医学仿真技术范文第1篇

虚拟仿真(VR)即虚拟现实，是一种采用计算机为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生如同真实环境的感受和体验。尽管该环境并不真实存在，但它作为一个逼真的三维环境仿佛就在我们周围。由于用户对计算机环境的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉，用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种全身心投入的感觉状态。

2国内外研究现状

2．1国内研究现状

尽管国内虚拟仿真技术起步较晚，但是随着信息技术在社会各领域中的广泛应用，信息化教学已成为信息技术和信息资源与教学相结合的教学形态，以计算机仿真技术、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的虚拟仿真实验室开始逐步渗透到教学领域。虚拟仿真技术在医学教学及某些医学手术应用领域得到不同程度的应用和研究。在护理学教学中，作为实践性很强的综合性应用学科－护理学基础，其护理专业实践教学约占该课程总学时的一半，也是培养护生临床实践能力的主要途径之一。然而传统的由教师演示－学生练习－教师指导的护理实践教学模式已经不能满足学生的需要，非常有必要对护理实训教学进行改革和创新。随着虚拟仿真技术在一些实践性要求高的专业中的大量应用及研究，国内某些医学院校的护理学基础实验教学也不同程度地开展了仿真技术在护理实践教学中的应用与研究，如高仿真模拟人技术早已投入护理专业实践教学中，并被应用在《内科护理》教学中并收到良好的效果，还有以主要训练护生的单项护理操作技能为目的的专项护理技能训练，如手臂模型可以模拟人类真实的血管，穿刺过程中有落空感和模拟真实血液流出，高级电脑心肺复苏模型可以进行心肺复苏的模拟训练，大小与真人相仿，在操作时可有语音提示和报警声来显示其操作的正确性。虚拟仿真技术还可以使用在一些不宜在真人身上实练(如鼻饲法、导尿术等)的护理实训课的应用。2007年大连大学职业技术学院以“探索出适合中等职业技术教育的网络教学模式，提高中等职业教育运用现代教育技术手段水平”为目的开展的“护理技术模拟教学系统”项目的研发卓有成效，该研发项目提出了包括13个模块，每个模块由教学演示、模拟操作、考核测评三大部分构成的护理技术计算机虚拟仿真实训教学软件系统，该教学软件系统的研发为虚拟仿真技术在护理实训练习中的开展和推广应用提供了参考。2009年贵州遵义医学院护理系进行了护理学基础虚拟实验室的研发，是一次将虚拟仿真技术应用于基础护理实践教学的一种有效尝试，可推广应用于国内各护理院校和各大医院的实验教学和继续教育培训与考核，有着较广阔的应用前景。重庆市卫生学校已经开展并建成仿真急救护理实训室，为其他护理院校提供了可借鉴的急救实训基地模式和实训方法。同时，虚拟仿真技术在职业技能培训中发挥的作用越来越大，也正被广大的职业教育工作者所接受。目前高职院校招生人数逐年增加，学校实验室及传统的教学模式已经远远不能满足师生的需要，寻找一种行之有效的技术手段来缓解传统实践教学模式所带来的压力，是许多高职院校的当务之急，将虚拟仿真技术应用于护理实践教学是解决以上问题的关键，更是培养最优秀的护理毕业生的必由之路。

2．2国外研究现状

美国在培养护生的过程中由于医院及患者等方面的原因，护生在临床实习中很少有机会在患者身上进行练习操作技能，同时护理院校理论课程的增加及实践教学课程的压缩也大大减少了护生们开展实践练习的机会。鉴于此，开展虚拟仿真技术在护理实践教学中的应用也是非常有必要的。美国的虚拟仿真技术在不同行业的运用，包括在护理教学中的应用开展的都比较早。美国纽约州立大学护理学院早在1996年就开展了虚拟仿真技术在静脉输液中的应用研究，虚拟仿真技术在护理实践中的作用是一些模型、录像带等所不能比拟的，后者不能给护生带来真实的感觉，而虚拟仿真可以，并且大大减少了护生在真实的临床护理操作中给患者带来的不适。常用的虚拟仿真技术有两种，身临其境式和非身临其境式，前者技术要求较高，需要利用一些传感工具，如头盔、手套、跟踪器等，让用户置身于虚拟境界中，虽然设备昂贵，但因其具有很逼真的护理情境而对护理教学产生深远的影响，非身临其境式，因其实用性和实惠性被广泛运用到护理教学中。随着从事护理教育的工作人员数量的减少，虚拟仿真技术同样运用在一些护理学远程教学、成人继续教育、护理技能培训等项目。虚拟灾害环境的护理措施的研究更是拓展了虚拟仿真技术在护理教学领域中的运用。20世纪80年代，美国便应用虚拟仿真技术建立了用于考试和教学的临床病例库，即虚拟临床浏览(VCE)。到目前为止，在护理教育领域，虚拟临床浏览系列教学软件和指导手册已发展到覆盖内外科护理学、妇产科护理学、儿科护理学和护理学技术等课程，并且提供网络学习资源。虚拟临床浏览结合护理教科书，建立了虚拟医院，进入虚拟医院，可以学习沟通、记录、评估和安全给药。虚拟医院的建立可以帮助护生熟悉日常护理工作，从而提高临床判断和批判性思维能力。还有已经在英美许多医学院校使用的CathSim静脉穿刺训练系统包括软件和触觉反馈装置即静脉穿刺用的胳膊和一台电脑，可设置在实际工作中可能遇到的不同年龄、血管状况以及疾病严重程度的各类患者。由日本NEC公司研制的“SimCoeur”软件系统可以模拟急诊患者每分钟的临床表现，还可以设置1000余种患者情境，可以使护生面对不同的患者，很好的锻炼了护生的应变能力，并且能够快速地对护生所进行的操作进行反馈。同时该公司研制的“SimNursing”模拟急诊患者软件系统，已于1998年投入日本市场，该软件系统可进行护理程序的模拟训练，学生能按照完整的护理程序对患者进行全程护理。多款软件的研发和应用为虚拟实验室的建设提供了技术支持，其中最有代表性的就是Mathworks公司推出的MAllAB语言，美国NI公司推出的LabVIEW图形化编程语言及美国ELANIX公司推出的SystemView软件。

3发展趋势

医学仿真技术范文第2篇

关键词：计算机仿真；复杂系统；中医学；面向对象程序设计

1计算机仿真技术提供了适合中医学理论的实验室

科学技术的不断进步，推动着整个人类社会的发展，计算机的出现，使人类社会由工业社会向后工业社会——信息社会过渡。我国著名的科学家钱学森说：“我们所设计的信息体系简直可以包括全部人类千百年来创造的、而且还在不断创造的精神财富。而这全部精神财富可以由我们每个人随手调用和享受。这不但是从旧的脑力劳动中解放出来，而且是获得一个伟大的世界，从来未有的高度文化的世界。……人将变得更为聪明，人类的前进步伐更将加快。”这位大科学家以前所未有的高度论述了由计算机引起的这场技术革命。随着计算机技术的发展，一种崭新的学科——仿真学诞生了，从新药品的仿真测试到行星和星系的创生模型，以及计算机化培养皿中生长的数字生命形式，这是一种新的方法，不是基于直接的观察和实验，而是基于从真实空间向虚拟空间的映射。虽然这项工作仍处于起歩阶段，但已足以让每一颗好奇的心欣喜若狂。在这样一个伟大的时代，古老的中医学面临着前所未有的机遇和挑战。怎样将计算机科学与技术融入中医学领域，是一个值得深思和大胆尝试的问题。值得庆幸的是，计算机仿真是建立在复杂系统理论基础上的，而中医学理论所描述的正是这样一个复杂系统。

当伽俐略第一次拿起望远镜仰望太空时，他为人类创造了科学方法，即用实验来检验关于世界如何成其为世界的种种假说。于是有了拥有试管、曲颈瓶和本生灯的化学实验室，用来探测物质内核的价值连城的粒子加速器，以及在任何生物实验室都能看到的解剖青蛙和用显微镜观察植物细胞。然而，这些都是仅适用于简单系统中物质结构研究的实验室。现论物理学家薛定谔（ErwinSchrodinger）在《生命是什么？》一书中写道：“只要我们涉及活物质的结构，我们就必须面对这样一个事实：它是以不能还原成通常的物理学定律的方式起作用的。原因不在于某种‘新的力’或某种类似的东西支配着活的机体中的一个个原子，而是其结构不同于任何我们已从试验室研究中认识的东西。”[1]也正因如此，尤其是对于与西医学思维方式大相径庭的中医学理论，实验室研究一直是一筹莫展，经络实质的研究无功而返，各种“证”的实验模型设计令人啼笑皆非，中药的研究几乎与中医理论毫不相干……中医学所构建的庞大而复杂的系统难以在简单系统的实验室中得到验证，这是不难理解的。计算机仿真学的出现真值得每一位中医界的同仁为此干上一杯，因为这一方法的出现能使中医学多年的“科学梦”成为现实！虽然计算机仿真学正在起步，而这对中医学来说却是难得的机遇，不仅可以揭开其古老而神秘的面纱，而且有望为中医学打开一扇新的大门，开拓更为广阔的发展空间。

而将计算机仿真技术运用于中医学，面向对象程序设计是一个关键环节，下面将面向对象程序设计作一简要介绍。

2面向对象程序设计（OOP）概述

面向对象程序设计简称OOP，是Object-OrientedProgramming的缩写。面向对象是与面向过程相对而言的，传统的程序设计语言,如C语言，是面向过程的结构化程序设计语言，这种语言在20世纪80年代非常流行。随着软件业的发展，软件的规模越来越大，导致软件的生产、调试、维护越来越困难，因而发生了软件危机。人们期待着一种效率更高，更加容易理解，更加符合人类思维习惯的程序设计语言，OOP就是在这种情况下应运而生的。在20世纪90年代，OOP异军突起，成为最有希望，最有活力的程序设计方法。

①面向对象与面向过程的区别

计算机没有思想，人必须明确地告诉它如何运算，每一步做什么。站在这种计算机的角度进行程序设计，就是面向过程的方法。如：用计算机模拟一只猫捉老鼠的过程，程序员必须告诉计算机每一步猫的具体的动作。如果用面向对象的程序设计方法来做，就可以把猫作为一个独立的对象，猫会奔跑，猫会捉老鼠，这些是它的固有属性，被封装在猫这个对象之中，所以，只需给出老鼠出现的信息，猫就会自动去捉。与面向过程相比，面向对象的方法更符合人的思维习惯。②对象与类的概念

对象与类是面向对象方法中的两个基本概念。客观世界中实体的抽象构成对象，任何事物都可以作为一个对象，如一个人、一辆汽车、一个窗口、一个按钮、一座建筑、一项贷款等等。对象的划分和定义是灵活的，视需要而定。具有相同属性和行为的一个或多个对象的集合成为一类。类有层次之别，类下可以有子类，类上可以有父类。如：人可分为男人和女人，男人又可以分为儿童、青年、成年、老年等等。类是对象的抽象，对象是类的实例。类的划分也是灵活的，依需要而定。子类可以作为父类的对象看待。

③对象的特性

对象有以下基本特性：

封装性：对象是相对独立的单元，与之相关的数据和操作被封装在内部，对外是不可见的。对象和对象之间通过信息交换进行联系。如一只花猫，它是一个相对独立的个体，它的机体内包含复杂的结构，而这些结构是不可见的。

继承性：每个对象都从它所属的类中继承共性。如一只花猫，它从猫这一类中继承了猫的共性。

多态性：每个对象都有其特有的属性，使之区别于其它对象。如一只具体的猫，它与其它猫是不同的，有不同色泽、脾气、体重等。

④面向对象方法可以用下列方程式来概括：

OO=Objects+Classes+Inheritance+CommunicationWithMessages

即：面向对象＝对象＋类＋继承＋信息交换

在这里值得注意的是，上面的方程式也可以用作系统的描述，而且容易从中看出简单系统与复杂系统的区别：简单系统通常是少量的个体对象，它们之间的相互作用较弱，甚至可以忽略不计，故而可以作为独立的个体进行研究；而复杂系统中涉及中等数目的对象，不仅如此，对象通常具有智能性与自适应性，它们可以按照各种规则作出决策，随时准备根据接收到的新信息修改自身的行为规则，故而每一个对象不能独立的看待，这正符合了中医学的整体观。

3运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真

①面向对象方法与中医学具有相似的思维方式

假使我们想用传统的面向过程的方法来完成中医学理论的计算机仿真，不仅是一件难以想象的事，而且是不可能的事，对计算机发出人体生理、病理等过程的每一步指令，既使是在分析还原思维方式指导下对人体结构分解得极细，对人体生化过程了解得极为透彻的西医学也无能为力，更何况中医学本身就只重整体，不重结构。而面向对象方法，因其与中医学在思维方式上有惊人的相似之处，使之运用于中医学成为可能，成为对中医学进行计算机仿真的基础。其相似性体现在中医学的整体观与黑箱方法和OOP中的对象的特性及其信息交换上。可以将上文中面向对象方法学的方程式用下图表示：而这正是黑箱方法的图形表达。黑箱方法典型地表现在中医学的藏象学说中。藏象学说是关于人体脏腑功能的学说。古人虽然知道“八尺之士，可以剖而视之。”（《灵枢·胀论》）但又认为“藏府之在胸胁腹里之内，若匣匮之藏禁器也。”（同上）更重要的是，基于不同于西方的思维方式，中国古代对于整体性和运动性的强调，使得中医学未从解剖入手，分析人体的结构、成分，而是以极简单的解剖为基础，构造出了以象为内容的有机的学术体系。由“藏象”之名可知，中医是以现之于外的象来把握藏之于内的脏的，即“执其见功处见其形”，即黑箱方法。对此《灵枢·顺气一是分为四时》中论述道：“内外相袭，若鼓之应桴，响之应声，影之似形。”例如《素问·六节藏象论》对心的描述是这样的：“心者，生之本，神之变也；其华在面，其充在血脉，为阳中之太阳，通于夏气。”其它四脏与此相仿。由此可以看出，这里的心己不是解剖学中的有一定形态结构之心，而是一系列相关的生命活动的表现在人脑中形成的综合的象。它不具有实体性，却正好可以作为面向对象方法学中的一个对象来看待。推而广之，中医学中的其它概念，如气、血、津液、精、神、经络等，都可以作为一个个对象，对象之间通过信息的交换，相互密切联系，从而形成一个复杂系统，中医学的计算机仿真便可由此开始。②中医学的计算机仿真应用前景

用计算机仿真学对中医学中的概念、现象、原理、机制等进行模拟，可以建立各种模型，服务于教学、科研、临床。主要可以用于建设生理模型、病证模型、实验模型。

生理模型：在中医学中五脏、六腑、气、血、津、液、经络、筋、脉、骨、髓等，都可以构成相对独立的对象，赋予每个对象适当的属性，对象具有智能性与自适应性，它们可以按照各自的属性作出决策，并随时准备根据接收到的新信息修改自身的行为规则，它们之间通过信息交换互相联系，构成一个复杂系统，这一复杂系统即人体。在此基础上很容易就可以建立人体的病理模型。下图是生理模型的简单图示，实际中的生理模型还要复杂的多。

（图略）

病证模型：中医学中的证是非常复杂的，也是独具特色的。辨证论治非常灵活，以哮喘为例，说明中医病证模型的组建。哮喘发病，总因本虚标实，其病位虽在肺，但与脾、肾密切相关，先天不足后天失养造成肺、脾、肾不足是哮喘发病的内在原因。正气不足就易感外邪，感邪而产生风、寒、热、痰、湿、瘀、气等诸多病理因素，一些病理因素作用于肺，是发生哮喘的外在原因。如下图所示，运用OOP将各种因素的特性封装起来，作为对象，它们之间相互联系，就可以建造哮喘的病证模型，输入相应的信息，就可以得出诸如肺脾两虚，寒痰蕴肺；肺肾不足，肾不纳气；风寒外束，痰热内阻等证型，有力地指导临床实践。

（图略）

实验模型：正如在汽车研制中需要的碰撞实验可以用计算机模拟代替，中医学中的实验也可以用计算机模拟来代替。这样就可以提高效率，降低消耗。比如可以建立中药模型库、方剂模型库、病因模型库、生理模型库、病证模型库，如下图所示，中药模型库和方剂模型库作用于病证模型库，就可以模拟出对于某种病证的最佳治疗方案，选择最佳药物及最佳方剂。病因模型库作用于生理模型库，生理就可以模拟出在某些致病因素下，人体生理的变化，疾病的发生、发展、及转归。这些都可以为中医学研究工作提供有力的参考。

（图略）

4小结

运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真，不仅可以提高教学、科研、临床的生产力，节省大量的人力、物力、财力，而且可以屏弃简单系统实验室的不足，为中医学提供实验的空间。十六世纪，伽利略通过引入可重复的受控实验室的思想，开创了近代科学的实践，目前这一思想成为判定延续几千年的中医学是否科学的依据，而这一思想的中心在于能够实施一些实验，以检验关于待研究现象的假说。运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真不仅可以对中医学概念、理论、方法的客观性、有效性、实用性进行证实，而且有前瞻性和预测性。

引入计算机仿真技术是中医学科研的大势所趋，也是目前将当代最前沿的信息技术与最古老的中医学相结合的最佳契机,这里有大量的工作尚待有志者去完成。

参考文献：

[1][德]克劳斯·迈因策尔著，曾国屏译.复杂性中的思维.北京：中央编译出版社，2000：111.

作者简介：

李婷（1972-），女，山西人。1993年于南京大学获理学学士学位，1996年于上海中医药大学获中医学第二学士学位，现为南京中医药大学在读硕士研究生。主要从事中医基础理论、中医学方法论、方剂学的研究。

陈晓东（1972-），男，黑龙江人。1993年于南京大学获理学学士学位，1996年于上海中医药大学获中医学第二学士学位，2002年于南京中医药大学获医学硕士学位。

ExplorationofComputerEmulationinTCMTheory

CHENXiao-dong,LITing

医学仿真技术范文第3篇

关键词金属切削加工有限元Deform教学改革

0引言

金属切削加工技术仍然是机械制造行业的主要加工方法。它通过刀具和工件的相互作用去除工件表面的多余材料，以获得理想的加工形状、加工精度和表面质量的工件。因此，金属切削加工技术在本科生的教学工作中占有重要的地位，机械类本科生都开设有关于数控机床、机械加工制造技术等相关课程。随着技术的发展，越来越多的数控仿真软件的出现使本科生在数控机床操作水平上有了很大的提升，但是对金属切削过程中涉及的理论并没有很大改观。现在许多专家学者都对金属切削过程进行了研究，但是由于切削过程的复杂性，还没有统一的理论来解释加工过程中的各种物理现象，这对本科生对加工过程的理解造成了一定的困难。而加工过程仿真技术的出现为这一问题带来了转机，本文主要研究加工过程仿真技术在演示切削加工过程方面对于本科生教学工作的帮助。

1有限元仿真技术

有限单元法（FiniteElementMethod,FEM）是一种以计算机为手段，通过离散化将研究对象变换成一个与原结构近似的数学模型，再经过一系列规范化的步骤以求解应力，应变和位移等参数的数值计算方法。它是一种通用的近似计算方法，也是解决工程实际问题的强有力的数值计算工具。目前，有限元法在航空，航天，机械，汽车，铁路，船舶，交通，建筑，电子，地质矿产，水利水电，石油化工，生物医学以及科学研究领域得到了非常广泛的应用，并越来越受到业界的高度重视。现在较为流行的有限元分析软件有ANSYS、ABAQUS、Deform和AdvantEdge等，这些软件对研究金属切削过程中的温度、切屑形状、刀具应力等提供了良好的前后处理和求解环境。各个有限元软在单元、建模、材料模型和自适应网格能力等方面具有各自的特点和优势。因此为了有效地模拟切削过程中所关心的方面和问题，需要综合考虑分析问题的难易程度和仿真结果表现形式等多方面的因素，合理地选择有限元分析软件。

2加工仿真实验平台建设

2.1系统组成

该实验平台由一台小型车床和自组的小型铣床以及装有Deform软件的微机组成。车床和铣床的作用在于演示车刀和铣刀与工件作用的物理过程，观察特定加工条件下的切屑和工件表面状态，同时也是有限元的仿真数据（如刀具尺寸，切深、背吃刀量等）的来源，仿真结果实际上相当于对实际物理过程的一个“慢放”，让学生能够仔细观察刀具去除多余材料的过程，明白其作用机理。Deform软件是SFTC公司生产的一款商业有限元软件，它专注于金属成型和加工工艺过程的仿真，可以实现车、铣、钻、锻压等多种加工形式的仿真，同时也可以对材料的正火、退火、淬火等工艺流程进行仿真分析。它的优点如下：

（1）界面交互性好，与其他有限元软件相比，Deform软件为用户考虑，在一个界面就可以定义好所有需要参数，设置参数的位置清楚明了。

（2）操作性好。Deform软件包含了大量的材料库，材料数据不必再自己去寻找，而且设定网格数量后可以自动划分网格，在运行过程中出现大的变形量（如切屑去除过程）时可自动的进行网格的重划分，不需要人工干预。相比于其他的有限元软件，Deform在前处理过程中可以自动定义物体的边界条件，需要设定的参数量很少。

（3）后处理功能丰富。具有点迹示踪、变形、云图、矢量图、力—行程曲线等多种功能，而且具有2D的切片功能，可以显示工件或者刀具的剖面结果。因此选择Deform作为有限元分析软件，但是必须提前用CAD软件绘制好刀具和工件的三维模型，然后导入Deform进行分析。

2.2试验台在教学中的作用

本科生课程中的金属加工常常以车削为例，讲解前刀面、后刀面以及各个倾角对加工过程的影响，这些知识理论性太强，学生看到这些内容并不能与真正的加工过程联系起来，因此对这一部分的知识总是抱着死记硬背的态度，并没有认真对待。而有的学校有条件带学生参观真正的加工过程，但是由于机床转速过高，加工过程很快就完成了，人肉眼无法观察清楚整个过程，人靠近观察还有可能产生一定的危险，而且耗费加工材料和刀具，针对上述情况，有限元仿真是一个较好解决该问题的方法。有限元仿真是对实际过程的近似，只要输入正确的模拟参数，其结果与实际过程极为接近。该实验平台将仿真过程与实际加工过程相结合，由老师选定加工工况，通过有限元仿真的结果演示，让学生明白加工过程是如何运作的，然后再用实际加工过程作对比，达到验证的目的。

2.3实验平台建设实践

2.3.1实验手册的编写

由于金属加工过程涉及到很多的影响因素，而且仿真计算过程花费时间过长，授课老师并不能在短短的课堂上一一呈现，因此将仿真的过程建立成为实验手册，分别对不同的影响因素进行仿真，由老师演示一部分，另外的部分由学生自行根据手册进行仿真学习，在熟悉有限元软件的过程中了解有限元解决实际问题的过程。

2.3.2助教的设立

由于有限元仿真软件需要一定时间的学习，授课老师可能没有时间，或者与该研究方向不相符，因此需要设立助教进行有限元软件的操作及课堂演示视频的制作。助教可以由研究金属加工有限元仿真方向的研究生或者由授课老师设立专人来担任。助教首先要熟悉有限元软件的操作过程，然后与授课老师进行沟通，针对本科教学的授课目的，选择具有代表性的工况进行有限元仿真，并将结果做成演示视频等易于在课堂展示的方式。对于操作过程中遇到的问题要做到心中有数，同时做好与同学的交流工作，能够积极回答学生的疑问。

3加工仿真技术本科生教学实践的思考

加工过程仿真技术是对本科生在金属切削加工教学方面的一个说明和补充，可以生动形象地说明金属切削过程中刀具和工件相互作用的过程和机理，改变以往公式加配图的教学方式，使整个课本“动”起来，更能激发出学生的好奇心和学习兴趣，同时提升学生对加工过程仿真技术的应用，确立学生以加工过程仿真技术辅助学习的方法。由于实验平台建设时间较短，在整个实践过程中仍有许多值得我们思考的地方。

3.1应用扩展

（1）有限元仿真技术对于本科生来说是一个演示说明的过程，但是对于研究生来说是进行研究的一个必不可少的手段。但是研究生有需求时常独立进行摸索学习，效率低而且耗费时间，许多疑问也得不到解答。因此对于研究金属加工过程的研究生来说，也可以组织起来进行有限元仿真软件的操作教学，帮助他们快速熟悉掌握该软件，尽快进入研究工作。

（2）通过blackboard平台建立与学生交流的通道，可以在平台上放置一些仿真过程的演示视频，帮助学生进行实验的学习，同时在平台上建立与学生交流的通道，学生在使用仿真软件过程中遇到的问题或者在学习上遇到的问题都可以与助教进行沟通，对于学生的要求，助教进行汇总后与授课老师合作，改进课程教学计划，使教学过程更进一步。

3.2下一步的工作

有限元方法的优点是对过程的离散化，可将每一步清晰的表现出来，但是这也注定了有限元的求解过程比较缓慢，并不适合当场演示操作过程，只能对仿真的结果进行加工制作，制作成视频等这些易于演示的方式，导致效率低下，不能对金属切削加工的所有情况进行演示。针对这种情况可以发动本科学生中对有限元仿真比较感兴趣的学生，或者实验做得比较好的学生做一些特定条件下的加工仿真操作，吸收到教学演示过程中，可安排这些学生进行相应章节的讲解等教学工作。Deform是一款功能强大的软件，观察仿真结果时还伴随着很多的数据，这些数据并没有在教学工作中得到很好地利用，比如切削温度分布图、应力应变分布图、速度分布图等，这些都应该加以合理的应用，融入到教学工作中来。

4结束语

加工仿真技术是以有限元仿真技术为核心，以提升学生对金属切削加工过程的理解为目的而建立起来的，并与本科的教学工作相互补充，使学生在学习理论的基础上对加工过程有一个清晰的认识，并提升学生对于有限元分析方法的认识，增强学生用有限元方法解决问题的能力。该课程改革仍处在探索研究阶段，可以根据课程需要和教学目的的不同进行调整，在本科生教学工作中必将发挥更大的作用。

参考文献

[1]王晓军.航空航天结构中有限元方法理论与实践的教学衔接.科教导刊,2012.

[2]李伟民.deform5.03金属成形有限元分析实例指导教程.机械工业出版社,2007.

[3]徐看.金属切削过程有限元仿真技术研究.工具技术,2013.

[4]魏保立.数控加工仿真软件在教学中的合理应用.科技信息,2008.

医学仿真技术范文第4篇

1计算机仿真技术提供了适合中医学理论的实验室

科学技术的不断进步，推动着整个人类社会的发展，计算机的出现，使人类社会由工业社会向后工业社会——信息社会过渡。我国著名的科学家钱学森说：“我们所设计的信息体系简直可以包括全部人类千百年来创造的、而且还在不断创造的精神财富。而这全部精神财富可以由我们每个人随手调用和享受。这不但是从旧的脑力劳动中解放出来，而且是获得一个伟大的世界，从来未有的高度文化的世界。……人将变得更为聪明，人类的前进步伐更将加快。”这位大科学家以前所未有的高度论述了由计算机引起的这场技术革命。随着计算机技术的发展，一种崭新的学科——仿真学诞生了，从新药品的仿真测试到行星和星系的创生模型，以及计算机化培养皿中生长的数字生命形式，这是一种新的方法，不是基于直接的观察和实验，而是基于从真实空间向虚拟空间的映射。虽然这项工作仍处于起歩阶段，但已足以让每一颗好奇的心欣喜若狂。在这样一个伟大的时代，古老的中医学面临着前所未有的机遇和挑战。怎样将计算机科学与技术融入中医学领域，是一个值得深思和大胆尝试的问题。值得庆幸的是，计算机仿真是建立在复杂系统理论基础上的，而中医学理论所描述的正是这样一个复杂系统。

当伽俐略第一次拿起望远镜仰望太空时，他为人类创造了科学方法，即用实验来检验关于世界如何成其为世界的种种假说。于是有了拥有试管、曲颈瓶和本生灯的化学实验室，用来探测物质内核的价值连城的粒子加速器，以及在任何生物实验室都能看到的解剖青蛙和用显微镜观察植物细胞。然而，这些都是仅适用于简单系统中物质结构研究的实验室。现论物理学家薛定谔（ErwinSchrodinger）在《生命是什么？》一书中写道：“只要我们涉及活物质的结构，我们就必须面对这样一个事实：它是以不能还原成通常的物理学定律的方式起作用的。原因不在于某种‘新的力’或某种类似的东西支配着活的机体中的一个个原子，而是其结构不同于任何我们已从试验室研究中认识的东西。”[1]也正因如此，尤其是对于与西医学思维方式大相径庭的中医学理论，实验室研究一直是一筹莫展，经络实质的研究无功而返，各种“证”的实验模型设计令人啼笑皆非，中药的研究几乎与中医理论毫不相干……中医学所构建的庞大而复杂的系统难以在简单系统的实验室中得到验证，这是不难理解的。计算机仿真学的出现真值得每一位中医界的同仁为此干上一杯，因为这一方法的出现能使中医学多年的“科学梦”成为现实！虽然计算机仿真学正在起步，而这对中医学来说却是难得的机遇，不仅可以揭开其古老而神秘的面纱，而且有望为中医学打开一扇新的大门，开拓更为广阔的发展空间。

而将计算机仿真技术运用于中医学，面向对象程序设计是一个关键环节，下面将面向对象程序设计作一简要介绍。

2面向对象程序设计（OOP）概述

面向对象程序设计简称OOP，是Object-OrientedProgramming的缩写。面向对象是与面向过程相对而言的，传统的程序设计语言,如C语言，是面向过程的结构化程序设计语言，这种语言在20世纪80年代非常流行。随着软件业的发展，软件的规模越来越大，导致软件的生产、调试、维护越来越困难，因而发生了软件危机。人们期待着一种效率更高，更加容易理解，更加符合人类思维习惯的程序设计语言，OOP就是在这种情况下应运而生的。在20世纪90年代，OOP异军突起，成为最有希望，最有活力的程序设计方法。

①面向对象与面向过程的区别

计算机没有思想，人必须明确地告诉它如何运算，每一步做什么。站在这种计算机的角度进行程序设计，就是面向过程的方法。如：用计算机模拟一只猫捉老鼠的过程，程序员必须告诉计算机每一步猫的具体的动作。如果用面向对象的程序设计方法来做，就可以把猫作为一个独立的对象，猫会奔跑，猫会捉老鼠，这些是它的固有属性，被封装在猫这个对象之中，所以，只需给出老鼠出现的信息，猫就会自动去捉。与面向过程相比，面向对象的方法更符合人的思维习惯。

②对象与类的概念

对象与类是面向对象方法中的两个基本概念。客观世界中实体的抽象构成对象，任何事物都可以作为一个对象，如一个人、一辆汽车、一个窗口、一个按钮、一座建筑、一项贷款等等。对象的划分和定义是灵活的，视需要而定。具有相同属性和行为的一个或多个对象的集合成为一类。类有层次之别，类下可以有子类，类上可以有父类。如：人可分为男人和女人，男人又可以分为儿童、青年、成年、老年等等。类是对象的抽象，对象是类的实例。类的划分也是灵活的，依需要而定。子类可以作为父类的对象看待。

③对象的特性

对象有以下基本特性：

封装性：对象是相对独立的单元，与之相关的数据和操作被封装在内部，对外是不可见的。对象和对象之间通过信息交换进行联系。如一只花猫，它是一个相对独立的个体，它的机体内包含复杂的结构，而这些结构是不可见的。

继承性：每个对象都从它所属的类中继承共性。如一只花猫，它从猫这一类中继承了猫的共性。

多态性：每个对象都有其特有的属性，使之区别于其它对象。如一只具体的猫，它与其它猫是不同的，有不同色泽、脾气、体重等。

④面向对象方法可以用下列方程式来概括：

OO=Objects+Classes+Inheritance+CommunicationWithMessages

即：面向对象＝对象＋类＋继承＋信息交换

在这里值得注意的是，上面的方程式也可以用作系统的描述，而且容易从中看出简单系统与复杂系统的区别：简单系统通常是少量的个体对象，它们之间的相互作用较弱，甚至可以忽略不计，故而可以作为独立的个体进行研究；而复杂系统中涉及中等数目的对象，不仅如此，对象通常具有智能性与自适应性，它们可以按照各种规则作出决策，随时准备根据接收到的新信息修改自身的行为规则，故而每一个对象不能独立的看待，这正符合了中医学的整体观。

3运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真

①面向对象方法与中医学具有相似的思维方式

假使我们想用传统的面向过程的方法来完成中医学理论的计算机仿真，不仅是一件难以想象的事，而且是不可能的事，对计算机发出人体生理、病理等过程的每一步指令，既使是在分析还原思维方式指导下对人体结构分解得极细，对人体生化过程了解得极为透彻的西医学也无能为力，更何况中医学本身就只重整体，不重结构。而面向对象方法，因其与中医学在思维方式上有惊人的相似之处，使之运用于中医学成为可能，成为对中医学进行计算机仿真的基础。其相似性体现在中医学的整体观与黑箱方法和OOP中的对象的特性及其信息交换上。可以将上文中面向对象方法学的方程式用下图表示：而这正是黑箱方法的图形表达。黑箱方法典型地表现在中医学的藏象学说中。藏象学说是关于人体脏腑功能的学说。古人虽然知道“八尺之士，可以剖而视之。”（《灵枢·胀论》）但又认为“藏府之在胸胁腹里之内，若匣匮之藏禁器也。”（同上）更重要的是，基于不同于西方的思维方式，中国古代对于整体性和运动性的强调，使得中医学未从解剖入手，分析人体的结构、成分，而是以极简单的解剖为基础，构造出了以象为内容的有机的学术体系。由“藏象”之名可知，中医是以现之于外的象来把握藏之于内的脏的，即“执其见功处见其形”，即黑箱方法。对此《灵枢·顺气一是分为四时》中论述道：“内外相袭，若鼓之应桴，响之应声，影之似形。”例如《素问·六节藏象论》对心的描述是这样的：“心者，生之本，神之变也；其华在面，其充在血脉，为阳中之太阳，通于夏气。”其它四脏与此相仿。由此可以看出，这里的心己不是解剖学中的有一定形态结构之心，而是一系列相关的生命活动的表现在人脑中形成的综合的象。它不具有实体性，却正好可以作为面向对象方法学中的一个对象来看待。推而广之，中医学中的其它概念，如气、血、津液、精、神、经络等，都可以作为一个个对象，对象之间通过信息的交换，相互密切联系，从而形成一个复杂系统，中医学的计算机仿真便可由此开始。

②中医学的计算机仿真应用前景

用计算机仿真学对中医学中的概念、现象、原理、机制等进行模拟，可以建立各种模型，服务于教学、科研、临床。主要可以用于建设生理模型、病证模型、实验模型。

生理模型：在中医学中五脏、六腑、气、血、津、液、经络、筋、脉、骨、髓等，都可以构成相对独立的对象，赋予每个对象适当的属性，对象具有智能性与自适应性，它们可以按照各自的属性作出决策，并随时准备根据接收到的新信息修改自身的行为规则，它们之间通过信息交换互相联系，构成一个复杂系统，这一复杂系统即人体。在此基础上很容易就可以建立人体的病理模型。下图是生理模型的简单图示，实际中的生理模型还要复杂的多。

（图略）

病证模型：中医学中的证是非常复杂的，也是独具特色的。辨证论治非常灵活，以哮喘为例，说明中医病证模型的组建。哮喘发病，总因本虚标实，其病位虽在肺，但与脾、肾密切相关，先天不足后天失养造成肺、脾、肾不足是哮喘发病的内在原因。正气不足就易感外邪，感邪而产生风、寒、热、痰、湿、瘀、气等诸多病理因素，一些病理因素作用于肺，是发生哮喘的外在原因。如下图所示，运用OOP将各种因素的特性封装起来，作为对象，它们之间相互联系，就可以建造哮喘的病证模型，输入相应的信息，就可以得出诸如肺脾两虚，寒痰蕴肺；肺肾不足，肾不纳气；风寒外束，痰热内阻等证型，有力地指导临床实践。

（图略）

实验模型：正如在汽车研制中需要的碰撞实验可以用计算机模拟代替，中医学中的实验也可以用计算机模拟来代替。这样就可以提高效率，降低消耗。比如可以建立中药模型库、方剂模型库、病因模型库、生理模型库、病证模型库，如下图所示，中药模型库和方剂模型库作用于病证模型库，就可以模拟出对于某种病证的最佳治疗方案，选择最佳药物及最佳方剂。病因模型库作用于生理模型库，生理就可以模拟出在某些致病因素下，人体生理的变化，疾病的发生、发展、及转归。这些都可以为中医学研究工作提供有力的参考。

（图略）

4小结

运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真，不仅可以提高教学、科研、临床的生产力，节省大量的人力、物力、财力，而且可以屏弃简单系统实验室的不足，为中医学提供实验的空间。十六世纪，伽利略通过引入可重复的受控实验室的思想，开创了近代科学的实践，目前这一思想成为判定延续几千年的中医学是否科学的依据，而这一思想的中心在于能够实施一些实验，以检验关于待研究现象的假说。运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真不仅可以对中医学概念、理论、方法的客观性、有效性、实用性进行证实，而且有前瞻性和预测性。

引入计算机仿真技术是中医学科研的大势所趋，也是目前将当代最前沿的信息技术与最古老的中医学相结合的最佳契机,这里有大量的工作尚待有志者去完成。

医学仿真技术范文第5篇

关键词：疫情;护理学基础;实验课程;线上教学

2020年至今，随着病毒肺炎疫情的不断变化，全国高校积极响应，全面落实教育部“停课不停教、停课不停学”的要求，制定方案并开展线上教学工作。现阶段，我国信息技术的发展以及对教育领域的大力投入已经能充分满足理论课程的线上教学，但实践性很强的实验课程在疫情期间开展存在一定难度。笔者将从课前、课中、课后三个角度介入，以“线上＋线下”的方式对护理学基础实验课程的教学进行研究。

一、疫情下护理学基础实验课程教学开展困境

《护理学基础》是护理专业课程培养体系中的核心课程之一，是该专业学生学习临床护理基本理论知识、基本操作技能的必修课程①。学习本课程旨在培养具有良好职业素质和职业能力的高技能型护理专业人才。这门课程的学习需要理论联系实际，操作性要求高，重在培养学生的临床实践能力，为以后的护理临床见习及就业奠定基础。护理学理论课程利用腾讯会议、钉钉等多种线上教学平台基本可以保证教学进度及教学质量，但是实验课程与理论课程不同，涉及各种用物的准备、使用和学生实际操作能力的训练等。传统的护理学基础实验课程的教学方法是教师示教、学生分组练习、教师纠错指导、实验考核、教师评价总结，但在疫情期间学校延期开学、学生停课在家，传统的教学方式显然是不能正常开展的。若等到疫情结束再开展实验教学，一方面学生会遗忘理论知识，理论和实际操作不能很好地结合；另一方面开学后还有后续的教学计划要开展，疫情期间未修的实验课太多，开学后在很短的时间内补修实验课会导致学习效果大大降低。此外，对于要参与临床见习的学生来说，开学后没有时间补修实验课。因此，疫情期间护理实验教学该如何既保证进度又保证质量的开展显得尤为重要。

二、构建线上护理学基础实验课程教学

如今线上教学被广泛应用、优势明显。线上教学为理论类课程的学习搭建了良好的平台，相比之下，对于实验类课程的开展却有诸多不便。笔者尝试从以下角度介入构建线上护理学基础实验课程教学：课前，录制护理学基础实验操作视频，这种辅助教学形式能够实现实验目的、操作步骤、注意事项的全面讲解，能让学生有效地进行课前预习；课中，利用钉钉直播、腾讯会议等在线平台给学生讲授相关的护理理论知识以及演示实验操作，以此实现老师与学生的互动教学；课后，利用虚拟仿真技术教学系统进行巩固练习，提高教学效果。如广西某医学院校将虚拟仿真训练系统用于基础护理学实践教学②，不但提高了教学质量而且教学效果良好。

（一）录制护理学实验操作视频。录制操作指导视频这种教学方法在传统护理实验教学中也常被运用。无论是在上课前还是在开展理论课程时，利用录制好的操作视频能更好地贴近实际、还原实验本身，有利于提升教学质量和授课效果，也能帮助学生针对性地理解并掌握整个实验过程和所涉及的知识点。为保证教学效果，护理教师在录制视频前需认真备课、精心设计教学过程、统一实验操作标准、针对性地演示实验操作等，对细微的护理操作可局部放大录制，比如静脉留置针操作。将录制好的实验指导视频在每次操作课上课前上传到教学平台，供学生反复观看，通过操作视频使实验教学过程更加直观生动，以此激发学生学习的主动性、积极性。

（二）线上直播授课。目前在线教育平台兴起，钉钉等线上直播教学平台因具备考勤打卡、会议电视、连麦、回放、共享文档等功能，在直播授课中互动效果良好，还原了传统教学的真实感。此外，线上直播授课，学生人数不受限制，老师还可以通过共享屏幕来直播授课，在这一过程中会自动录制直播视频，便于学生反复观看，从而加深对知识点的深入理解。特殊时期，部分护理学基础实验课程可以采用这种方式直播教学，比如口腔护理这节内容，教师在线上教学平台讲授完基本理论知识后，可用口腔模型教具向学生演示整个护理过程，通过现场提问、弹幕交流等方式，让学生有效完成知识点的学习。

（三）虚拟仿真实验教学。传统的实验教学与计算机虚拟仿真技术的结合使虚拟仿真技术教学应运而生。虚拟仿真（VirtualSimulation,VR），即以计算机为核心，运用现代高科技手段生成逼真的集视觉、听觉、触觉于一体的虚拟环境，用户通过设备操作虚拟环境中的对象，与其交互、相互影响，从而产生如同在真实环境中的感受和体验③。1996年，美国纽约州立大学护理学院已将虚拟仿真技术应用在静脉输液实验教学中④，相比之下，虚拟仿真技术在我国基础护理实验教学中的运用起步相对较晚。将虚拟仿真技术运用到护理学基础实验教学中，不仅能模拟真实实验环境，而且能满足学生的基础性技能训练，从而提高教学效果。李红梅等⑤将虚拟仿真教学系统运用于基础护理教学中，根据不同操作的难度设置任务和关卡，让学生身临其境地对不同病例作出判断并给予操作。实验结果表明，这种新型教学方式可以促进教学模式的更新并能有效地提高教学质量和教学效果。赵雅宁等⑥利用河北联合大学的虚拟仿真系统也得到了同样的结论。护理专业学生的培养注重操作技能的训练，在实际教学中，由于实验设备不足、师资力量薄弱和学生数量多等因素，极大地制约了学生动手能力、创新能力和临床思维能力的培养。疫情期间，学校延期开学、学生停课在家，虚拟仿真教学系统能够有效地缓解护理实验教学困境，学生可在虚拟仿真教学系统中练习操作技能，做好课后巩固训练。

三、线下护理学基础实验课程教学

疫情期间，录制播放护理操作指导视频能让学生有效地进行课前预习，线上直播授课实现了老师与学生之间的互动教学，虚拟仿真实验教学有助于学生课后复习。虽然这些辅助教学手段有一定的效果，但与真实的临床操作相比还是存在一定的差别。比如虚拟仿真教学，学生在操作时不能与患者进行人际沟通，在鼻饲、导尿、灌肠等操作中无法了解患者的感受，不利于学生掌握最真实的情况。同时，线上学习对学生的自律性要求高，对学习主动性低、积极性不高的学生缺乏监督，难以保证其学习质量。疫情缓解后，学生返回学校，教师应从实验中精选学生必须掌握的实验内容进行实地巩固练习，由于前期线上教学的铺垫，学生在实验课堂上有充足的时间进行练习，教师可针对性地巡视纠错指导。课后学生还可以通过业余时间到开放实验室练习操作。最终教师对必要的实验补充线下实操考核，通过“线上＋线下”的结果进行综合评价。后续学生通过临床见习提升操作技能水平，加强人际沟通，最终成长为合格的护理人才。

四、总结与展望