計算機模擬在臨床醫(yī)學檢驗實習教學中的應用與進展*

陳 萍 綜述，段發(fā)蘭，陳 武 審校

(湖北醫(yī)藥學院附屬東風醫(yī)院檢驗醫(yī)學教研室，湖北十堰 442008)

近年來，隨著檢驗醫(yī)學學科的發(fā)展，臨床實驗室的自動化程度越來越高，細胞和分子生物學檢驗項目成倍增長，計算機和網(wǎng)絡技術廣泛應用[1]。傳統(tǒng)單一的“以教師為主體”的臨床實習教學模式難以適應科目多、時間緊的現(xiàn)狀，以及學生考研、求職的需求，學生學習積極性難以調(diào)動[2-3]。2012年起，教育部對醫(yī)學檢驗本科專業(yè)的培養(yǎng)目標“五改四”后，更加重視臨床實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]。計算機模擬教學包括虛擬仿真、人機交互、多媒體和互聯(lián)網(wǎng)教學等，可有效提高教學質量和效率[5]，其在醫(yī)學檢驗的臨床教學中也具有廣泛的應用前景[6]。本文就目前臨床實習教學中的難點、問題，以及計算機模擬的應用方法和進展，結合課題組的實踐體會進行了闡述。

1 醫(yī)學檢驗技術實習教學中的難點與問題

1.1臨床實驗室的入科教育 隨著檢驗業(yè)務的增多，檢驗科內(nèi)部的區(qū)域劃分越來越細，除了傳統(tǒng)的基礎、生化、免疫、微生物學檢驗，還增設了細胞和分子生物學檢驗區(qū)。為了避免交叉污染，保證檢測質量，工作區(qū)又分為采樣區(qū)、標本處理區(qū)、檢測區(qū)，PCR實驗室更嚴格規(guī)定了標本運輸路徑和工作人員路徑。而近年來，國家對生物安全、消防安全愈加重視，要求檢驗科必須配備生活區(qū)、更衣區(qū)、工作區(qū)、消防通道、生物安全設施。由于臨床與學校實驗室在組成、分布、管理方面有著明顯的不同，而且經(jīng)常需要與患者、臨床醫(yī)生溝通，剛剛步入實習階段的學生往往縮手縮腳，不敢動手操作。傳統(tǒng)的入科教育一般由教師大致地講述后，帶領學生粗略地參觀一遍，學生很難產(chǎn)生深刻的印象，進入角色較慢[7]。

1.2形態(tài)學檢驗教學 臨床實驗室的形態(tài)學檢驗工作具有儀器難以替代性及高風險性特征，對工作人員有著較高的要求[8]。首先，同一標本的形態(tài)學檢查內(nèi)容往往包含了臨床基礎檢驗、臨床血液學檢驗、臨床微生物學檢驗、臨床寄生蟲學檢驗等多門專業(yè)課程的知識。其次，形態(tài)學檢測標本種類繁雜，包括血液、骨髓、尿沉渣、糞便、各種分泌物和腔積液等，而同一細胞在不同標本類型中可能表現(xiàn)出不同的形態(tài)。此外，形態(tài)學檢驗結果直接影響醫(yī)生的診療方案和患者預后判斷。傳統(tǒng)的實習教學由于學生不易遇到全面而典型的病例，同時教師也不易收集和保存適合教學用的標本，學生實踐技能和綜合分析能力提高有限[9]。

1.3手工操作技能 盡管目前檢驗科儀器化程度越來越高，但手工操作對檢驗結果準確性具有重要的作用，比如標本制備、試劑配制、微生物接種及細胞分子生物學檢測等。另一方面，一些手工操作盡管不再被大型醫(yī)院檢驗科所使用，但在醫(yī)療條件相對較差的基層醫(yī)院中仍廣泛使用，如手指采血、足趾采血、肘靜脈采血、頸靜脈采血、耳垂采血等。由于檢驗實習教學不僅為三甲醫(yī)院，更是為基層、社區(qū)醫(yī)院培養(yǎng)醫(yī)學檢驗人才，因此手工操作技能仍然是臨床教學的重要內(nèi)容[10]。

1.4儀器設備操作實踐 臨床儀器教學的目的不僅是讓學生掌握各種臨床自動化檢測儀器的組成結構和工作原理，更要指導學生具備儀器操作、維護保養(yǎng)、質量控制等實踐技能，達到理論知識與臨床實踐的知行合一[11]。本科室從2015年先后引進了生化檢驗流水線、血細胞分析流水線、尿液分析流水線、生化免疫一體機、醫(yī)院信息管理系統(tǒng)(HIS)和實驗室信息管理系統(tǒng)(LIS)等。由于一些醫(yī)學檢驗儀器價格昂貴，且設置的項目參數(shù)、校正曲線、室內(nèi)質控等不能隨意改動，傳統(tǒng)的教學過程仍然以教師講解、示教為主，學生動手操作的機會有限，大大制約了學生操作技能的提高。

2 計算機模擬在醫(yī)學檢驗技術實習教學中的運用

計算機模擬教學也稱為電子教學(E-Teaching)，是通過計算機軟件模擬學習、訓練和考試過程。20世紀70年代美國伊利諾伊大學即開始采用CSI軟件訓練臨床醫(yī)學生的患者溝通和問題解決能力[12]。21世紀初美國華盛頓大學開發(fā)了一系列形態(tài)學檢驗教學軟件，包括BodyFluids-Tutor、Urinalysis-Tutor、Electrophoresis-Tutor、GramStain-Tutor等[13]。鑒于當時技術條件，軟件以文字、圖片和視頻、二維(2D)虛擬仿真為主，具備一定的交互功能。2013年歐洲檢驗醫(yī)學會發(fā)布了計算機模擬教學軟件開發(fā)準則，強調(diào)了網(wǎng)絡學習、三維(3D)虛擬仿真、數(shù)字化協(xié)作等方向[14]。因此，筆者基于“能實不虛，虛實結合”原則，結合目前醫(yī)學檢驗技術實習教學中的問題，探討了相關計算機模擬教學應用策略和方法，從而將其最大化地運用于教學質量的提升。

2.13D虛擬仿真在入科教育中的運用 3D虛擬仿真技術是一種交互式的3D動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，具有多感知性、交互性和自主性的特點，分為實物仿真和環(huán)境仿真。臨床實驗室虛擬實訓平臺開發(fā)的理想目標是模擬實驗室的環(huán)境、日常檢驗工作、儀器內(nèi)部結構和動作軌跡。然而，由于檢驗設備的精密細致，加上不同實驗室的儀器品牌、廠家、型號、構造乃至工作原理均有所不同，要實現(xiàn)外觀、運行、界面操作完全虛擬仿真具有較高的成本和難度，因此目前應用較多的是環(huán)境3D虛擬仿真[15]。

3D虛擬仿真的主要方法是運用Unity 3D、Virtools 等集成軟件，將3DS Max、Maya、AutoCad等軟件制作的3D模型，與C#語言程序構建的交互模塊進行集成。Unity 3D具有現(xiàn)成的場景構建模塊，配以聲音、文字、地圖導航就能實現(xiàn)虛擬仿真所具有的沉浸性、多感知性和交互性[15-16]。采用Unity 3D制作游戲類的教學軟件，可以調(diào)動學生的學習興趣和積極性，使其快速熟悉臨床實驗室的組成、分布、工作內(nèi)容和注意事項，并通過問題為導向的情境模式，訓練其患者溝通、臨床會診、急查、危急值報告等實際問題解決能力。

2.2數(shù)字化網(wǎng)絡技術在形態(tài)學檢驗教學中的運用 近年來數(shù)字化影像技術的發(fā)展使教學資源保存更加方便，而網(wǎng)絡技術促進了教學資源的共享和新的教學模式出現(xiàn)，如大型開放式網(wǎng)絡課程(MOOC)。然而，由于人工智能、機器識別技術的局限性，復雜形態(tài)學檢驗的儀器誤報率較高，如尿沉渣，而骨髓片、腔積液、分泌物、病原生物等仍然依靠人工識別，因此準確且敏銳的形態(tài)學辨識是保證檢驗質量、避免錯報和漏報的核心所在。提高形態(tài)學辨識能力的唯一方法就是反復大量地觀察形態(tài)學圖片，以達到強化記憶、熟能生巧的效果[17]。

為此筆者所在實驗室建立了形態(tài)學檢驗數(shù)字化資源庫，以標本來源劃分為外周血、骨髓片、尿沉渣、寄生蟲、分泌物、腔積液、醫(yī)學微生物、染色體8個模塊，為每張圖片編寫了形態(tài)學特征、臨床檢測意義、單選題或多選題，并利用Authorware軟件的開放數(shù)據(jù)庫連接(ODBC)、Web發(fā)布功能和Access數(shù)據(jù)庫，構建了數(shù)字化網(wǎng)絡平臺。學生可以隨時隨地通過手機注冊、登錄、學習、訓練和考試，并且平臺具有知識點查詢、訓練結果分析、錯題重做、考試隨機抽題、試卷自動批改等功能，大大減輕了教師的負擔，同時也增強了學生學習自主性和積極性。

2.3微課在手工操作實踐教學中的應用 微課也稱微課堂，是通過課件、動畫、聲音、錄像等多媒體元素的短視頻，聚焦于某一個知識點，從而對重點、難點教學內(nèi)容進行清晰、全面、形象地闡釋，由于其主題鮮明、短小精悍，早期也稱為“知識脈沖”。此外，通過網(wǎng)絡或微信方式微課可以實現(xiàn)遠程教育[18]?？紤]到大學課堂教學速度快、內(nèi)容多、重點難以把握，微課是對課堂教學的一個有效補充。而醫(yī)學檢驗的手工操作項目多，內(nèi)容分散，檢測方法、步驟也各不相同，微課對學生快速掌握各項檢驗技術起到了很好的輔助作用[19]。

優(yōu)秀的實驗微課除了錄制操作過程視頻外，對操作原理、結果分析、質量控制也需通過文字、動畫進行描述，以達到微課應具有的知識拓展性[20]。因此，教師除了有臨床實踐操作經(jīng)驗外，還需具備一定的多媒體軟件使用能力。AD Premiere和After Effect是目前兩款較好的微課制作軟件，能夠對視頻進行剪切、拼接，并編寫中文字幕[21-22]，而Adobe Captivate可以集成圖片、Flash動畫、PPT、錄像，目前已應用于教學中，并取得了較好的效果[23-24]。

2.4人機交互模擬技術在儀器教學中的應用 人機交互模擬技術是通過計算機輸入、輸出設備，實現(xiàn)人與計算機對話的技術[25]。目前，臨床實驗室大部分檢測儀器的操作界面以窗口(Windows)、圖符(Icons)、菜單(Menu)和指示裝置(Pointing Devices)為基礎，即WIMP界面。不管是流水線、全自動、半自動分析儀，其性能、工作流程都可以從儀器的操作界面體現(xiàn)出來[26]。因此，通過計算機軟件模擬儀器人機交互，可以為臨床儀器教學提供良好的實訓平臺，使學生能夠結合課堂教學熟悉儀器構成、不同檢測方法的參數(shù)設置、標準操作流程等，避免了傳統(tǒng)教學“只能看不能動”的尷尬局面。

目前，人機交互模擬軟件多采用Visual Basic和Visual C編程語言制作，一般教師可能難以掌握[27]。筆者利用Authorware軟件結構化語言良好的交互、多媒體支持功能以及豐富的數(shù)學函數(shù)，模擬了生化免疫一體機的操作系統(tǒng)，學生可以通過該系統(tǒng)完成參數(shù)設置、曲線定標、室內(nèi)質控、標本測試、報告審核等日常操作過程；并且系統(tǒng)會對錯誤操作給出提示，從而使學生通過反復訓練來達到熟練操作的目的，也為實現(xiàn)真實上機操作提供了基礎。

3 計算機模擬醫(yī)學檢驗技術實習教學的優(yōu)缺點

3.1計算機模擬教學的優(yōu)勢 臨床醫(yī)學實踐具有不可逆性，并且受醫(yī)學倫理和醫(yī)患關系影響，計算機模擬將會給臨床實習生提供更多操作訓練機會，對提高專業(yè)技能、縮短人才培養(yǎng)周期起到積極作用。首先，計算機模擬教學可以提供全面而典型的案例，與實踐帶教相結合，可以使學生得到系統(tǒng)的指導，實現(xiàn)理論與實踐無縫銜接；其次，計算機模擬教學可以通過大量交互訓練培養(yǎng)學生的分析、決策和創(chuàng)新思維能力；第三，通過虛擬仿真訓練，可以減少真實操作的差錯率，降低儀器和試劑損耗；第四，計算機模擬教學具有較高的靈活性，學生可以自主安排學習時間和內(nèi)容，同時減輕教師的工作負擔，提高教學效率。已有大量調(diào)查研究表明，計算機模擬教學對學生專業(yè)技能和醫(yī)療服務質量都有明顯改善[28-29]。

3.2計算機模擬教學的不足 由于醫(yī)學檢驗是一門實踐性非常強的專業(yè)，計算機模擬教學還不能完全替代傳統(tǒng)的臨床帶教。首先，計算機模擬只能設定已知的結果，無法覆蓋實踐操作的所有情境；其次，虛擬仿真與實踐操作的感知性仍存在一定差距；再次，虛擬仿真對象是無生命的，而臨床實踐要面對情緒多變的患者。因此，基于目前軟件交互技術和仿真技術的局限性，計算機模擬教學還有待進一步探索。

4 小結與展望

總的來說，計算機模擬教學對提高學生的學習自主性、積極性、創(chuàng)新思維起到積極作用。隨著人工智能的不斷發(fā)展，計算機模擬教學將更加完善。根據(jù)教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》，高教高職要建設網(wǎng)絡課程、虛擬實驗室等優(yōu)質數(shù)字教育資源，將虛擬仿真技術引入到實驗教學中[30]。目前，計算機模擬在理工專業(yè)的教學應用較多，得益于其較好的計算機學科基礎。本文從虛擬仿真、數(shù)字化網(wǎng)絡、微課、人機交互模擬教學等幾個方面，結合筆者的實踐體會，總結了計算機模擬在醫(yī)學檢驗技術臨床教學方面的應用與進展，希望為計算機技術與醫(yī)學檢驗技術學科交叉起到一定作用。