虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在診斷學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

夏駿

【摘要】? ? 隨著虛擬技術(shù)的完善以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室研究的不斷深入，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在醫(yī)學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的發(fā)展受到較高的關(guān)注。文章基于文獻(xiàn)計(jì)量分析對文獻(xiàn)資料進(jìn)行梳理，聚焦于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與診斷學(xué)教學(xué)，從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在診斷學(xué)教學(xué)中的架構(gòu)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在診斷學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行了闡釋。

【關(guān)鍵字】? ? 虛擬仿真? ? 實(shí)驗(yàn)? ? 診斷學(xué)

一、研究背景

虛擬仿真是利用仿真設(shè)備為用戶創(chuàng)建仿真世界的一種特定的仿真類型[1]。虛擬仿真允許用戶與虛擬世界交互。虛擬世界在集成軟件和硬件組件的平臺(tái)上運(yùn)行。通過這種方式，系統(tǒng)可以接受來自用戶的輸入（例如，身體跟蹤、語音/聲音識(shí)別、物理控制器）并向用戶產(chǎn)生輸出（例如，視覺顯示、聽覺顯示、觸覺顯示）[2]。虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)三個(gè)方面。

診斷學(xué)是一門理論醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)相結(jié)合的橋梁課程，是運(yùn)用醫(yī)學(xué)基本理論和基本知識(shí)對疾病進(jìn)行診斷并培養(yǎng)臨床思維的一門學(xué)科。該門課程的實(shí)踐性較強(qiáng)，實(shí)踐貫穿于教學(xué)的全過程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件直接影響了教學(xué)效果。但由于條件受限，大部分診斷學(xué)課程教學(xué)無法提供真實(shí)的臨床實(shí)踐環(huán)境，在診斷學(xué)教學(xué)中探討虛擬仿真技術(shù)的引入對提高學(xué)生臨床實(shí)踐技能、減少醫(yī)患矛盾、節(jié)約教學(xué)資源具有積極意義。

二、研究現(xiàn)狀

本文以“虛擬”、“診斷學(xué)”及其同義詞為檢索主題，以中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫為主要文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源，共得到102條有效文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，形成了的文獻(xiàn)資料。通過對發(fā)文年份、關(guān)鍵詞共現(xiàn)等進(jìn)行分析，以進(jìn)一步了解虛擬仿真技術(shù)在診斷學(xué)教學(xué)研究中的脈絡(luò)分布。

2.1年度發(fā)文量

通過對知網(wǎng)和萬方數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)資料的檢索獲得102篇相關(guān)文獻(xiàn)，時(shí)間跨度從1999-2020年，虛擬技術(shù)與診斷學(xué)相關(guān)的文獻(xiàn)發(fā)文量出現(xiàn)了2個(gè)較為明顯的發(fā)展階段，2007-2010年主要關(guān)注于探索技術(shù)的發(fā)展，2018-2020年主要關(guān)注于技術(shù)促進(jìn)教學(xué)的相關(guān)應(yīng)用情況。

2.2關(guān)鍵詞共現(xiàn)

研究關(guān)鍵詞作為研究主題的精煉概括，能體現(xiàn)研究熱點(diǎn)及知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系。本文對1999-2020年出現(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行了詞頻統(tǒng)計(jì)，可知“診斷學(xué)”、“實(shí)踐教學(xué)”、“虛擬仿真”、“虛擬實(shí)驗(yàn)室”這四個(gè)詞為高頻詞匯，為研究重點(diǎn)。

通過對文獻(xiàn)資料的梳理與分析，本研究進(jìn)一步聚焦于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與診斷學(xué)教學(xué)。由此，本研究將從兩個(gè)方面展開：一是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在診斷學(xué)教學(xué)中的架構(gòu);二是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在診斷學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在診斷學(xué)教學(xué)中的架構(gòu)

3.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)為核心技術(shù)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與專業(yè)教學(xué)相結(jié)合，在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建相應(yīng)的軟硬件操作環(huán)境，以輔助、部分取代甚至取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)者可以在虛擬環(huán)境中完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，所獲得的實(shí)驗(yàn)效果相當(dāng)于或者優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所獲得的效果。

3.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典模型

實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)世界和改造世界的重要手段。臨床實(shí)驗(yàn)由于受到各種限制性因素，無法滿足實(shí)踐教學(xué)需要。目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在診斷學(xué)教學(xué)中的發(fā)展迅速，但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也面臨著許多挑戰(zhàn)，包括身臨其境感缺失、互動(dòng)真實(shí)性不強(qiáng)。從學(xué)習(xí)者對虛擬實(shí)驗(yàn)的感知角度來看，基于認(rèn)知可信度模型有三個(gè)維度：環(huán)境逼真度、用戶體驗(yàn)度和操作控制可信度[3]。

環(huán)境逼真度是指實(shí)驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的相似程度。它包括實(shí)驗(yàn)主體、實(shí)驗(yàn)形式、實(shí)驗(yàn)實(shí)體的屬性、實(shí)驗(yàn)過程中客體之間、客體與環(huán)境之間的逼真度。理想的仿真環(huán)境應(yīng)使用戶難以區(qū)分虛擬與現(xiàn)實(shí)。這有助于提高虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的可信度。從環(huán)境逼真度的角度看，虛擬實(shí)驗(yàn)包括形式、屬性和過程三個(gè)層次。

用戶體驗(yàn)度指用戶對實(shí)驗(yàn)對象和環(huán)境的體驗(yàn)。主要測量用戶“觸摸”和“使用”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)的感受。這些感受包括視覺、聽覺、味覺和觸覺的感知，實(shí)驗(yàn)過程交互的便捷性和真實(shí)性，以及不同實(shí)驗(yàn)對象或不同操作行為的適應(yīng)性反饋。從用戶體驗(yàn)的角度來看，虛擬和仿真實(shí)驗(yàn)包括感知、交互和適應(yīng)三個(gè)層面。

操作控制度是指用戶對實(shí)驗(yàn)對象操作控制時(shí)的置信度，包括控制對象在操作過程中反饋的準(zhǔn)確性和動(dòng)作的準(zhǔn)確性，從前景來看，包括三個(gè)層次：流程、數(shù)據(jù)和動(dòng)作。

3.3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在診斷學(xué)中的架構(gòu)

診斷學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容包括癥狀診斷、檢體診斷、實(shí)驗(yàn)診斷、器械檢查、病歷和診斷方法。診斷學(xué)中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以虛擬患者為基礎(chǔ)，構(gòu)建不同疾病的患者模型，如社區(qū)獲得性肺炎、支氣管哮喘、肺癌等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包含4個(gè)單元，分別是癥狀診斷、檢體診斷、實(shí)驗(yàn)診斷、器械檢查。

使用者通過人機(jī)交互界面與虛擬患者進(jìn)行對話，完成癥狀診斷;使用者可模擬視診、觸診、叩診及聽診等檢查，根據(jù)問診及查體開具相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)診斷和器械診斷，從而得出初步診斷結(jié)果。診斷學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以讓使用者沉浸式地模擬體驗(yàn)臨床診斷過程，重復(fù)練習(xí)體格檢查方法和掌握不同的體征，將基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)有效聯(lián)系起來。

診斷學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要可以包含人機(jī)交互界面、虛擬患者兩個(gè)部分，如圖1。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在診斷學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

診斷學(xué)這門課程的內(nèi)容包括搜集臨床資料的步驟和方法，對癥狀、體征和各種檢查結(jié)果的評價(jià)、分析和推理等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷、技能發(fā)展和動(dòng)機(jī)有正向影響[4]。診斷學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，構(gòu)建虛擬診斷環(huán)境，用于醫(yī)學(xué)院校學(xué)生及臨床醫(yī)生的問診、體征識(shí)別、診斷思維等訓(xùn)練。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展主要包括五個(gè)主要步驟：導(dǎo)師準(zhǔn)備、學(xué)習(xí)者準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、報(bào)告撰寫和結(jié)果評價(jià)。導(dǎo)師準(zhǔn)備，包括確定學(xué)習(xí)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)安排;學(xué)習(xí)者的準(zhǔn)備，包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)治療方案;實(shí)驗(yàn)實(shí)施，包括告訴學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)的目的、步驟和學(xué)習(xí)指南;撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告提綱和實(shí)驗(yàn)報(bào)告提示;評價(jià)結(jié)果，包括形成性評價(jià)、總結(jié)性評價(jià)和反饋。

我們以具體實(shí)驗(yàn)實(shí)施為重點(diǎn)來介紹。第一步進(jìn)行病例選擇，從平臺(tái)的虛擬患者庫中選擇預(yù)設(shè)的教學(xué)及考核病例;第二部進(jìn)行病史采集，學(xué)習(xí)者用語音或文字在問診框中輸入問診內(nèi)容虛擬患者用語音或文字回答;第三步進(jìn)行體格檢查，病患通過虛擬方式展現(xiàn)，學(xué)習(xí)者360°全方位進(jìn)行查看;第四步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢查，包括血常規(guī)、尿常規(guī)、生化、免疫等檢查;第五步進(jìn)行輔助檢查，學(xué)習(xí)者可以標(biāo)記診斷依據(jù)點(diǎn)，模擬真實(shí)檢查報(bào)告單;第六步進(jìn)行診斷結(jié)論，結(jié)合初步診斷結(jié)論及過程中懷疑病癥做出診斷;第七步確定治療方案，給出治療方案及處置方案，判斷是門診治療、住院治療還是轉(zhuǎn)診。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建仿真的臨床技能培訓(xùn)，以其交互性、智能性培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生和青年醫(yī)師，提高學(xué)習(xí)者的積極性和自主性，也能培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的臨床思維能力和動(dòng)手能力，有效彌補(bǔ)了在基礎(chǔ)階段開展相關(guān)臨床教學(xué)難度較大的不足。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在診斷學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用診斷學(xué)這門課程的內(nèi)容包括搜集臨床資料的步驟和方法，對癥狀、體征和各種檢查結(jié)果的評價(jià)、分析和推理等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷、技能發(fā)展和動(dòng)機(jī)有正向影響[4]。診斷學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，構(gòu)建虛擬診斷環(huán)境，用于醫(yī)學(xué)院校學(xué)生及臨床醫(yī)生的問診、體征識(shí)別、診斷思維等訓(xùn)練。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展主要包括五個(gè)主要步驟：導(dǎo)師準(zhǔn)備、學(xué)習(xí)者準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、報(bào)告撰寫和結(jié)果評價(jià)。導(dǎo)師準(zhǔn)備，包括確定學(xué)習(xí)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)安排;學(xué)習(xí)者的準(zhǔn)備，包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)治療方案;實(shí)驗(yàn)實(shí)施，包括告訴學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)的目的、步驟和學(xué)習(xí)指南;撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告提綱和實(shí)驗(yàn)報(bào)告提示;評價(jià)結(jié)果，包括形成性評價(jià)、總結(jié)性評價(jià)和反饋。

我們以具體實(shí)驗(yàn)實(shí)施為重點(diǎn)來介紹。第一步進(jìn)行病例選擇，從平臺(tái)的虛擬患者庫中選擇預(yù)設(shè)的教學(xué)及考核病例;第二部進(jìn)行病史采集，學(xué)習(xí)者用語音或文字在問診框中輸入問診內(nèi)容虛擬患者用語音或文字回答;第三步進(jìn)行體格檢查，病患通過虛擬方式展現(xiàn)，學(xué)習(xí)者360°全方位進(jìn)行查看;第四步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢查，包括血常規(guī)、尿常規(guī)、生化、免疫等檢查;第五步進(jìn)行輔助檢查，學(xué)習(xí)者可以標(biāo)記診斷依據(jù)點(diǎn)，模擬真實(shí)檢查報(bào)告單;第六步進(jìn)行診斷結(jié)論，結(jié)合初步診斷結(jié)論及過程中懷疑病癥做出診斷;第七步確定治療方案，給出治療方案及處置方案，判斷是門診治療、住院治療還是轉(zhuǎn)診。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建仿真的臨床技能培訓(xùn)，以其交互性、智能性培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生和青年醫(yī)師，提高學(xué)習(xí)者的積極性和自主性，也能培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的臨床思維能力和動(dòng)手能力，有效彌補(bǔ)了在基礎(chǔ)階段開展相關(guān)臨床教學(xué)難度較大的不足。

參考文獻(xiàn)

[1] Z. Hui， “Head-mounted display-based intuitive virtual reality training system for the mining industry，” INTERNA-TIONAL JOURNAL OF MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY， vol. 27， pp. 717–722， JUL 2017.

[2] B. J. Park， S. J. Hunt， C. Martin， III， G. J. Nadolski， B. J. Wood， and T. P. Gade， “Augmented and Mixed Reality： Tech-nologies for Enhancing the Future of IR，” JOURNAL OF VASCULAR AND INTERVENTIONAL RADIOLOGY， vol. 31， pp. 1074–1082， JUL 2020.

[3] H. Ronghuai， Z. Lanqin， and C. Wei， “The learners cognition and credibility of virtual experiments，” Open Educa-tion Research， vol. 18（06）， pp. 9–15， 2012.

[4]E. Paxinou， C. T. Panagiotakopoulos， A. Karatrantou， D. Kalles， and A. Sgourou， “Implementation and Evaluation of a Three-Dimensional Virtual Reality Biology Lab versus Conventional Didactic Practices in Lab Experimenting with the Photonic Microscope，” BIOCHEMISTRY AND MOLECULAR BIOLOGY EDUCATION.

[5] K. Matsunaga， M. M. Barnes， and E. Saito， “Exploring， negotiating and responding： international students experiences of group work at Australian universities，” HIGHER EDUCATION.