醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展及應(yīng)用

李科　曲雷銘　汪品文　王君

摘? 要：隨著現(xiàn)代教育與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，模擬仿真教學(xué)成為輔助教學(xué)的一項(xiàng)重要手段。國(guó)外知名高校對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和使用催生了我國(guó)虛擬教學(xué)的實(shí)踐和發(fā)展。筆者學(xué)校將泰盟VBL-100醫(yī)學(xué)機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于該校2016級(jí)護(hù)理學(xué)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和理論教學(xué)中，結(jié)果顯示該系統(tǒng)的使用顯著提升了理論學(xué)習(xí)成績(jī)，對(duì)實(shí)驗(yàn)技能沒(méi)有顯著提高作用。問(wèn)卷調(diào)查也顯示醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)有其直觀、重復(fù)演示和能輔助學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)，也有不能提高實(shí)驗(yàn)技能、缺乏實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)和不利于團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)等不足。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)? 發(fā)展? 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（c）-0181-02

隨著現(xiàn)代教育與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，模擬仿真教學(xué)形態(tài)進(jìn)入教育領(lǐng)域，使在線學(xué)習(xí)成為輔助教學(xué)的一項(xiàng)重要手段。這些年來(lái)許多高校正將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，深刻影響著當(dāng)前的教學(xué)模式[1，2]。以醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)建立并使用，醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)成為教學(xué)的一個(gè)主要組成部分。

1? 虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)生與發(fā)展

2012年以美國(guó)斯坦福大學(xué)和哈佛大學(xué)為代表的知名高校建立了MOOCs形式的網(wǎng)上教學(xué)模式，德國(guó)馬爾堡大學(xué)生理研究所（自行采用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言C#編制了一套基本程序用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)）、澳大利亞莫納什大學(xué)（自行研制了一套基于Web網(wǎng)頁(yè)的生理課件）、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)等都在研發(fā)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)并使用于教學(xué)中;2013年我國(guó)教育部的教育司要求在全國(guó)構(gòu)建國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，從國(guó)家政策上給予網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)發(fā)展提供指導(dǎo)和大力扶持及資助，隨后四川成都泰盟公司的VBL-100醫(yī)學(xué)機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、北京微信斯達(dá)Pclab-100醫(yī)學(xué)虛擬軟件、上海夢(mèng)之路的醫(yī)學(xué)機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件都已經(jīng)不同程度地應(yīng)用于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中[3，4]。

2? 現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的比較

現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的比較情況具體見(jiàn)表1。

3? 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 節(jié)約資金、節(jié)省資源

機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)通常4～5人一組進(jìn)行，不能保證每人都有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，限制操作時(shí)間。虛擬實(shí)驗(yàn)單人單機(jī)，不“擁擠”，每個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程能有效模擬進(jìn)行。傳統(tǒng)教學(xué)需要實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備教師、實(shí)驗(yàn)主帶教師、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、實(shí)驗(yàn)器材設(shè)施和藥品等，工作量繁重，實(shí)驗(yàn)設(shè)備需求較高，且要不時(shí)地進(jìn)行更新和維護(hù)，需資金不斷投入。虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)需實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、器材和耗材，無(wú)繁重實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，節(jié)約經(jīng)費(fèi)和人力;虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用多媒體手段將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容演示和模擬，利用軟件把實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為資料室、準(zhǔn)備室、模擬實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)物室和考場(chǎng)，分別對(duì)儀器、實(shí)驗(yàn)原理和步驟、仿真模擬進(jìn)行逐一介紹，使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理、內(nèi)容完整;虛擬實(shí)驗(yàn)不受動(dòng)物和藥品限制，簡(jiǎn)單易操作，能解決實(shí)驗(yàn)器材磨損、動(dòng)物昂貴、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)緊缺的矛盾，也減少了人力投入。

3.2 符合動(dòng)物倫理

醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)必須依靠實(shí)驗(yàn)動(dòng)物完成，在“普世價(jià)值”和“珍愛(ài)生命”理念感召下，保護(hù)弱小、保護(hù)動(dòng)物也應(yīng)該在教育領(lǐng)域踐行。麻醉、切割、插管及固定等手術(shù)過(guò)程給實(shí)驗(yàn)者帶來(lái)血腥甚至殘忍的體驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)者造成一定的心理傷害或不良體驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)避免了一次次的傷害或奪命動(dòng)物，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，減少甚至無(wú)傷害動(dòng)物，符合整個(gè)世界的倫理方向。

3.3 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

受學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)條件限制，很多實(shí)際實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行，而利用虛擬平臺(tái)資源可以瀏覽很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生通過(guò)觀看虛擬實(shí)驗(yàn)可以掌握一些實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，模擬練習(xí)一些實(shí)驗(yàn)操作;實(shí)驗(yàn)結(jié)果的演示能加深感性認(rèn)識(shí)，鞏固對(duì)應(yīng)的理論內(nèi)容，利于專業(yè)知識(shí)的掌握和后續(xù)學(xué)科的銜接，這些都能激勵(lì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。

3.4 避免傷害，保護(hù)環(huán)境

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的操作、麻醉等環(huán)節(jié)由于動(dòng)物掙扎可能傷害實(shí)驗(yàn)者，會(huì)給實(shí)驗(yàn)者帶來(lái)恐慌，增加心理負(fù)擔(dān)。有些有毒有害的實(shí)驗(yàn)藥品也能影響實(shí)驗(yàn)者健康，如乙醚、氰化鉀等。虛擬實(shí)驗(yàn)可以做到無(wú)毒無(wú)害無(wú)污染，不僅避免這些藥物帶來(lái)的傷害，同時(shí)保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

4? 虛擬實(shí)驗(yàn)的不足

（1）虛擬畢竟不是現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)，缺少實(shí)打?qū)嵉膶?shí)驗(yàn)技法訓(xùn)練和操作能力的提高。而學(xué)生以后的科研工作和畢業(yè)后從事臨床工作，需要一些基本的、嚴(yán)格的和嫻熟的實(shí)驗(yàn)技能，這些要求虛擬實(shí)驗(yàn)均不能達(dá)到。虛擬實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)在過(guò)程和結(jié)果、在重復(fù)性和模擬性，不在實(shí)驗(yàn)技法的提升。

（2）學(xué)生不能身臨其境動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，對(duì)手術(shù)中的意外和困難無(wú)法體驗(yàn)，也不能解決實(shí)驗(yàn)中突發(fā)的實(shí)際問(wèn)題、失敗和風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)一些在虛擬實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有“見(jiàn)識(shí)”過(guò)的情景和現(xiàn)象時(shí)，學(xué)生會(huì)驚慌和不知所措。

（3）缺乏團(tuán)隊(duì)合作品質(zhì)的培養(yǎng)。虛擬實(shí)驗(yàn)單人單機(jī)就可完成，不需要同伴合作，學(xué)生之間的分工、配合、默契和協(xié)作均無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生自然就無(wú)法體會(huì)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)帶來(lái)的成就感和集體榮譽(yù)感。

5? 目前使用情況及評(píng)價(jià)

自2013年教育部倡導(dǎo)在高校加強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)以來(lái)，山東大學(xué)、中山大學(xué)、哈爾濱醫(yī)科大學(xué)、南方醫(yī)科大學(xué)、大連醫(yī)科大學(xué)等很多高校先后建立了國(guó)家虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，涵蓋了機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件模塊，已經(jīng)應(yīng)用于教學(xué)之中，收到了一些效果，也反映出了一些問(wèn)題。資料顯示[5]，學(xué)生認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)傷害、不受場(chǎng)地時(shí)間設(shè)施限制，認(rèn)同虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是理想模式，并認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)不能完全代替實(shí)驗(yàn)教學(xué)，僅起到輔助教學(xué)作用。

筆者學(xué)校自2015年建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以來(lái)，將成都泰盟公司的VBL-100醫(yī)學(xué)機(jī)能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于2016級(jí)護(hù)理學(xué)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和理論教學(xué)中，課程結(jié)束后從三方面對(duì)使用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)：（1）理論考試。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的使用，提升了學(xué)習(xí)成績(jī)，提高了教學(xué)效果（期末閉卷理論考試：對(duì)照班49人，成績(jī)32.14±6.70，實(shí)驗(yàn)班51人，成績(jī)35.69±7.15，P<0.05，組間有顯著性差異）。（2）實(shí)驗(yàn)技術(shù)考核。該系統(tǒng)的使用對(duì)實(shí)驗(yàn)技能沒(méi)有顯著提高作用（實(shí)驗(yàn)技術(shù)考核2人1組，對(duì)照24組，成績(jī)32.56±1.47，實(shí)驗(yàn)25組，成績(jī)32.63±1.67，P>0.05，組間無(wú)顯著性差異）。（3）問(wèn)卷調(diào)查。為了了解學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的認(rèn)可情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了專門(mén)的調(diào)查問(wèn)卷（問(wèn)卷發(fā)放51份，回收51份，有效問(wèn)卷50份）。結(jié)果顯示，大部分學(xué)生（84%）認(rèn)可虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的直觀性，70%的同學(xué)接受用其預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，88%的學(xué)生認(rèn)為其使用靈活、可個(gè)人選擇;使用該系統(tǒng)瀏覽那些沒(méi)有對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的理論內(nèi)容，學(xué)生認(rèn)可度高達(dá)100%;對(duì)超出教學(xué)大綱的內(nèi)容，80%的學(xué)生認(rèn)為虛擬系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與后續(xù)學(xué)科的有序?qū)?師生交流發(fā)現(xiàn)，個(gè)別對(duì)動(dòng)物手術(shù)恐懼和排斥的學(xué)生接受虛擬實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)還能讓學(xué)生了解更多的實(shí)驗(yàn)方法;這些都表明虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以用來(lái)輔助教學(xué)。調(diào)查還表明，86%的學(xué)生認(rèn)為該系統(tǒng)的使用無(wú)法提高實(shí)驗(yàn)技能，這與實(shí)驗(yàn)技能考核統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，與一些研究[6，7]一致;72%的學(xué)生認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)缺乏實(shí)際實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)感，不能留下體驗(yàn)痕跡、手術(shù)操作印象不深刻;這些都提示虛擬實(shí)驗(yàn)不能完全代替實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)技能的掌握還得依靠親力親為、實(shí)打?qū)嵉膶?shí)驗(yàn)教學(xué)。

6? 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的3R原則，（Reduction減少、Replacement替代和Refinement優(yōu)化），是今后醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展方向，我國(guó)醫(yī)學(xué)教育正逐步向國(guó)際接軌。互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，我們必須面臨新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。依托網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)過(guò)程，相比于傳統(tǒng)的教學(xué)：直觀、透明、降難度;學(xué)生聽(tīng)課專注、用心、感興趣，有投入少、產(chǎn)出多的效能;對(duì)那些晦澀、抽象的知識(shí)，借助該系統(tǒng)無(wú)論是課前瀏覽或是課后復(fù)習(xí)，都是一個(gè)得力助手。作為教育工作者，我們要“除其弊，用其利”，及時(shí)更新教育理念，主動(dòng)調(diào)整教學(xué)模式，適應(yīng)時(shí)代要求。

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