虛擬仿真實驗教學平臺在外科基本技能教學中的應用

劉樹義 屈肖肖 王志浩 王 鵬 蘭 凱

西安醫學院 陜西西安 710021

虛擬現實(virtual reality，VR)技術是一項基于計算機技術并通過圖形處理、人機交互、傳感、網絡傳輸及人工智能等方式模擬人體多種感知覺綜合性應用技術，由計算機圖形之父薩瑟蘭于1965年提出。由于VR技術具備沉浸性、交互性及想象性這三個特點，使得該項技術備受廣大醫學界學者們的關注，并將該技術引入醫學教育和科學研究。近年來，國家對各級院校虛擬仿真實驗教學中心的建設給予了大力支持，并建設了一批示范性項目在全國范圍內推廣應用。截至2021年9月，經國家認定的國家級虛擬仿真實驗項目總數達3250個，其中醫學相關專業366個，占比11.26%。設立這些項目的目的在于探索相較于傳統實驗教學更加個性化、智能化、泛在化的實驗教學模式，打造專業布局合理、教學效果優良、開放共享的信息化實驗教學示范體系，進一步全面提高高等教育教學質量。臨床技能學是針對臨床醫學、口腔醫學等專業學生開設的一門實踐性課程，同時也是學生掌握疾病診療、培養臨床思維的重要實踐性課程之一，在醫學生整個醫學教育過程中發揮著重要作用。此課程區別于其他課程的特征在于其強調實踐性，對教學資源的需求明顯高于理論教學，因此傳統的教師講授+實操演示的教學模式和相對缺乏的教學資源，已很難滿足當下醫學生對臨床技能反復練習的需求。但是將VR技術引入臨床技能學的教學過程，能夠有效優化教師授課方式，節約教學模型、器械、耗材，增加學生課后練習的機會。目前，國內不少醫學院校將VR技術應用于診斷學、病原微生物學、內科學等課程教學中，教學效果良好，成果顯著，同時也深受師生歡迎。本研究將VR技術引入臨床技能學教學，初步取得了一定的效果，并結合VR技術的前景、應用效果、優勢與不足綜合分析探討其應用可行性。

1 VR技術的應用前景

隨著經濟的發展，社會對醫療衛生服務質量的要求大幅提升，這對相關從業人員的專業素質、崗位勝任能力提出了新的更高的要求。強化醫學生、臨床醫生臨床基本技能的學習與訓練是提升綜合業務素質的重要環節之一。但在傳統的教學活動中，教師大多是基于仿真模型進行，教學方式多以教師講授與演示+學生練習為主。這種教學模式的缺陷十分顯著，包括教學形式簡單、教學時間與場地受限、學生反復練習機會少等，隨著授課的深入，學生學習的積極性、主動性逐漸下降。近年來，隨著VR技術的發展，其在各領域的應用極大地推動了相關行業的發展，特別是醫學領域。將VR技術引入外科基本技能教學中，不僅能夠有效解決練習場地、時間受限問題，還可以通過豐富、優化虛擬仿真教學平臺資源，為學生帶來全新的學習體驗，激發學生的學習興趣，達到強化臨床技能記憶與靈活運用的目標。在臨床思維培養方面，利用VR技術模擬疾病診治、綜合急救等臨床情景，可以有效內化專業知識，同時也能增強學生靈活運用專業知識解決臨床實際問題的能力。此外，VR技術還可以應用于臨床醫學教育中外科手術的教學，通過將虛擬仿真技術、硬件設備與常見疾病的外科手術方案整合，形成能夠模擬外科手術操作全過程的虛擬仿真資源。學生利用這些資源，在進一步鞏固外科基本技能的基礎上，還能切身體驗疾病手術治療的方法和流程。總之，在傳統教學的基礎上，將VR技術合理引入醫學生和臨床醫生臨床技能教學過程，能夠優化教學過程，使學生的學習收獲最大化，對提升學生的綜合素質有重要意義。

2 VR技術在臨床技能學教學應用中的探索

如前所述，VR技術不僅能為學生提供良好、可反復練習的訓練平臺，同時能模擬許多真實的臨床場景，這使得學生在鞏固新知的基礎上，較好地提升臨床邏輯思維能力。但是，我校及諸多醫學院校在外科基本技能的培養過程中，依然在以“講授+演示”的方式進行。為此，結合我校學生人數多、教學資源相對不足的具體實際，我們嘗試通過將VR技術引入臨床外科基本技能學教學過程，旨在優化教學方式，解決傳統教學中遇到的瓶頸問題。

2.1 為臨床技能教學提供新工具

臨床技能是醫學院校培養臨床醫學專業學生的重要內容之一。如何讓學生在有限的時間內學會并靈活應用各項技能解決臨床問題，是當下相關課程教師所面臨的巨大挑戰。傳統的單一授課方式，很難滿足學生對技能知識的理解和訓練需求，對于剛進入臨床課程學習階段的學生而言，外科技能的操作方法煩瑣、難懂，不易掌握，更不能體會到每項技能在解決臨床問題時的場景，因而使學生的學習積極性逐漸受到影響。將VR技術應用到臨床技能教學，能夠為師生提供全方位、立體式的VR視角，在模擬操作的同時，也將臨床技能的諸多臨床應用情景逐步滲透于學生的臨床思維。因此，VR技術是現階段滿足學生學習、訓練及應用臨床技能需求的最佳途徑，同時這種新的教學工具能激發學生的學習興趣。

2.2 VR技術應用效果

為探索VR技術應用于臨床技能教學的實際效果，在2019—2020學年、2020—2021學年，將VR技術引入臨床技能學外科技能(外科手消毒、穿戴手術衣手套、消毒鋪巾等)教學，VR授課學生人數為165人(觀察組)，傳統授課160人(對照組)。在教學結束后，分別從教學滿意度、技能考核成績、綜合能力評價三個方面評估教學效果。在教學滿意度方面，學生對VR教學的滿意度更高，具有顯著性差異(P<0.05)，見表1。在技能考核方面，觀察組學生的總體成績明顯高于對照組，差異具有統計學意義，見表2。在綜合能力方面，觀察組學生的操作能力、學習效率、學習主動性、臨床思維能力、解決問題能力、知識掌握及理解程度均優于對照組，見表3。上述數據均表明，VR作為輔助教學工具，能使得學生學習獲益最大化，同時也使得教師在新形勢下的教學手段更加靈活，通過分析學生的學習軌跡和后臺記錄的數據，為將來進一步優化教學方案提供方向和支撐。

表1 教學滿意度調查情況(n，%)

表2 外科基本技能考核成績情況

表3 綜合能力評價

3 VR實驗教學融入課程思政元素

2020年教育部頒布的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出，要發揮課堂教學這一主渠道，將思政元素融進課堂教學的整個過程，通過深入挖掘各類課程和教學方式中蘊含的思想政治教育資源，讓學生通過學習，掌握事物發展規律，通曉天下道理，豐富學識，增長見識，塑造品格，努力成為德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人。基于VR技術的虛擬仿真實驗教學課程，能夠高質量完整課程本的教學目標外，同樣也為課程思政的開展提供了“潤物無聲”的思政元素融入途徑。在進行VR設備進行教學時，通過模擬臨床場景、技能操作畫面、聲效渲染等方式，讓學生能夠直觀地感受什么是救死扶傷，什么是醫者仁心，進而更加明確人生未來的方向與價值，同時也深深感悟到作為一名醫務工作者應該肩負的社會責任。例如，在利用VR技術進行心肺腦復蘇教學時(見下圖)，通過模擬火場、落水等不同場景，不僅能讓學生獲得心肺復蘇的基本技能，逐漸樹立了急救思維，還能使學生切身體會爭分奪秒的緊迫感、成功挽救生命的成就感及對醫生這份職業的認同感。而這些基本素養的培養，通過傳統教學模式很難實現。

情景化綜合急救

4 VR技術在臨床技能學教學應用中的優勢與不足

新醫科背景下，醫學院校在培養專業人才時，應緊密結合經濟社會發展大趨勢，為新時代健康中國戰略的實施奠定人才基礎。但在傳統醫學教育模式下，大多數臨床醫學專業本科學生畢業后的崗位勝任能力非常薄弱，臨床經驗匱乏，基礎理論掌握不全面，病史采集、查體、縫合、換藥等基本技能不扎實，臨床診療思維尚未形成，無法為患者提供優質的醫療服務，易引發不良的醫患關系。因此，傳統醫學教學模式已經難以滿足新時代人才質量的要求。就培養醫學生臨床技能而言，在其進入臨床見習、實習之前，應用虛擬仿真教學平臺，能夠發揮其獨特優勢。首先，豐富教學資源，優化教學環節，提升教學質量。近年來發展成熟的VR技術為臨床技能學的教學活動注入新活力：以VR技術為基礎的虛擬仿真訓練系統，能讓學生清晰觀看每項技能的具體操作方法，并將技能的臨床場景以VR視角呈現給觀看者，這使得學生吸收知識的效率更高、印象更為深刻，與此同時也簡化了教學過程，弱化了教師的角色而增強了學生的參與度。其次，激發了醫學生的學習積極性。由于基于VR技術的虛擬仿真訓練系統能夠將部分技能制作成逼真的臨床手術場景，而VR設備又能將學生置身于手術情景中，通過人機交互的方式增強學生對每項技能的理解和應用。因此，這種教學方式讓學生在獲得技能相關知識的同時，還能真切體驗作為手術者的內心滿足感。最后，優化教學過程管理與監控。基于VR技術的虛擬仿真訓練系統，能夠記錄每位使用者的學習軌跡。授課教師通過后臺分析這些數據，便能更精準地掌握學情，并提出個體化的教學策略。這使得教學過程的管理更加簡單、高效，同時也對保障教學過程順利推進和提升教學質量具有重要意義。

當然，虛擬仿真技術是一種基于計算機與網絡的高精尖技術，將其引入臨床技能學的教學過程，也存在不足之處。首先，教學投入成本較大。基于VR的虛擬仿真技術涉及較多的硬件設備，需要對相應的軟件進行定期維護、更新，這會消耗大量人力、物力，而且部分電子產品有一定的使用年限。其次，雖然通過虛擬仿真技術能夠將臨床技能操作情景化，但與臨床實際應用場景相比，仍不夠靈活多變，缺乏必要的人文關懷，難以突出臨床工作的復雜性、多變性，不利于培養學生處理突發、應急狀況的處理能力和團隊協作能力。最后，基于VR技術的虛擬仿真訓練系統操作步驟較多，特別是交互性操作頻繁，需要配備具有一定計算機基礎技術的實驗人員或技術員，并且需要對初學者進行相關培訓。