、信息化的动物实验平台，如此既集成了可 移动实验平台、生物信号采集与处理系统、小动物呼吸 机、恒温水浴系统、恒温平滑肌槽、照明系统、电脑系统 及形成性评价系统，还包括实验用品附件包、手术器械 附件包等，同时可通过平板电脑实现对内部设备的集 中控制，大幅提升了实验者实验操作体验，增加了实验 时的手术成功率，提高了实验室的整洁程度，提升了实 验教学的效率和质量。另外，这些集成的设备可以完成 几乎所有传统的经典机能实验，也能完成创新性、研究 性实验。下面笔者择其要点加以阐述。
生物信号采集与处理系统是一套基于网络化、信 息化的新型信号采集与处理系统，软件内部嵌入大量 电子教材、录像和虚拟实验操作交互，硬件平台可实 现物理通道自动扩展、智能识别设备连接等多种功 能，可分析所有专用数据，包括心率变异、心电参数分 析、血流动力学分析、脑电频率分析、呼吸分析等。
小动物呼吸机通过在平板电脑上操作，可以选择 动物类型，调节潮气量、呼吸比和呼吸频率等参数，且 调节方式灵活，具体可进行家兔呼吸运动调节、家兔 呼吸运动与膈神经放电同步记录、实验性呼吸功能不 全等呼吸系统相关实验。
恒温水浴系统采用稳压泵循环技术，水槽注塑一 体成型，控温精度高、波动小，节省能源，可提供高精 度的、受控的、温度均匀的恒定场源，特别是能提供两 路恒温水的外循环，能保证在水浴之外得到恒温实验 环境，大大提高了设备的防腐性能。同时，其与离体心 脏灌流系统配套使用，可进行离体大小鼠心脏灌流实 验，而与离体组织器官恒温灌流系统配套使用，可进 行血管环、气管条等哺乳类动物组织离体实验，且提 供带氧气输入的数控恒温环境，能保证离体组织器官 的生理活性，促使相关实验顺利进行。
恒温平滑肌槽主要用于平滑肌、离体肠管等实验， 可调节和维持实验环境（如实验药液）温度，从而保证 离体平滑肌的生理活性，如可进行消化道平滑肌生理 特性、药物对离体肠平滑肌的作用、苯海拉明拮抗参 数的测定等实验。
形成性评价系统是通过使用计算机视觉自动分 析技术构建实验操作的自动化评估系统，可以自动 对实验动物手术操作过程中的诸多细节进行评估， 可以评价的实验动物包括家兔、大小鼠及蟾蜍等，且 可以对动物实验操作过程进行分项自动评价，如对 于家兔实验操作，具体可以分成麻醉操作评价、气管 插管操作评价、动脉插管操作评价、神经分离操作评价等。
概括来说，集成化、信息化的动物实验平台不仅 集多种电子设备与系统于一体，同时也是实验室信息 管理系统、大屏辅助教学系统、医学虚拟仿真实验教 学系统等系统的一个对接入口，能真正实现实验教学 的教和学在网络中的无缝对接。
三、虚实结合的人体生理实验平台建设
在实验动物福利和“3R”原则指导下，机能学实验 教学正在逐渐减少和优化动物实验，基于此，为了能够在减少动物实验的大背景下提高教学质量，必然需 要创新教学实验方法和实验手段，以无创型人体生理 实验为基础的机能教学实验已成为机能学实验改革 的新趋势。
基于此，医学院校应与企业合作，建设虚实结合的 人体生理实验平台，即以实体的人体生理实验为基础， 获取实验者正常的生理指标。利用这些指标和数学模 型构建而成的虚拟人，可实时模拟血流动力学、呼吸力 学、神经冲动 200 余项生理指标变化，用户可自由调控 或通过传感器方式进行实时“虚实联动”。同时，融合虚 拟标准病人模拟系统，将实体实验测量所得生理指标 输入虚拟标准病人模型，可以模拟在不同病理和药理 条件下人体生理指标的变化，模拟疾病治疗过程及治 疗效果，实现真正的虚实结合，这也体现了早临床的教 学理念。另外，虚实联动的生理指标呈现，可以强烈激 发学生学习人体机能学知识的兴趣和积极性。虚实结 合的人体生理实验平台建设主要包括以下内容。
集成式人体生理实验平台：高度集成的人体生理 实验平台可一站式满足所有实验需求。电动控制实验 椅/床的转换，如进行脑电、心电检测时可以使用实验 床模式，而进行呼吸和神经肌肉实验时可以使用实验 座椅模式；平台集成了各种数据的采集端口，如人脸 识别、体重身高测量、实验数据采集等，传感器附件可 在座椅下方双抽屉中进行收纳；实验平台配置的是双 触摸显示屏和高性能计算机，能同时进行数据采集与 分析、虚实联动实验或虚拟标准病人的操作工作。另 外，还配置了可进行虚实联动的运动单车，可用于运 动相关实验和虚实联动实验，采集心率、转速、阻力、 功率、体位等数据。
系统完整的人体生理实验：人体生理实验模块根 据生理学各大系统进行分类，不仅包含神经、肌肉、循 环、呼吸、中枢神经、感官系统、运动生理实验，还开发 了消化、泌尿和代谢系统实验。在代谢系统实验中，可 以利用代谢仪学习基础代谢的间接测热法；在消化系 统中，可以采用唾液计滴器，研究食物对唾液分泌的影 响；在泌尿系统实验中，可以使用尿液分析仪分析受试 者饮入高渗、低渗和等渗溶液后对尿生成的影响。
无线传输技术：引入的无线传输技术支持在线和 离线两种数据采集方式。在线方式为实时传输信号， 在空间上解除了对受试者的束缚，减少各种信号线带 来的不方便，抗干扰性好，信号传输稳定；离线方式能 在户外进行生理数据的采集，方便各种被运动或环境限制的实验项目。
独创的连续血压测量技术：采用无线方式，实时 连续采集人体手指末端血压，分析收缩压、舒张压、脉 压差、心率等数据。相较传统袖带式血压计，无线方式 具有历史性突破，可以精确到每分每秒记录人体的血 压，非常适合用于生理因素，如呼吸、闭气、体位等对 动脉血压影响的研究，在临床医学、基础医学、康复医 学、生物医学等领域具有广阔的应用前景和非常可观 的发展潜力。
AI 自动识别基础信息：采用人工智能实感深度摄 像头，自动跟踪人脸并识别受试者的年龄、性别、身 高，配合自动体重测量单元和学生信息数据库，可自 动采集到完整的基础信息，用于实验数据分析和虚拟 人的构建，使实验数据的采集和分析变得更加科学严 谨，也便于后续实验数据的溯源和管理工作。
个性化虚拟人的构建：在学生进行实体的人体生 理实验时，人体的基本信息，包括身高、体重、性别、年 龄、血压、心率及呼吸等生理指标将自动进入虚拟实 验系统（虚实联动实验和虚拟标准病人），构建以实体学生为基础的个性化虚拟人。个性化的虚拟人不仅能 够模拟人体准确的生理变化，而且能够激发学生的实验兴趣。
实时动态数学模拟技术：虚实联动实验中的“虚 拟人”和虚拟标准病人中的“虚拟病人”都是由当前市 场上最完善的数学模型构建而成，可对虚拟人体的循 环血量、血压、心肌收缩力、胸膜腔负压、呼吸道阻力 150 余种参数进行调节，从而引起病人各项机能的变 化，达到模拟生理机制变化过程、模拟疾病的发生发展及转归的目的。实时 3D 动画模拟技术：3D 动画是借助数学模型 推演的各项指标来操控的，如血液循环中，心脏跳动的幅度和频率、动静脉血管的颜色和大小、肺脏的呼 吸深度和节律、各脏器内血管的粗细和颜色等都是借 助模型操控的。实时动画模拟技术使得人体内部抽象 难懂的生理机制得以生动形象地呈现出来，犹如受试 者的身体内部机制在实时呈现一般。
虚实联动实验：受试者与虚拟人通过各项传感器 进行实时联动。传感器所能测的指标种类是有限的， 但通过实际测量的数据，利用虚拟人的数学模型基 础，可以实时推演人体内部各大系统生理指标的变 化，并以动画、波形、数值等形式生动展示出来。用户也可以自由调控各项参数，模拟生理、病理生理、药理。
学相关机制变化。虚实联动实验具有极强的参与体验感，可以充分激发学生实验探索的兴趣。
虚拟标准病人：虚拟标准病人是一种将 PBL 教学 方法与临床案例相结合的新实验教学模式，通过数学 模型中相关参数设定生成标准化病人，展示人体在不 同疾病状态下组织器官的病理生理变化。学生可对虚 拟病人进行诊断与治疗，观察疾病状态下人体皮肤、表 情和动作变化，掌握病人的问诊、检查及治疗的手段与 方法，这能帮助学生理解疾病发生、发展与转归，训练 学生对疾病的诊断和治疗，使其更好地适应临床。
四、虚拟仿真的医学实验平台建设
医学院校应立足最高点，适应时代发展的需求， 基于合作企业的虚拟仿真教学软件开发制作经验，将 教学软件再次升级，使教学软件不仅顺应当前虚拟仿 真实验的潮流，而且符合未来医学发展的规律。在新 一代虚拟仿真教学软件中，摒弃了传统“一步走”的实 验训练方式，坚持高度自由化、情景化、个性化的实验 模拟方案，力争做到虚拟实验仿真的最高要求。比如， 家兔血压调节实验中，学生要通过各种心血管药物处 理和干预，观察动物血压波形变化。药理学实验关注 使用不同药物情况下实验动物的反应，并记录和观 察，因此最大化地还原了实验动物因药物剂量不同而 发生的随机性变化特点，使实验内容具有了明显的系 统性和完整性特点，能充分培养学生的独立思考能 力、探索能力及问题解决能力。同时，企业也在多种虚 拟教学软件兼容性、多样化虚拟仿真展示形式上做出 了极大努力，使支持各种 B/S、C/S 平台的虚拟教学软 件集成于该教学平台，表现形式上有图片、文字、视 频、2D 交互动画、3D 交互动画等，实现了在不同网络 终端访问平台、学习和考试等的目的，让学生的学习 不受时间、地域的限制，真正意义上让学生在娱乐中 学到了有用的知识。据上，建设虚拟仿真医学实验平 台主要囊括以下内容。
适合多终端使用：全新虚拟实验项目，采用 Html5 及 JavaScript 技术进行软件组装编辑，可在个人 PC 端 进行使用，同时兼容手机、平板等移动端，实现了虚拟 实验项目跨平台跨终端的全方位学习和使用。虚拟课件可作为实验操作前的模拟训练，也可作为平时成绩 测验用的软件，操作简单易行。手机平板即可轻松访 问，方便教学课程的组织和学习考试的安排，也解决了未来因停止 Flash 更新和支持而无法使用老版 Flash 虚拟实验项目的问题。
全新升级的动画模式：采用动画和语音重点展示 实验手术操作过程中的细节和难点，实现了实验过程 的连贯性和知识的全面性，且学生能够身临其境地参 与整个实验过程，深入理解实验课程内容。同时，增加了手机端符合横屏拖动操作，使实验更具有趣味性。
高清实验视频：部分机能学实验操作视频采用合 作企业最新相关实验器材，录制 1080 P 高清规范操 作的动物实验手术视频，解决了因视频中器材与真实 实验室器械不符的问题，同时采用标准普通话配音， 详细介绍了实验操作技巧，在帮助学生掌握实验操作 技能的同时，增加了其对实验器材的认知。
精确的学习进度：准确记录学生的学习进度，即 按照课件每个知识点的答题情况及实验步骤对学生 学习进度进行详细记录，学习进度精度可达到 1%，抛 弃了传统课件打开计时的这种简单进度记录模式，可 对学生学习起到监督作用。课件符合国际共享参考模 型 SCORM 1.2 的标准格式，可通过统一格式进行跨平 台、可重复使用，可精确记录并返回课件上一次访问的 位置，避免因断电或断网出现进度和分数丢失等问 题，具有从所有支持 SCORM 平台获取学习成绩和过 程记录等功能，能准确追踪学生的学习记录情况。
中英双版：支持中英文双语，满足学生外语扩展 或双语教学要求，包括全新中英双语版机能学虚拟实 验课件，中文/英语一键式随时切换功能（语音内容也 能同步切换），各课程内容主要包含实验简介、模拟操 作、波形演示、高清视频与实验成绩报告。
数字波形模拟：部分实验项目波形数据来自合作 企业仪器采集到的真实数据，通过算法和代码实现反 演，可实行波形扫描速度、增益、时间轴及演示倍速的 自行调节，同时虚拟动画可演示仪器设备连接，动物 标本反应动画可随波形同步，方便了学生对实验数据 的产生和波形变化的理解和分析。
学考结合模式：虚拟实验项目采用学习和考核相 结合模式，学习过程中有文字和语音等引导提示，能 帮助学生完成学习操作，操作错误也会有提示；课件 知识点则穿插在模拟实验中，通过选择、判断、连线题 等多种方式进行考查，可按实验步骤问题和知识点自 动判分，记录学习成绩，给出学习评价，完成实验后支 持在线查看结果，也支持生成 PDF 格式的实验报告。另外，具有针对在线学习结果颁发证书功能，可检查 学生学习是否通过，以及学生的学习时间和成绩。
总之，机能实验学是基础医学重要组成部分[8]。医学院校通过建设智慧化机能学实验室，建立实践、创 新、虚拟、开放的实验体系，能够形成动物机能实验、 人体生理实验、虚拟医学实验、智慧化实验教学“四位 一体”的实验教学体系。动物机能实验主要成系统地 完成传统的动物机能实验，人体生理实验主要成系统 地完成无创的人体生理实验，虚拟医学实验可以扩展 到不同的医学领域，智慧化实验教学方法则是“灵 魂”，它将多种实验手段（动物实验、人体实验、虚拟实 验等）、多种先进技术及多种教学资源有机地融合在 一起，可对培养学生的实践动手能力、创新思维发挥 重要作用。医学院校可通过校企合作模式，健全智慧 化机能学实验室建设，还可从其他院校实践中积累经 验，互相借鉴，不断促进双方发展[9]。而随着时代发展， 虚实结合项目必然需要深化和升级，项目内容也需要 围绕教学目标和培养需求进一步调整，故校企合作要 保持活力，才能为创新型医学人才培养助力[10]。
*《基于校企合作的智慧化机能学实验室建设》作者：陈博，蒋杨，刘霞，万洁，张延娇，丘晓花 *（广东医科大学基础医学院生理科学实验室，广东 东莞，523808）
*转载自实验室学苑
