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通过人大脑的发育过程、眼球和内耳的发育过程等虚拟仿真实验教学的实施,达到替代部分人脑胚胎标本,降低实验教学成本,提高实验教学效率,延伸教学时间和空间,创建虚实结合和的教学新模式。在确保学生掌握相关的胚胎学知识基础上,还能基于胚胎学知识拓展到对核心细胞(大脑内的神经细胞、眼中的视细胞及内耳中的毛细胞等)的形成和迁移过程,激发学生对胚胎学后续学科的兴趣度,同时增强创新意识。同时,对想了解人脑发育过程的脑科学工作者也提供一个专业、科普性的学习平台。

(1)实验原理

1.胚胎学课件:将常规的授课幻灯(包含要掌握、理解及了解的知识点要求),放在第一模块中,便于学生进行自学以了解授课内容、复习以掌握授课内容。

2.胚胎学视频:在山东大学开发出的人体胚胎学仿真项目的基础上,通过图像分割、三维重建和可视化技术,展示人各个脑曲的发育过程、随着脑泡发育过程伴随的脑室的演变;展示由眼泡到视网膜、视神经、晶状体、角膜、睫状体、虹膜和眼房及血管膜和巩膜的发生;展示由听泡到前庭囊、耳蜗囊内淋巴管、内淋巴囊的发育过程,了解相应结构在横断面、矢状面和冠状面的三维结构。

3.虚拟仿真融合:利用正常人脑主要阶段的多模态数据,通过图像分割、融合、三维重建和VR技术,360度全方位展示大脑皮质、眼球和内耳等结构的发育过程,使学生置身于一个真实的场景,通过设定的各个考核呢人加深对相关重要结构发育过程的理解和掌握。

知识点:共3个

1.大脑的发育:由于脑泡各部分发育不均衡,脑部相继出现数个弯曲,在中脑部出现明显凸向背侧的头曲(cephalic flexure);在菱脑与脊髓相连处也出现明显凸向背侧的颈曲(cervical flexure)。以后,随着脑部的继续发育,在端脑及脑桥处分别又凸向腹侧的端脑曲(telencephalic flexure)和脑桥曲(pontine flexure)。 随着脑泡的发育,神经管的管腔演变为各部位的脑室。前脑泡的腔将分别演变为左、右侧脑室和间脑的第3脑室;中脑泡的腔形成狭窄的中脑导水管;菱脑泡的腔演变为第4脑室。

2.眼球的发育:人胚第4周,当神经管前端闭合形成前脑泡时,其外侧壁向外膨出形成左、右一对囊泡,称视泡(optic vesicle)。视泡腔与脑室相通,视泡远端不断膨大,逐渐贴近表面的体表外胚层。与此同时,体表外胚层在视杯的诱导下增厚,形成晶状体板(lens placode)。而后,视泡内陷形成双层杯状结构,称视杯(optic cup)。视杯近端变细,称视柄(optic stalk),并与由前脑分化出的间脑相连。晶状体板内陷入视杯内,形成晶状体泡(lens vesicle)。眼球是由视杯、视柄、晶状体泡和它们周围的间充质分化而成的。

3.内耳的发育:人胚第4周初,菱脑两侧的体表外胚层形成左、右一对听板(otic placode);继之向下方间充质内陷,形成左、右一对听窝(otic pit);最后听窝闭合,并与体表外胚层分开,形成左、右一对囊状的听泡(otic vesicle)。最初听泡为梨形,而后向背腹方向延伸增大,形成背侧的前庭囊和腹侧的耳蜗囊,并在背内侧端长出一小囊管,称内淋巴管,其盲端逐渐膨大,最终形成内淋巴囊。前庭囊将形成三个膜半规管和椭圆囊的上皮;耳蜗囊将形成膜蜗管和球囊。听泡便演变为内耳的膜迷路。

(2)核心要素仿真设计(对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述)

我们在教学设计中引入时空“旅行”的观念,通过发育的时空特性,让发育通过仿真设计展现其真实过程。简要描述如下:

大脑发育中,通过“脑室旅行”而呈现由脑泡到不同脑曲的发育过程。由于脑泡各部分发育不均衡,脑部相继出现数个弯曲头曲、颈曲、端脑曲和脑桥曲; 随着脑泡的发育,神经管的管腔演变为各部位的脑室:左、右侧脑室、第3脑室、中脑导水及第4脑室。

眼球发育中,通过在房水形成及进行房水循环所要经历的各组织学结构的发育,通过“房水旅行”呈现眼球内壁各组织结构(视网膜、视神经、晶状体、角膜、睫状体、虹膜和眼房及血管膜和巩膜等)的形成过程。

内耳发育中,通过在内、外淋巴形成过程及各组织学结构的发育过程,通过“迷路旅行”呈现内耳不同结构(前庭囊、耳蜗囊内淋巴管、内淋巴囊等)的发育过程。这个教学设计,是基于组织学基础、通过虚拟仿真技术,将胚胎学内容进行比较完美的展现。

通过“旅行”的仿真设计,可以把抽象的发育过程、不同时空关系进行比较完美地进行呈现,丰富了学生的三维观念和意识,动态地呈现了发育的时空特性。

(1)实验教学过程

1)胚胎学课件与视频

n人体胚胎学虚拟系统服务器端

人体胚胎学虚拟系统安装在计算机服务器上,再连接校园网,通过用户名密码登陆供师生使用。软件采用按需下载模式,不存在网络带宽限制问题,并且最大限度提高运行速度,可支持用户同时登陆。

n人体胚胎学虚拟系统学生端

学生端电脑上安装人体胚胎学虚拟系统专业版,学生在学习过程中,可对发育过程有相关胚胎学内容的总体了解,能快速准确地掌握相关知识,并能够在课前预习及课后复习。

2)虚拟仿真融入

n大脑的发育—“脑室旅行”

运用图像处理技术,对正常人脑发育过程关键时间点图像进行基于胚胎学知识的分割和标注。进而将分割、标注好的图像按照规定格式导入VR虚拟仿真系统,实现对人脑发育主要阶段的360度观察、虚拟切割等操作。

n眼球的发育—“房水旅行”

运用图像处理技术,对正常眼球发育过程关键时间点图像进行基于胚胎学知识的分割和标注。进而将分割、标注好的图像按照规定格式导入VR虚拟仿真系统,实现对眼球发育主要阶段的360度观察、虚拟切割等操作。

n内耳的发育—“迷路旅行”

运用图像处理技术,对正常眼球发育过程关键时间点图像进行基于胚胎学知识的分割和标注。进而将分割、标注好的图像按照规定格式导入VR虚拟仿真系统,实现对内耳发育主要阶段的360度观察、虚拟切割等操作。

最终,学生能分别分别实现“脑室旅行”、“房水旅行”和“迷路旅行”。

(2)实施方法

人体胚胎发生过程中,各个器官系统的分化进程很快,尤其是神经系统中的大脑发育、感官系统中眼球和内耳的发育,很抽象、也很复杂、但同时也最具想象空间,这个空间能给学生很多探索的兴趣点。

本实验首先通过在线学习人大脑的发育过程、眼球和内耳的发育过程的教学课件及一般视频,了解胚胎发育过程中必要的知识点;然后再结合虚拟仿真实验线下教学的实施,可以使学生能够把抽象的过程具象化,能在虚拟仿真中掌握发生发育过程中的变化过程(课前线上学习+课堂线下学习+课后线上学习)

通过本教学实验的开展,可以基于网络,在虚拟现实环境下,结合图像处理技术重建的大脑、眼球及内耳的发育过程,相比较传统教学,学生可反复学习进而掌握抽象的胚胎学知识。

(1)学生交互性操作步骤,共12步

步骤序号

步骤目标要求

步骤合理用时

目标达成度赋分模型

步骤满分

成绩类型

1

进入系统模块进行课件学习

5分钟

按照完成度百分比评分

5

操作成绩

实验报告


2

序贯进行视频学习

10分钟

按照完成度百分比评分

5

3

进入虚拟仿真模块选择实验所需场景(脑室/迷路/房水)

1分钟

按照完成度百分比评分

2

4

发育起始点选择(脑泡/耳泡/视泡)

1分钟

按照完成度百分比评分

2

5

发育关键点1(形态变化)

3分钟

按照完成度百分比评分

10

6

发育关键点2(形态变化)

3分钟

按照完成度百分比评分

10

7

发育关键点3(形态变化)

3分钟

按照完成度百分比评分

10

8

旅行路线告警排查

3分钟

按照完成度百分比评分

20

9

发育终点选择(脑室/迷路/眼球)

2分钟

按照完成度百分比评分

3

10

形成整个发育时空旅行总结

4分钟

按照完成度百分比评分

3

11

关键点考核测试

5分钟

按照完成度百分比评分

10

12

复习总结与讨论

5分钟

按照完成度百分比评分

20

(2)交互性步骤详细说明

1、软件启动:双击桌面人体胚胎学虚拟仿真系统图标,运行客户端软件,进入主界面;

2、用户登陆/切换用户:在主界面右上角,用户登陆或者已登路用户切换账户;

3、进入主页面,该页面有:

1)课件学习区:聚焦知识点的总结。

2)视频学习区:与课件内容搭配的视频学习。

3)虚拟仿真区:主要有场景选择、旅行路线、告警排查、关键点测试等四个功能按键组成。

4)功能按键区:对模型主场景和主路线的整体操作。

5)工具栏区:完成虚拟仿真交互的各种操作。

4、先进行课件学习(预习)

5、完成视频学习

6、进入虚拟仿真模块选择实验所需场景:根据实验内容选择:脑室旅行(大脑发育)、迷路旅行(内耳发育)、房水旅行(眼球发育)。

7、再由实验内容进行发育起始点选择:脑泡(大脑发育)、耳泡(内耳发育)、视泡(眼球发育)。

8、在旅行过程中,分别设置了3个关键发育点(也是发育过程中的难点或重要构象点)。

9、若关键点选错,会出现“旅行路线告警排查”提示,需要对路线进行重新定位和选择。

10、到达发育的终点(大脑发育完成,各脑区呈现;内耳发育完成,骨迷路膜迷路呈现;眼球发育完成,眼球壁前方和后方组织学结构呈现)。

11、根据自己的路线形成旅行报告(若出现告警排查,会有排查报告)

12、接受3个关键点进行测试考核,通过考核来明确关键点内容的掌握情况。

13、复习总结与讨论(线上与线下相结合)。

根据是否形成“旅行”报告,有无排查报告,最终测试结果来综合评价实验结论,并基于此进行个性化的复习总结与讨论:

1)“旅行”报告形成,无排查报告,测试结果为优:测试考核完成无错误

2)“旅行”报告形成,无排查报告,测试结果为良:测试考核完成有错误

3)“旅行”报告形成,有排查报告,测试结果为优:测试考核完成无错误

4)“旅行”报告形成,有排查报告,测试结果为良:测试完考核成有错误

5)“旅行”报告未形成,有排查报告,测试结果为“需努力”:实验未完成

6)“旅行”报告未形成,无排查报告,测试结果为“重新旅行”:实验没有实施

根据实验结果与结论,对5)和6)的学生进行线下辅导,确认知识点的理解与掌握;对1)和2)及3)和4)的学生进行线上或线下讨论,鼓励学生对该虚拟仿真系统的细节进行评价,及学生对该系统更新的建议,提交“反馈报告”计入评价分数。最后,归纳师生一线反馈,还可对该虚拟仿真系统进行更新升级。

本项目通过采用图像分割、三维重建等技术构建人大脑发育、眼球发育及内耳发育,结合网络科技手段深度融合于课程教学体系。学生通过Internet网进入“人体胚胎学虚拟仿真实验教学系统”,自主选择实验项目,完成课程学习。“人体胚胎学虚拟仿真实验教学系统”是在网上运行,因此,任何学校、注册的学生都能上网操作该系统。

服务器

CPU双 核、内存16 GB、磁盘500 GB、

显存6 GB、GPU型号RTX2060

操作系统

RWindows Server£Linux£其他

具体版本:

数据库

Mysql、SQL Server


备注说明(需要其他硬件设备或服务器数量多于1台时请说明)

线下虚拟脑操作需要win7或以上、HTCVive头戴式显示器

是否支持云渲染:是

CPU双 核、内存16 GB、磁盘500 GB、

显存6 GB、GPU型号RTX2060

相关实验
团队成员
刘琼|教授博导
负责人

Tel:021-54237019-9208

Email:liuqiong@fudan.edu.cn

研究方向:抑郁症及肥胖的组织学基础与神经炎症机制研究

个人主页:https://basicmed.fudan.edu.cn/anatomy/ba/5e/c36675a440926/page.htm