基于5G等技術的混合式醫(yī)學教學模式設計與應用研究

裴建廷 于謙 孫斌

摘? 要 提出基于5G等技術的混合式醫(yī)學教學模式，針對醫(yī)學教學中存在的問題，分別從混合式課堂教學、混合式實驗教學、混合式臨床教學進行應用設計研究，以期為醫(yī)學教育改革提供參考和借鑒。

關鍵詞 5G技術;增強現(xiàn)實技術;虛擬仿真技術;超高清采集和播放技術;智能醫(yī)療設備;混合式醫(yī)學教學模式;智慧校園;虛擬實驗;教學資源

中圖分類號：G642.4? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）09-0024-03

1 前言

自2013年2月歐盟提出加快發(fā)展5G移動技術以來，5G技術標準和應用技術得到飛快發(fā)展。特別是2019年，我國工信部批準頒發(fā)國內(nèi)首個5G無線電通信設備進網(wǎng)許可證，標志著基于5G技術的設備正式接入公用電信商用網(wǎng)絡，各類5G應用開始大面積推廣應用。醫(yī)學教育作為高等教育的一員，也要借此東風將5G技術應用于醫(yī)學教育教學改革中，把傳統(tǒng)教學、現(xiàn)有信息技術和5G技術三者優(yōu)勢進行融合，構建“以學為中心”的混合式醫(yī)學教學模式。

2 5G關鍵技術和特點

5G關鍵技術? 5G超高效的無線傳輸技術中有三項關鍵指標技術決定了無線傳輸質(zhì)量，分別是毫米波技術、大規(guī)模MIMO技術和D2D技術。

毫米波段高端臨近紅外光、低端臨近厘米波，因此，該技術同時具有厘米波的全天候應用優(yōu)點和紅外光的高分辨率的優(yōu)點。

大規(guī)模MIMO技術是將天線以大規(guī)模陣列的方式集中放置，大規(guī)模陣列中的多根天線能夠同時工作，形成多束信號疊加。該工作模式不但可以提升天線增益，而且降低了單根天線發(fā)射功率的平均能耗和低延時。

D2D技術是一種無網(wǎng)絡狀態(tài)下終端設備通信技術，即在同一個基站下，用戶不僅可以通過基站與互聯(lián)網(wǎng)進行信息傳遞，而且可以在無網(wǎng)絡時，利用基站的信令實現(xiàn)用戶之間進行直接的信息交互。

5G技術特點? 基于以上技術，5G技術具有高帶寬、低時延和高可靠性等顯著特點。5G網(wǎng)絡傳輸速率從4G網(wǎng)絡的100 Mbps提升到1 Gbps，峰值速率將達到20 Gbps。5G通信與4G通信在時延方面也有巨大差別，4G網(wǎng)絡時延為20～

30 ms，在5G環(huán)境下，網(wǎng)絡時延縮短至1 ms，這讓5G移動通信網(wǎng)絡有著更廣闊的應用空間。

3 智能技術與醫(yī)學教學

增強現(xiàn)實（AR）技術、虛擬仿真（VR）技術、超高清采集和播放技術及智能醫(yī)療設備的產(chǎn)生，為醫(yī)學教學模式提供了更多的選擇。依托5G高速傳輸技術，使這些技術應用到混合式醫(yī)學教學改革中成為現(xiàn)實。

增強現(xiàn)實（AR）技術? 增強現(xiàn)實（Augmented Reality）

技術是融合跟蹤技術、虛擬現(xiàn)實融合顯示、人機交互三種技術，將真實世界信息和虛擬世界信息綜合在一起。該技術突破了空間、時間以及活體實驗對象成本等問題，實現(xiàn)學生和教師在AR環(huán)境中進行沉浸式教與學，可以提高學生學習的興趣。該技術結合5G技術可以實現(xiàn)校本部與附屬醫(yī)院之間異地沉浸式教學，同時符合“早臨床、多臨床、反復臨床”的醫(yī)學教學理念，適合應用于臨床實踐教學和后期教學。

虛擬仿真（VR）技術? 虛擬仿真（Virtual Reality）技術是通過計算機技術生成一種可創(chuàng)建和體驗的虛擬環(huán)境，使用戶沉浸到創(chuàng)建出的三維動態(tài)實景中。該技術相較于AR技術更為靈活，部分實驗不依賴硬件設備，可通過移動終端設備，借助5G高速移動通信技術，在教學平臺中完成如機能學虛擬實驗、解剖學虛擬實驗及護理學虛擬實驗等，實現(xiàn)時時處處進行虛擬仿真實驗的學習和操作。

超高清采集和播放技術? 高清顯示涉及兩個方面：一個是入口，即如何快速采集高清視頻;另一個是出口，即如何高清晰度、大角度顯示每個細節(jié)。目前，市面上高清采集卡已比較成熟，具有高穩(wěn)定性、多功能、兼容性廣等特點，可以應用于視頻會議、遠程監(jiān)控、網(wǎng)絡教學、視頻直播、大屏幕顯示、醫(yī)療系統(tǒng)等?，F(xiàn)在4K電視技術分辨率可達到3840×2160像素，水平觀看角度為55°;8K電視技術分辨率達到7680×4320像素，水平觀看角度達到100°。運用以上技術，既可以滿足不同場景下的醫(yī)學教學需求，又能通過高清顯示技術充分展示手術刀尖下的每個精細操作。

智能醫(yī)療設備? 現(xiàn)在，醫(yī)療廠商正在不斷推出各類智能醫(yī)療設備，并提供了不同的數(shù)據(jù)接口，如以太網(wǎng)接口、無線接口、4G與5G接口等，從技術角度已經(jīng)具備互聯(lián)互通的條件。另外，在醫(yī)療領域應用方面也在不斷拓展，如集成式智能醫(yī)療儀器、智能理療設備、可穿戴醫(yī)療設備等，更多的智能醫(yī)療設備出現(xiàn)在手術、護理、家庭等應用場景中，為患者提供了全方位醫(yī)療條件的同時，也使這些智能技術應用到醫(yī)學教學中成為現(xiàn)實。

4 5G等技術在混合式醫(yī)學教學中的應用設計

5G技術的連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低時延、高可靠性等技術優(yōu)勢，解決了最后一公里高速率移動傳輸問題;虛擬現(xiàn)實技術、高清顯示技術和智能醫(yī)療技術解決了多場景醫(yī)學教學應用問題。以上技術融合高校現(xiàn)有智慧校園基礎平臺，形成對現(xiàn)有醫(yī)學教學課堂教學、實驗教學和臨床教學進行混合教學模式改革的綜合解決方案。

混合式課堂教學? 由于師資等方面的限制，有的醫(yī)學院校仍然采用傳統(tǒng)的“滿堂灌”的教學模式，實踐表明，這種模式很難激發(fā)學生積極的臨床思維。而翻轉課堂教學模式在班級學生較多的情況下，教學效果不顯著?；?G技術、虛擬現(xiàn)實技術、智慧校園平臺的混合課堂教學模式可以有效解決上述問題。

1）課程要基于項目進行設計。如基于器官系統(tǒng)教學設計，問題設計時要從多方面、多角度展開，融入VR等技術，便于激發(fā)學生進行批判性思考和臨床思考。

2）重構學習流程。課前信息傳遞過程通過基于5G技術的虛擬仿真技術進行虛擬學習操作，以及通過視頻課程（如學校自建視頻、慕課、雨課堂、智慧樹等）、課件和師生交互平臺（如自建交流平臺、微信、QQ、移動端視頻會議系統(tǒng)）等完成。

3）吸收內(nèi)化。該過程主要是在課堂完成，此時可以根據(jù)課前信息傳遞過程收集到的信息，把具有同類疑問的學生分成一組，通過課堂解答共性問題、小組討論個別問題和分類輔導的方式進行。

4）教學評價。應建立四維評價體系，綜合學生評價、同行評價、督導組評價、管理人員評價信息，及時調(diào)整課堂教學過程和虛擬教學資源。

混合式實驗教學? 目前，醫(yī)學實驗教學存在標本稀有、高耗材和部分實驗高危險性等問題。另外，由于場地限制，部分教師實驗演示只有實驗臺周圍部分學生可以清晰觀看，且存在視角誤差。針對上述問題，可以利用虛擬現(xiàn)實技術具有的高仿真、可重復性等優(yōu)點，利用高清設備實現(xiàn)多角度拍攝和播放，綜合5G等技術，通過線上和線下有機結合，從以下幾個方面進行解決。

1）線上實驗流程虛擬操作。運用AR沉浸式教學技術，讓學生對實驗對象（如數(shù)字人體解剖系統(tǒng)等）進行虛擬操作;或者運用VR技術、三維成像技術，讓學生在移動端進行模擬操作（如形態(tài)學數(shù)字切片系統(tǒng)等），模擬整個實驗操作流程。

2）線下教師演示觀看。通過高清錄像系統(tǒng)從多角度對教學操作進行現(xiàn)場直播，學生既可以現(xiàn)場觀看，也可以通過高清顯示設備觀看教師的每個細節(jié)操作，還可以通過手機等智能移動設備利用5G高速傳輸技術觀看。

3）實驗操作。通過前兩個步驟的學習，學生能夠按照標準流程完成實驗操作，避免因?qū)嶒炛姓`操作造成標本損壞、耗材浪費或發(fā)生危險。

4）虛擬操作和視頻觀看復習。實驗課后，學生可以利用VR技術復習操作流程，或通過錄播平臺回看教師演示操作等。

混合式臨床教學? 醫(yī)學生后期教學分散于各附屬醫(yī)院，由于師資力量、硬件環(huán)境、管理水平、教學督導等存在差距，各附屬醫(yī)院在臨床教學質(zhì)量上有一定差別，這就涉及后期臨床教學同質(zhì)化的問題。醫(yī)學院校針對這個問題做了大量工作，如對臨床教學計劃、教學過程、臨床教學監(jiān)督、出科入科考試考核、臨床實踐操作考核等方面進行了相應的教學質(zhì)量管理，但對于不同附屬醫(yī)院教學資源不均衡的問題無法解決?？紤]到醫(yī)院實習環(huán)境的特殊性和網(wǎng)絡環(huán)境的有限性，可通過運用5G技術建立“資源共享—遠程教學—臨床模擬”的教學模式來解決。

1）建立統(tǒng)一教學資源平臺（部署在云端或本地）。整合所有教學資源，將各附屬醫(yī)院優(yōu)質(zhì)教學資源放到資源平臺上，包括理論課程、虛擬仿真資源、模擬病例、影像資料、遠程教學資源等，實現(xiàn)教學資源層面的共享。

2）建立遠程視頻教學系統(tǒng)?？梢赃M行PC端、移動端多模式遠程視頻教學，打通各附屬醫(yī)院教學資源，使醫(yī)學生可隨時隨地共享各附屬醫(yī)院優(yōu)質(zhì)師資。遠程視頻系統(tǒng)可以通過自建或租用第三方平臺來實現(xiàn)。

3）運用AR技術和VR技術模擬真實病例進行反復實踐?？勺屷t(yī)學生深入病情研究、主動學習，實現(xiàn)線上和線下相結合的臨床技能培訓和臨床實踐教學模式。

4）運用5G技術實時傳輸超高清視頻和智能醫(yī)療設備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程手術示教等。

5 結語

本文圍繞5G技術、虛擬現(xiàn)實技術、高清技術等技術，對課堂教學、實驗教學、臨床教學進行教學設計應用研究，并針對醫(yī)學教學中存在的問題提出解決方案。目前，5G技術在我國應用層面還處于起步階段，規(guī)模部署和許多應用也是剛剛開始。相信在不久的將來，5G技術會更加成熟、穩(wěn)定，結合IPv6技術，圍繞5G技術的各類智能應用在醫(yī)學教學中的應用前景會更加廣闊。

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