虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于開放教育醫(yī)學(xué)實踐的思考

李靜然

（遼寧開放大學(xué)，遼寧沈陽 110034）

0 引言

醫(yī)學(xué)專業(yè)作為一門實踐性很強的學(xué)科，專業(yè)人才培養(yǎng)中強調(diào)理論與實踐并重，除了要求專業(yè)教學(xué)中開展扎實的理論知識教學(xué)，還必須開展豐富的臨床實踐練習(xí)[1]。可以說，強化和培養(yǎng)學(xué)生臨床實踐能力是鞏固和加深理論知識最有效的途徑，是國家培養(yǎng)高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才的必要之舉。

2017年，中共中央、國務(wù)院聯(lián)合印發(fā)《中國教育現(xiàn)代化2035》。此后，中共十九大提出：“必須把教育事業(yè)放在優(yōu)先位置，深化教育改革，加快教育現(xiàn)代化，辦好人民滿意的教育。[2]”從此，大數(shù)據(jù)、人工智能、5G和虛擬仿真等現(xiàn)代化信息技術(shù)在教育、教學(xué)領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)以現(xiàn)實為基礎(chǔ)創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境，借助現(xiàn)代化傳感裝置，讓體驗者在虛擬和現(xiàn)實的交互作用中獲得親臨真實環(huán)境的感受和體驗，進而達到提升學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)實效的目的[3]。近年來，因虛擬仿真技術(shù)能為學(xué)生提供感官模擬，進而使學(xué)生將所學(xué)的理論知識進行融會貫通，故其在醫(yī)學(xué)專業(yè)實踐教學(xué)過程中得到了空前推廣。

本文從教學(xué)實際出發(fā)，詳細(xì)介紹虛擬仿真技術(shù)在開放教育醫(yī)學(xué)實踐教學(xué)應(yīng)用的背景和現(xiàn)實意義，以期為開放教育醫(yī)學(xué)實踐教學(xué)改革提出具有創(chuàng)新性的建設(shè)目標(biāo)和思路。

1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用背景介紹

1.1 技術(shù)背景

1965年，“虛擬仿真之父”蘇澤蘭提出由計算機構(gòu)建虛擬世界的設(shè)想，開啟了虛擬仿真技術(shù)的研究[4]。1987年，James.D.Foley對虛擬仿真的含義、應(yīng)用、未來前景進行了全面的論述，虛擬仿真技術(shù)的基本理論開始形成[5]。進入21世紀(jì)，隨著各類信息技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，特別是計算機軟、硬件的快速發(fā)展，基于不同應(yīng)用場景的虛擬仿真設(shè)備開始出現(xiàn)。

2014年，教育部印發(fā)文件明確指出“國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心是高等教育信息化的重要組成部分”，標(biāo)志著虛擬仿真技術(shù)開始在教育領(lǐng)域進行推廣應(yīng)用[6]。隨后，全國各醫(yī)學(xué)高校陸續(xù)開展基于虛擬仿真技術(shù)的實踐教學(xué)探索與應(yīng)用，并在全國啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心遴選工作，共遴選出300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

2016年，教育部《關(guān)于辦好開放大學(xué)的意見》指出，“探索開發(fā)多種適合學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的工具和軟件，增強自主學(xué)習(xí)的交互性和有效性”[7]。從此，各級開放大學(xué)（原廣播電視大學(xué)）開始探索開放教育虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用。到2020年，《國家開放大學(xué)綜合改革方案》明確指出，“依靠5G、人工智能、虛擬現(xiàn)實、云計算等新技術(shù)，支撐信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，提高教育現(xiàn)代化水平”[8]。我國開放教育開始駛?cè)搿疤摂M仿真技術(shù)應(yīng)用”的快車道。

1.2 教學(xué)背景

醫(yī)學(xué)作為一門強調(diào)實踐的專業(yè)學(xué)科，專業(yè)的課程實踐、專業(yè)實驗及臨床實習(xí)是知識體系構(gòu)建的重要組成部分，其學(xué)習(xí)成果直接影響著未來工作水平，但受制于成人教育實踐教學(xué)資源的缺少和臨床實訓(xùn)的特殊性，學(xué)生很難實地開展實踐學(xué)習(xí)，大大降低學(xué)習(xí)實效[9]。

在實踐教學(xué)過程中存在難點和問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：例如醫(yī)藥課程專業(yè)性強，所需儀器設(shè)備多，實踐實操必須在實驗室進行；個別實踐實驗風(fēng)險大，對實驗條件要求非常高，學(xué)生要求必須在教師指導(dǎo)下方能開展練習(xí)，開放教育較難實現(xiàn)；生理學(xué)、藥理學(xué)、病理生理學(xué)等課程實踐教學(xué)需要實驗動物，既增加教育成本，又不符合動物倫理學(xué)要求；同時實踐教學(xué)的不可復(fù)制且成功率低的問題也會大大降低學(xué)生開展實踐學(xué)習(xí)的興趣，以上作為醫(yī)學(xué)專業(yè)實踐教學(xué)的共性問題，在開放教育中表現(xiàn)得更加突出[10]。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)實意義

2.1 解決成人學(xué)生的工學(xué)矛盾

開放教育不同于傳統(tǒng)的全日制教育，學(xué)生的工學(xué)矛盾問題嚴(yán)重，尤其是醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生大多從事臨床工作，很難有時間去學(xué)校開展實地實踐學(xué)習(xí)[11]。依靠虛擬仿真技術(shù)打造成集醫(yī)學(xué)教學(xué)、實踐、培訓(xùn)等功能于一體的綜合性實踐實訓(xùn)平臺，既保證24小時全天服務(wù)，又保證遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)訪問，打破了傳統(tǒng)實踐教學(xué)時間、地點、空間的限制，滿足學(xué)生“隨時、隨地、隨式”的學(xué)習(xí)需求，從而提高實踐教學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.2 解決實踐教學(xué)“三高三難”

虛擬仿真平臺以平臺軟件仿真為核心，允許操作者反復(fù)測試，并且不造成動物、器材和試劑的實際消耗，無論開設(shè)多少次實驗都不增加額外的投資，大大壓縮實驗經(jīng)費[12]。通過構(gòu)建與實際職業(yè)情境對接的虛擬仿真實訓(xùn)環(huán)境，提高實踐教學(xué)的感知性、沉浸性、交互性、智能性，能有效解決資源稀缺、臨床真實場景難復(fù)原等問題，進而解決實踐教學(xué)過程中高投入、高損耗、高風(fēng)險以及難實施、難觀摩、難再現(xiàn)的問題[13]。

2.3 提升實踐教學(xué)效率與效果

虛擬仿真技術(shù)能夠打破傳統(tǒng)實踐教學(xué)內(nèi)容枯燥、形式單一的弊端，因其內(nèi)容豐富、體驗逼真大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[14]。例如，通過模擬醫(yī)療行業(yè)的各種真實場景，如門診、病房、藥房、急救等，幫助醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生更直觀、快速地進入臨床實踐情景；同時，采用仿真化的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模式，降低時間與空間的限制，確保學(xué)生在模擬空間里，能夠思考與實踐相關(guān)的深層次問題，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

2.4 共建共享與社會服務(wù)需要

虛擬仿真平臺的設(shè)計大多從醫(yī)學(xué)職業(yè)、崗位、技能3個維度開展，同時兼顧行業(yè)領(lǐng)域最新需求，實現(xiàn)學(xué)生培養(yǎng)與行業(yè)技能培訓(xùn)兼顧、學(xué)歷證書與職業(yè)技能等級證書兼修的目的[15]。既能夠滿足開放教育學(xué)歷教學(xué)需要，滿足終身教育社會培訓(xùn)需求，又能實現(xiàn)開放教育終身化的目標(biāo)。

3 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用建設(shè)目標(biāo)

3.1 總體目標(biāo)

緊緊圍繞立德樹人根本任務(wù)，遵循“醫(yī)藥結(jié)合、虛實互補、實踐創(chuàng)新、資源共享”的建設(shè)理念，適應(yīng)新時代社會發(fā)展對醫(yī)學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的要求、順應(yīng)開放教育教學(xué)的規(guī)律，以及成人醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生的自身特點，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，通過平臺建設(shè)、資源建設(shè)、師資建設(shè)、教學(xué)建設(shè)等途徑，構(gòu)建“網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、開放化”的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺[16]。

3.2 具體目標(biāo)

吸收職業(yè)教育產(chǎn)教融合、工學(xué)結(jié)合等特點，通過建設(shè)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實訓(xùn)平臺，以全新的實訓(xùn)體驗推動人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新，著眼醫(yī)療行業(yè)人才技能需求，真正落實以能力培養(yǎng)為主的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式[17]。通過引入與虛擬現(xiàn)實、數(shù)字孿生等先進技術(shù)配套的教學(xué)資源，為師生帶來全新的沉浸式教學(xué)體驗，高度還原搭建的全新實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境。

深化教師隊伍培養(yǎng)方式改革，為教師搭建創(chuàng)新教學(xué)實踐平臺，提供教師創(chuàng)新技術(shù)培訓(xùn)，提升教師的虛擬資源開發(fā)能力和信息化教學(xué)能力，面向?qū)I(yè)高端人才培養(yǎng)，制定教師人才培養(yǎng)規(guī)劃，搭建一套完善的開放教育醫(yī)學(xué)專業(yè)教師培訓(xùn)體系[18]。

通過虛擬仿真平臺，對專業(yè)理論內(nèi)容進行有針對性的訓(xùn)練和鞏固，加深其對知識的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對于一些綜合型、不易現(xiàn)場實施的實踐在平臺中不斷反復(fù)練習(xí)，達到提高學(xué)生實操能力的效果[19]。

4 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用建設(shè)思路

4.1 強化校企結(jié)合

建立校企合作長效機制，與醫(yī)療企業(yè)、行業(yè)協(xié)作、共建。建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真平臺，以學(xué)校自身特色、優(yōu)勢的課程為基礎(chǔ)，結(jié)合地方社會經(jīng)濟發(fā)展需要，基于開放教育和醫(yī)學(xué)實踐的特點，緊貼市場、緊貼產(chǎn)業(yè)、緊貼職業(yè)，以實踐能力培養(yǎng)為中心、以職業(yè)需求為核心、以產(chǎn)、學(xué)、研、用結(jié)合為路徑，積極創(chuàng)新探索開放教育醫(yī)學(xué)實踐教育的新模式、新方法，培養(yǎng)具有完善的知識和職業(yè)技能的應(yīng)用型醫(yī)學(xué)人才。

4.2 堅持虛實結(jié)合

職業(yè)性和實踐性是醫(yī)學(xué)實踐教育的兩大顯著特點[20]。實踐教學(xué)是培養(yǎng)開發(fā)能力、創(chuàng)新能力、獨立思考與分析解決問題的能力，是提高學(xué)生素質(zhì)的重要手段。根據(jù)“立德樹人是根本、理論教學(xué)是基礎(chǔ)、能力培養(yǎng)是關(guān)鍵、實踐教學(xué)是重點”的人才培養(yǎng)思路，在保留原有醫(yī)學(xué)線下實習(xí)基礎(chǔ)上，依托虛擬現(xiàn)實和人工智能等新一代信息技術(shù)，以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合，強化課程實踐和綜合實踐環(huán)節(jié)的虛擬練習(xí)。

4.3 實現(xiàn)育訓(xùn)共享

根據(jù)《國家開放大學(xué)綜合改革方案》文件精神，開放大學(xué)作為區(qū)域終身教育的主要力量，承擔(dān)區(qū)域產(chǎn)業(yè)技術(shù)人才培訓(xùn)和繼續(xù)教育任務(wù)。因此，開放教育醫(yī)學(xué)虛擬仿真實訓(xùn)平臺應(yīng)面向醫(yī)療行業(yè)和企業(yè)開設(shè)各種相關(guān)的臨床醫(yī)學(xué)培訓(xùn)課程，為各類醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)者搭建便捷、靈活、有效、個性化的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，依托平臺實現(xiàn)師資、課程、設(shè)施、數(shù)據(jù)等全方位共享，搭建學(xué)歷教育與非學(xué)歷培訓(xùn)之間融會貫通的“立交橋”。

5 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用核心內(nèi)容

5.1 遴選虛擬仿真實踐課程

醫(yī)學(xué)虛擬仿真實踐平臺應(yīng)有一系列與職業(yè)技能密切相關(guān)的課程組成，而這些課程的遴選要重點考慮那些在線下教學(xué)中真實實驗條件不具備或?qū)嶋H運行困難，或涉及高危、高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等難題的實踐課程。

同時，要確保課程設(shè)計能夠還原實踐的教學(xué)要求、實驗原理、操作環(huán)境及互動感受，達到培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際，通過實踐提高自主解決問題的能力，不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

5.2 建設(shè)虛擬仿真實驗資源

為了提高學(xué)生的實踐動手能力，針對醫(yī)學(xué)課程教學(xué)需求，建設(shè)開發(fā)虛擬仿真實驗項目及相關(guān)教學(xué)輔助資源，課程資源設(shè)計堅持虛擬仿真—現(xiàn)場實踐為主線，配合3D模型、平面圖像、動畫、音頻視頻等，將專業(yè)理論知識、方法運用和實操訓(xùn)練相結(jié)合，為學(xué)生提供一個直觀、形象、逼真、方便和可重復(fù)操作的實踐環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在虛擬實踐環(huán)境中，綜合運用案例啟發(fā)、情景模擬和自主學(xué)習(xí)等多種教學(xué)方法與手段，通過VR頭盔、3D追蹤眼鏡、沉浸式VR大屏等設(shè)備增加實踐的沉浸感、臨場感和交互性，使學(xué)生仿佛置身在真正的臨床實踐場所，并通過視、聽等感官刺激，幫助學(xué)生深刻理解知識的重點和難點。

開展人機交互式操作設(shè)計，配備多種流程化操作，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)逼真呈現(xiàn)實驗實訓(xùn)的場景、設(shè)備、用品工具等。3D動畫演示操作流程，學(xué)生可隨意選擇每個步驟進行任務(wù)操作演示。針對不同職業(yè)設(shè)計不同的虛擬實訓(xùn)，例如、手術(shù)、護理、制藥等，熟悉強化技能。

5.3 搭建教學(xué)反饋分析系統(tǒng)

搭建標(biāo)準(zhǔn)一體化“教、學(xué)、練、考、評”反饋分析系統(tǒng)，實現(xiàn)實踐課程、教學(xué)資源、實踐過程、實踐結(jié)果、教學(xué)評價于一體的綜合管理模式，根據(jù)面向人群的不同，設(shè)為學(xué)生端和教師端。其中，學(xué)生端包含作業(yè)管理模塊和考試管理模塊。學(xué)生通過作業(yè)管理模塊可以完成教師下發(fā)的作業(yè)，作業(yè)完成后系統(tǒng)通過作業(yè)管理模塊自動為作業(yè)判分；通過考試管理模塊可以完成教師下發(fā)的試卷，完成試卷后系統(tǒng)通過考試管理模塊自動為試卷判分。

教師端包含作業(yè)管理模塊、考試管理模塊、實驗過程管理模塊以及統(tǒng)計分析模塊。教師通過作業(yè)管理模塊可以下發(fā)作業(yè)，還可以按專業(yè)、科目、學(xué)生來查看作業(yè)的完成情況。通過考試管理模塊可以設(shè)置組卷規(guī)則，由系統(tǒng)自動組卷，教師可以按專業(yè)、科目、學(xué)生來統(tǒng)計考試成績。通過實驗過程管理模塊教師可以查看學(xué)生的實驗過程回放，便于教師掌握學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)出現(xiàn)的錯誤。通過統(tǒng)計分析模塊，可以按專業(yè)、科目、學(xué)生來查詢統(tǒng)計作業(yè)成績情況、考試成績情況以及系統(tǒng)通過該模塊自動化統(tǒng)計學(xué)生知識點掌握情況，真正實現(xiàn)實踐教學(xué)流程化、智能化、精細(xì)化和數(shù)據(jù)化。

6 結(jié)束語

虛擬仿真與實踐教學(xué)融合發(fā)展已成為教育改革中的熱門話題。虛擬仿真因其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，在我國高校的醫(yī)學(xué)專業(yè)教學(xué)中得到了普遍應(yīng)用。時下，開放教育領(lǐng)域虛擬仿真技術(shù)還處于起步階段，但通過研究可以看出，對其應(yīng)用推廣能有效打破開放教育實踐教學(xué)“形式化”這一積弊。期望在不久的將來，在開放教育領(lǐng)域也能看到虛擬仿真技術(shù)“遍地生花”。