基於瀏覽器模式的人體生理學機能實驗系統的設計與實現
秦曉群 楊綠化 何曉凡
中南大學醫學機能學實驗教學中心 湖南長沙 410013
摘 要：本文分析了國內醫學院校人體生理實驗教學的現狀和改革方向，說明了人體生理實驗是中國機能實驗教學改革的一個發展方向。然後介紹了人體生理實驗設備的設計思想和原理，最後介紹了一種基於瀏覽器方式的可實際運用與教學的人體生理學機能實驗系統。
關鍵詞：人體生理實驗；瀏覽器模式
長期以來，中國的生理實驗教學以動物實驗為主，而且主要針對教材上的經典實驗，學生在有限的實驗課時間中，很難完全理解某個實驗的全部意義，也很難在這個實驗上發揮提高。往往是學生做動物實驗只是完成任務，很難達到真正學習的效果，另一方面，教師花費大量的時間進行指導，但是並不能使每一個學生受益，很多學生由於沒有得到教師的親自指導而不能很好地完成動物實驗。
另一個因素是國外特別是發達國家的生理教學實驗已經很少開展動物實驗，中國生理教學也正面臨著與國際逐步接軌，將逐步減少動物實驗的數量，這也是符合動物實驗的3R原則，Reduction(減少)、Replacement(替代)和Refinement(優化)。
為了儘快地解決這些困擾機能實驗教學的問題，我們走校企合作的方式，與成都泰盟科技有限公司合作，在以下兩個途徑上對機能實驗教學改革進行了思考和有效地探索。
1.開展部分虛擬機能實驗
虛擬實驗最大的優勢是不對動物造成任何傷害，可以反覆使用，其他的優勢是可以聚集大量的相關知識，拓展學生的知識面，比如生理實驗設備的原理和應用，實驗動物養殖與選擇，機能實驗模擬操作，機能實驗反應等。如果將虛擬實驗上網，還可以使學生在任何地方，比如寢室、教室等獲取實驗知識。虛擬實驗的不利之處在於，不動手的虛擬機能實驗不能訓練學生的實驗技能，另外，在非真實環境下操作實驗，還可能造成學生在將來實驗中隨意的態度。
2.在教學中開展部分人體生理實驗
為了克服虛擬實驗的不利因素，如果能在機能學實驗中加入一些人體實驗的成分，這不僅可以減少實驗動物的使用，而且還可以有效地與臨床形成更緊密的結合，既拓展了學生的知識面，也提高了學生的興趣。但是人體生理實驗也有一些缺陷，比如動物實驗中可以進行實驗解剖，藥物注射，而學校開設的人體生理實驗則不能對實驗體本身有任何傷害，這大大限制了人體實驗的範圍和深度，另一方面，由於人體生理缺乏相應的實驗裝備，也大大限制了學校開展這方面的實驗。
一、人體生理機能實驗設備的探索與設計
1.人體生理實驗的開展對實驗設備提出了更高的要求
原來的生理實驗設備，如生物機能實驗系統，通常針對動物實驗而設計，重在有效拾取動物機體的生理信號，而對設備的電器安全性特性則很少關注。
中國食品藥品監督局的相關文件明確規定用於人體生理指標的監測設備屬於醫療器械，需要具有醫療器械註冊證明方可實現銷售，為了取得醫療器械註冊證明則需要進行權威機構的安全檢查和臨床驗證。這無形中提高了生物機能實驗設備的安全門檻，換句話講，原來的生物機能實驗系統要進行人體實驗首先需要獲取相應的註冊證明。
由於專用醫療設備的昂貴與專用型，不能滿足學校開展人體生理實驗的需要，而學校需要通用型的滿足人體實驗要求的價廉物美的設備。因此在開發相應的人體生理機能實驗設備時首先要考慮的問題是提高設備的安全性，獲取醫療器械註冊證明。
2.人體生理實驗的方法應有別於傳統的生理實驗設備
由於人體生理實驗要求保證人體的絕對安全，即使有了取得醫療器械註冊證的實驗設備還是遠遠不夠的。首先，在學生人體生理實驗中不能開展侵入式實驗；其次，不能在學生人體生理實驗中進行藥物注射觀察反應。因此，人體生理實驗的開展受到實驗條件和方法的雙重限制，需要在設計人體實驗設備時突破這些瓶頸。
首先是實驗方法的改進，比如我們要研究血壓的變化，在動物實驗時可能採用的方式是注射腎上腺素，乙醯膽鹼等藥物，轉到人體實驗後，我們可以研究不同血壓測量方法之間的測量差異；測量學生在安靜、運動狀態下的血壓；讓學生手臂肱動脈位置高於、低於心臟位置以及與心臟平行時測量血壓得出結果，因此，設計人體生理實驗設備首先是設計人體生理的實驗方法。
3.人體生理實驗要求內容豐富
由於人體實驗本身的局限性，在設計人體生理實驗設備時要力求在內容和表達方式上儘量豐富。首先是內容的完善，需要提供完善的人體生理實驗項目，包括人體的神經(反應，反射實驗)、循環、呼吸、肌肉、消化、泌尿等系統的實驗內容。其次，在表達方式上，要將實驗的歷史背景，設備介紹，方法原理以及實際的實驗觀察有效地結合起來，但這些內容使用傳統的實驗設備(軟體)很難達到這些要求。為了達到這些要求，使用瀏覽器作為人體生理學實驗軟體的載體是有效的，因為瀏覽器易於表達豐富的內容，但是其實時操控性較差，因此需要進行專門的設計。
4.人體生理實驗要求儘量減少教師的負擔
生理教師主要講解實驗的方法和原理，關於實驗的詳細操作過程，儘量讓學生自己去完成，但是有些操作比較複雜，學生實現困難，因此在人體生理機能實驗設備軟體中必須對每個實驗有具體的操作指南，按照這個操作指南學生就可以輕鬆完成實驗。
5.人體生理實驗要求配套的附件完善
為了完成人體生理實驗，除了主要的設備之外，還需要配套完善的實驗附件，比如握力傳感器，呼吸傳感器，心電電極等，這樣才能真正保證學生人體實驗的真正開展。
二、Webchart-400人體生理實驗系統介紹
WebChart-400人體生理實驗系統是成都泰盟科技有限公司為了滿足醫學院校人體生理實驗開展的需要，專門研發的新一代人體生理實驗系統。其滿足了高等醫學院校人體生理實驗開展的需要。
1.Webchart-400人體生理實驗系統組成
Webchart-400人體生理實驗系統主要由3部分組成：
(1)符合人體安全要求的BL-420S生物機能實驗系統(如圖1所示)。
(2)以IE瀏覽器為運行基礎開發的多媒體人體生理實驗系統軟體，含12個實驗項目(如圖2所示)。
(3)配套人體生理實驗的豐富附件，含18種不同的實驗附件(如圖3所示)。
2.Webchart-400人體生理實驗系統特點
WebChar-400人體生理學實驗系統的主要功能是將實驗設計與實驗實現融合在一起，實驗設計包括實驗的歷史、簡介、操作步驟、分析和報告等。實際上，WebChar-400的實驗設計內涵豐富，遠遠超過了基本實驗的內容，比如血壓實驗，該系統設計了很多子項，包括在手指與心臟形成高度差的條件下血壓的變化等，同時提出問題讓學生思考回答，開拓了學生的思路，達到有效學習的目的。實驗實現則是該實驗的信號採集、記錄、處理等傳統生物信號採集系統所完成的功能。
系統有如下特點：
(1)儀器配置高：採用已經獲取醫療器械註冊證的BL-420S生物機能實驗系統為基礎。
(2)實驗配件齊全：涵蓋了心電、腦電、呼吸、血壓、心音、肺功能等18種常用實驗附件。
(3)實驗模塊豐富：包括人體心電圖描記、心音聽診和心音圖描記、呼吸運動調節因素、人體血壓測定、肺功能檢測、人體肌肉反應、肌電圖、腦電圖、眼動電、感覺實驗、反射和反應時間、泌尿實驗等12個常見人體實驗。
(4)實驗內容安排合理：參照常用醫學文獻模式，按背景知識、實驗原理、實驗目的、實驗器材、實驗方法和觀測、實驗討論6個方面完整貫穿知識點，培養學生自學能力，減輕教師講解負擔(如圖4、圖5,圖6所示)。
(5)操作過程易用：分步多媒體教學，直觀明了，打開網絡瀏覽器即可操控實驗步驟和儀器，完成實驗(如圖5所示)。
(6)易於定製：教師可以根據實際教學情況，對實驗內容做定製，比如實驗報告思考題，實驗過程的講解步驟和文字內容等。
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