CC BY
76
НОВЫЕ МЕТОДЫ ВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА*
О.В. Игумнова, Е.М. Шимкевич, Д.А. Ананьин,
К.Б. Гордон, Е.А. Лукьянова,
В.Д. Проценко
Кафедра медицинской информатики Медицинский факультет Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 8, Москва, Россия, 117198
Образовательный потенциал медико-биологических лабораторий российских медицинских вузов не реализуется в полной мере. Актуальным вопросом медицинского образования является дополнение и замена проводимых лабораторных экспериментов виртуальными практикумами, для чего необходима разработка принципиальных подходов к моделированию виртуальной медико-биологической лаборатории.
Ключевые слова: имитационное моделирование, виртуальная медико-биологическая лаборатория, информационно-образовательная среда, медико-биологический эксперимент.
В общем виде медико-биологическая лаборатория (МБЛ) представляет собой часть учебно-материальной базы медицинского учебного заведения, связанную с другими ее составными частями (учебные аудитории, музей, учебные экспонаты, технические средства обучения) и органично дополняющую их в рамках информационно-образовательной среды (ИОС) в обеспечении достижения целей учебного процесса в соответствии с определенными государственными образовательными стандартами и требованиями к профессиональной подготовленности специалиста.
В медицинской литературе вопросам организации МБЛ и определению корректного научно-методического подхода к организации и разработке медико-биологических лабораторных практикумов и отдельных экспериментов не уделяется должного внимания. Более того, на настоящий момент не существует четких общепринятых требований к организации, оснащенности МБЛ и обязательному набору проводимых в ней экспериментов.
Обязательным требованием к организации МБЛ является соответствие правилам и нормам охраны туда, техники безопасности и противопожарной защиты. Оснащенность лаборатории и принятый набор проводимых экспериментов в каждом конкретном случае определяется методическими традициями, сложившимися на кафедре, и ее реальными возможностями, ограниченными числом учебных часов, состоянием лабораторного оснащения, подготовленностью педагогических кадров, финансовыми возможностями и рядом других факторов. Зна-
* Данная работа выполняется в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы», мероприятие 1.2.2.
чительную часть ограничений на применение лабораторных работ в образовании студентов-медиков может снять их реализация в виде управляемых имитационных моделей экспериментов на основе реальных данных, накопленных ранее.
В связи с этим остро встает вопрос определения основных подходов и принципов разработки медико-биологического эксперимента (МБЭ) с целью его воспроизведения путем моделирования в виртуальной медико-биологической лаборатории (ВМБЛ) [1, 2]. Разработка принципиальных подходов позволит обоснованно определять выбор методов и «глубины» моделирования и визуализации МБЭ с точки зрения их соответствия целям и задачам лабораторной работы.
С этой целью нами были проанализированы лабораторные практикумы и методические указания к проведению МБЭ, разработанные в разные годы на кафедрах медицинского факультета РУДН и других российских вузов. Проведенный анализ позволил выявить общие черты в организации МБЛ и предложить ее принципиальную модель.
На наш взгляд, с точки зрения моделирования ВМБЛ можно представить как среду виртуальной реальности, в которой и с помощью элементов которой осуществляется управление экспериментом над исследуемым объектом. Среда виртуальной реальности соответствует рабочему месту экспериментатора (студента), оснащенному лабораторным оборудованием и расходными материалами, исследуемый объект — объекту исследования в реальной лаборатории, а управление экспериментом воссоздает ход реального опыта.
Рассматривая МБЛ с этой точки зрения, нами предлагается разработка учебной ВМБЛ не в виде готового практикума, состоящего из конечного набора моделей опытов, конкретных экспериментальных задач с алгоритмизированным и предопределенным путем их решения, а как модель среды деятельности, в которой возможно осуществление широкого спектра экспериментальных воздействий на модели изучаемых объектов.
С этих позиций ВМБЛ как программный продукт должна выполнять следующие основные функции [3]:
— моделирование поведения изучаемых объектов и среды эксперимента;
— визуализация изучаемых объектов и среды эксперимента, имитация воздействий на них со стороны экспериментатора;
— организация и управление лабораторной работой, экспериментом.
Модель среды проведения эксперимента в ВМБЛ должна отражать рабочее
место экспериментатора, оснащенное в соответствии с целями и задачами лабораторной работы. В общем случае МБЛ оснащена лабораторной мебелью, лабораторным оборудованием, мелким инвентарем и расходными материалами. Виртуальная лаборатория позволяет использовать модели самых современных образцов, позволяющих реализовывать новейшие научные методы проведения исследований. Оснащение и оборудование ВМБЛ включает в себя:
Лабораторную мебель, соответствующую современным требованиям безопасности и эргономичности. В зависимости от задачи эксперимента визуализация лабораторных столов, шкафов, стоек и пр. осуществляется в трехмерной или
двумерной проекции. Модель элементов лабораторной мебели должна предусматривать возможность свободного размещения на ее поверхностях лабораторных материалов, оборудования, исследуемых объектов.
Мелкий инвентарь лаборатории, представленный:
— лабораторной посудой, модель которой характеризуется максимальной вместимостью (объемом);
— инструментами, выполняющими функции манипуляторов, дозаторов и/или измельчителей (пинцеты, скальпели, шпатели, шприцы, дозаторы, пипетки, предметные стекла, газоотводные трубки и пр.). Модели таких объектов характеризуются классами возможных действий над расходными материалами или исследуемыми объектами в зависимости от их природы.
Расходные материалы, представленные:
— перевязочными материалами;
— химическими веществами (реактивами, медицинскими препаратами, растворителями и т.п.), характеризующимися различными классами взаимодействия друг с другом и с исследуемыми объектами. В случае принципиальной зависимости исхода эксперимента от результата воздействия объекта данного класса на исследуемый объект следует описывать возможные взаимодействия математической моделью с учетом кинетики и стехиометрии протекающей химической реакции. В остальных случаях достаточно использовать базы данных результатов такого взаимодействия;
— питательными средами, характеризующимися возможными взаимодействиями с исследуемыми объектами в различных условиях культивирования.
Лабораторное оборудование, которое может включать:
— термическое оборудование (сушильные шкафы, электропечи, термостаты, стерилизаторы, спиртовки), манипулирование которым позволяет задать значение температуры как внешнего параметра моделируемой системы;
— весовую технику, отображающую массу взвешиваемых объектов;
— микроскопы, позволяющие изменять масштаб изображений исследуемых объектов, передвигать изображения в поле зрения, осуществлять расчеты и измерения, обеспечиваемые современной микроскопической техникой;
— спектрометрическое оборудование (спектрометры, флуориметры, фотометры, фотоколориметры), предоставляющее спектрографические данные для исследуемых образцов;
— хроматографическое оборудование, позволяющее определять качественный состав проб;
— электрохимическое и измерительное оборудование (вольтамперические анализаторы, рН-метры, ионометры, кондуктометры, рефрактометры, сахариметры, поляриметры, термометры и пр.), отображающее количественные параметры исследуемого объекта.
Защитные средства и специальное оборудование, наличие которого в лаборатории необходимо при проведении опасных опытов, подразумевает: защитные костюмы, очки, перчатки, респираторы, вытяжные шкафы и пр. Включение таких
объектов в ВМБЛ обосновано, если в цели и задачи работы входит отработка или закрепление правил безопасности при проведении определенного класса опытов. Выполнение поставленных задач с помощью таких объектов возможно либо в виде осуществления допуска к проведению опыта в лаборатории только после осуществления с ними необходимых действий (выработка навыков), либо в виде прекращения работы экспериментатора в лаборатории через определенное время с начала эксперимента вследствие «нанесения вреда здоровью» экспериментатора (закрепление навыков).
МБЛ охватывает широкий спектр исследуемых объектов. В зависимости от цели МБЭ объекты исследования предлагается разделить на объекты статического и динамического моделирования.
Объектами статического моделирования являются неживые объекты, представленные гистологическими, костными и влажными анатомическими препаратами, культурами тканей, клеток, микроорганизмов и пр. Такие объекты исследуются в ходе статического МБЭ, предметом изучения которого является структура объекта, методы подготовки биологического материала для получения препаратов. Такие эксперименты характерны для морфологических дисциплин (нормальная и патологическая анатомия, гистология, цитология и др.). Цели и задачи эксперимента заключаются в научении уверенно распознавать изучаемый объект в его основной форме и в возможных вариациях, овладении медицинской терминологией, связанной с обозначением изучаемого объекта и его структурных элементов, осознании влияния структуры объекта на выполняемую им функцию.
Если учесть, что данные объекты статичны и их состояние мало меняется во времени, то их имитационное моделирование не предполагается возможным. В связи с этим предлагается в ВМБЛ использовать базы изображений соответствующих препаратов с неизменной структурой каждого отдельного образца, но с возможностью изменения качества его отображения (плотность, насыщенность, характер окраски, контрастность изображения) в зависимости от осуществленных экспериментатором над препаратом операций, например, способа фиксации материала, условий окрашивания образца, гистохимических свойств выбранного красителя и т.д..
Объекты динамического моделирования представлены живыми объектами и системами от клеточного до популяционного уровня. Такие объекты исследуются в ходе динамического МБЭ, предметом изучения которого является определенная функция исследуемого объекта, закономерности его поведения, течения изучаемых процессов. Динамические опыты проводят в лабораториях нормальной и патологической физиологии, биохимии, иммунологии, аллергологии и др. Цели и задачи эксперимента заключаются в изучении закономерностей процессов, протекающих в исследуемом объекте на физиологическом уровне и при воздействии патогенных факторов.
В ходе эксперимента исследуется поведение системы или объекта, процесс, зависящий от множества параметров, что подразумевает необходимость разра-
ботки моделей протекания изучаемых процессов, а также мощных средств визуализации наблюдаемых изменений в ходе и результате эксперимента.
Очевидно, что для большого количества лабораторных экспериментов необходимо предусмотреть возможность предоставления как динамической, так и статической модели объекта исследования на разных стадиях эксперимента. Такое сочетание двух подходов к моделированию необходимо для постановки смешанного (комбинированного) МБЭ, направленного на изучение взаимного влияния особенностей морфологического строения исследуемого объекта и характера его функционирования (микробиология, паразитология и др.).
Таким образом, ВМБЛ, программно реализованная в виде среды виртуальной реальности, предоставляющей возможность постановки статических, динамических и комбинированных МБЭ методами имитационного моделирования, адекватно отражает и дополняет реальную МБЛ.
Предложенная структура ВМБЛ обеспечивает высокую вариативность условий, средств и методов проведения эксперимента, возможность выбора методики и инструментария проведения МБЭ в соответствии с поставленными целями. В такой лаборатории возможно проведение уже разработанных и апробированных экспериментов, разработка новых работ и практикумов в соответствии с требованиями новых учебных планов, а также проведение научных экспериментов, в том числе тех, которые невозможно поставить в натурной лаборатории, например для работы с особо опасными материалами (токсины, радионуклиды и др.). Накопление данных, необходимых для проведения лабораторных работ, в БД позволяет уточнять модели объектов исследования и среды деятельности, составлять неограниченное количество опытов за счет комбинаций исходного материала и выбора методов и оборудования. Кроме того, ВМБЛ существенно снижает затраты на приобретение дорогостоящего оборудования, расходные материалы, закупку и содержание животных.
Все это свидетельствует о том, что ВМБЛ является эффективным инструментом обучения не только с точки зрения передачи знаний и навыков из имитационной виртуальной среды в физическую, но и с позиций стимулирования творческой, исследовательской активности учащихся за счет реализации возможности широкого выбора.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Игумнова О.В., Лукьянова Е.А., Проценко В.Д. Лаборатория имитационной медицины // Здоровье и образование в XXI веке: Материалы VII Международной научно-практической конференции. — 2006. — С. 206—207.
[2] Игумнова О.В., Лукьянова Е.А., Проценко В.Д. Методы и средства разработки биологической имитационной лаборатории // XIII Международная конференция «Математика, компьютер, образование»: Тезисы докладов. — 2007. — Вып. 14. — С. 155.
[3] Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. — М.: Филинъ, 2003. — 616 с.
NEW METHODS OF LABORATORY TRAINING PERFORMANCE
O.V. Igumnova, E.M. Shimkevich, D.A. Ananuin,
C.B. Gordon, E.A. Lukyanova,
V.D. Protsenko
Department of Medical Informatics Medical faculty Peoples’ Friendship University of Russia
Miklukho-Maklaya str., 8, Moscow, Russia, 117198
Medico-biological laboratories in Russian institutes of higher medical education do not support effectively the educational process. Development of universal criteria and requirements to modeling of a virtual medico-biological laboratory is significant for medical education. The purpose of the article is to develop principal approaches to realization of the model in a virtual medico-biological laboratory.
Key words: imitational, virtual medico-biological laboratory, educational information environment, medico-biological experiment.
