基于5G虛擬仿真技術的混合式教學模式的探究

梁熠溥 程怡娟 張南南

［摘 要］ 基于5G的虛擬仿真教學是一種新型實驗醫學學科教學模式，其克服了傳統醫學實驗技術教學模式在場地、時間、管理等方面的限制，具有開放性、互動性、直觀性等優勢，極大地改善了高校醫學實驗技術人才的培養模式，是未來培養醫學實驗技術人才的重要方式。圍繞基于5G的虛擬仿真教學模式在醫學實驗技術人才培養中的特點，闡述了目前該培養中模式的應用及優點和缺點，對該培養模式未來的發展具有良好的啟示作用。對該種培養模式給予了一個積極、良好的展望。

［關鍵詞］ 5G；虛擬仿真技術；醫學實驗

［基金項目］ 2023年度成都市重點研發項目“基于中西醫結合智慧化管理平臺的肥胖等代謝病預警與診療的應用示范研究”（2023-YF09-00052-SN）；2021年度四川省衛生廳普及應用項目“趨化因子CXCL13作為NASH相關胰島素抵抗和炎癥浸潤治療靶點的多重評價與鑒定”（21PJ047）

［作者簡介］ 梁熠溥（2001—），男，陜西渭南人，學士，四川大學華西口腔醫學院助教，主要從事口腔醫學、數字化教學研究；程怡娟（2003—），女，湖北孝感人，學士，四川大學華西臨床醫學院助教，主要從事臨床醫學、數字化教學研究；張南南（1988—），女，山東濟寧人，博士，四川大學華西第二醫院副研究員（通信作者），主要從事醫學教育及基礎研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）37-0120-05［收稿日期］ 2023-01-30

引言

醫學實驗技術是實踐性、操作性較強的專業，其主要目的是為臨床、醫學研究等工作的開展提供保障。醫學實驗技術人才的培養要求為掌握必需的醫學相關專業的理論知識和實驗室內操作技能，這就需要購置大量的現代化設備，構建高水平的實驗平臺。近年來隨著高校擴招，高校實驗資源、實驗指導教師數量和實驗室安全等多方面存在限制，傳統醫學實驗技術成本高、風險大、針對性差、難以多學科交叉教學、難以定量評價等弊端逐漸顯現。同時，傳統的教學方式存在學生學習興趣不高、學習效率不高等問題，因此探索“醫學實驗技術”課程新的教學手段已成為醫學實驗教學改革的趨勢［1-2］。

在“互聯網+”背景下，將現代信息技術與教學過程深度融合已被認定為實現教學改革的主要手段，虛擬仿真技術為醫學實驗教學改革提供了有效實現路徑［3］。

一、基于5G虛擬仿真技術的醫學實驗技術人才培養模式

（一）基于5G的虛擬仿真實驗室概念

5G技術指的是第五代移動通信技術，具有寬帶高、延時低、穩定和可靠等優點［4］。5G技術具有先進的毫米波技術、大規模MIMO技術和D2D技術，其網速傳輸速度從100Mbps提升到了1Gbps，網絡延時從20～30ms縮短至1ms。虛擬現實技術（Virtual Reality）是指通過計算機生成一系列可創建、可體驗的虛擬環境的計算機仿真系統，可以使用戶沉浸在計算機創建的三維動態實景中，使其在虛擬環境中具有真實的體驗感覺［5］。

虛擬仿真實驗室是利用高端的VR技術，對實驗室內所需要的設備、儀器和環境進行虛擬，并根據實驗要求構建三維實驗場景，再結合動畫、圖片、視頻和音頻等模擬真實實驗環境，讓實驗人員在接近真實的實驗環境中，完成預定實驗技能的訓練［6-7］。1989年美國的威廉·沃爾夫教授首先提出了虛擬仿真實驗室的概念［8］?！秶抑虚L期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中明確提出了“加強網絡教學資源體系建設、引進國際優質數字化教學資源、開發網絡學習課程、建立數字圖書館和虛擬實驗室、建立開放靈活的教育資源公共服務平臺”等一系列要求［9］。2012年3月，教育部印發的《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》中指出：“推進信息技術與教育教學深度融合，實現教育思想、理念、方法和手段全方位創新?！保?0］2013年，教育部已遴選建設了300個國家級虛擬仿真實驗教學，其中與醫學相關的虛擬仿真實驗教學中心有37個［11］。

基于5G的仿真實驗室既要依托開放式的虛擬仿真實驗管理平臺，又要依靠5G全網規劃仿真教學系統的支持，由網絡實驗仿真平臺和虛擬實驗教學管理系統兩部分組成。

5G技術實現了信號高速率移動傳輸，虛擬仿真技術滿足了醫學實驗教學應用。基于5G虛擬仿真技術的實驗室可通過VR體驗虛擬實驗室的存在感、自主性和交互性，可實現沉浸式教學，又可在時間和空間上延伸實體實驗教學［11］，使學生隨時隨地實現自主學習和個性化學習。

（二）基于5G虛擬仿真技術的醫學實驗技術人才培養模式的優點

基于5G虛擬仿真技術的混合式醫學實驗技術人才培養模式是將傳統的面對面的教學方式與現代計算機技術輔助的視聽媒體的教學方式相結合。混合式實驗技術教學模式是將混合式教學方式用于實驗技術教學，將虛擬仿真實驗室與傳統的實驗室教學方式相結合，充分發揮醫學實驗技術專業學生的學習主體地位的教學模式。5G虛擬仿真技術的混合式教學模式則是將最先進的5G移動通信技術與VR技術相結合構建虛擬仿真實驗室，同時結合傳統的實驗教學模式構建的混合式教學模式。此種教學模式具有以下幾個優點：（1）提高了教學效率和質量。此種教學模式改變了傳統教學模式中以教師為主導，單方面講授的授課形式，提高了學生的參與度和積極性，可以有效提高醫學實驗技術人才的培養效率。（2）克服了傳統實驗教學的限制。比如實驗場地、人數、實驗室安全、貴重儀器等方面的限制，能夠讓學生不受場地、時間、次數、安全因素等的限制，開展醫學實驗技術的訓練和學習［12］。（3）降低了人才培養的成本。醫學實驗技術是實驗學科，需要大量的儀器、試劑、耗材等。然而虛擬仿真實驗室不需要真實的儀器、耗材等，降低了醫學實驗所需耗材、儀器損耗等成本。（4）基于5G虛擬仿真技術的混合式教學模式，既有線上虛擬仿真實驗室的培訓，又結合了線下傳統教學模式查漏補缺；既保留了傳統醫學實驗教學方面的優勢，又運用先進技術手段，充分調動了學生學習的積極性和主動性［11］，將兩種教學模式很好地結合起來，能夠取得良好的教學效果。

二、基于5G虛擬仿真技術的混合式人才培養模式在醫學實驗技術中的應用

基于5G虛擬仿真技術的混合式教學模式新穎、創新，能夠提高學生的學習興趣和改善學習效果。教育部辦公廳發布的《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》明確提出，2017—2020年在普通本科高等學校開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作，到2020年認定1 000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目［13］。目前越來越多的高校如上海交通大學、武漢大學、廈門大學、空軍軍醫大學等采用虛擬仿真實驗室開展醫學實驗技術的教授［14-15］。然而虛擬實驗和真實實驗畢竟存在差異性，其教學成果是否具有可替代性，還需進一步評估。

南方醫科大學在醫學微生物實驗教學中，分別選用了傳統實驗室、虛擬仿真實驗室和混合實驗室的培養模式，調查結果顯示，單純的虛擬仿真實驗室的教學滿意度為68.3%，81.1%的學生對混合式實驗室教學模式效果持滿意和積極的態度，因此結合線上線下的混合式實驗培養模式得到了較好的評價［6］。南方醫科大微生物實驗教學效果評估結果顯示，混合式醫學微生物學實驗教學模式能夠有效提高學生分析問題、解決問題的能力，同時有效地提高了學生對“醫學微生物實驗”課程的學習興趣［6］。以上調查結果均顯示，虛擬仿真實驗室教學方式結合傳統實驗室教學方式的混合式培養模式具有良好的教學效果，54.3%的學生認為能夠有效提高成績，因此對結合虛擬仿真實驗室的混合式教學模式持有滿意和積極的態度［6］。因此，與單純的虛擬仿真醫學實驗教學模式相較，線下傳統的醫學實驗技術教學方式結合虛擬仿真實驗技術的新型教學模式，可能會取得更好的教學成效和教學成果，有助于醫學實驗技術人才的培養。虛擬仿真實驗室可作為輔助手段，彌補傳統實驗技術人才培養模式的不足，拓寬學生視野，豐富醫學實驗內容。

廣州醫科大學附屬第一醫院檢驗科開展了實驗技術教學研究，選擇60名醫學檢驗技術專業的本科生，采用單純的線下傳統模式的全自動生化儀進行教授方式，另外選擇60名醫學生采用傳統的線下講授結合虛擬仿真實驗室再加上線下儀器操作訓練的方式。課程結束后，評估兩種培訓模式下的理論和實驗教學成果［6］。結果顯示，混合式培養模式下學生的理論成績和技能成績均明顯高于傳統教學模式組，在混合式培養模式下，96%的學生對虛擬仿真實驗室感興趣，85%的學生對軟件教學內容持滿意的態度［6］。然而基礎不扎實或者電腦操作不熟練的學生不能很好地適應虛擬仿真實驗教學，他們在該種教學模式下學習感到困難。

南開大學醫學院在2016級和2017級臨床醫學和口腔醫學學生中開展了禽流感病毒分離培養的虛擬仿真實驗教學［16］。以采用傳統教學模式的2015級臨床醫學和口腔醫學的學生為對照，通過調查問卷調查學生對虛擬仿真平臺的滿意度和認同度。調查結果顯示其中94.0%的學生對該實驗項目滿意；78.6%的學生認為虛擬仿真實驗平臺能夠幫助自己理解和掌握實驗原理和技能；66.7%的檢驗科醫學生認為，該平臺提高了自己醫學實驗技術的操作能力、分析實驗技術相關問題和解決問題的能力；77.4%的醫學實驗檢驗學的學生認為該平臺培養了實驗室生物安全意識和防護技能［16］。與采用傳統教學的2015級學生相比，采用虛擬仿真實驗室教學的學生的期末理論考試成績明顯提高。綜上，學生認為虛擬仿真實驗平臺大大提高了自己學習的興趣和主動性，提高了實驗教學的效果。

以上研究充分證明了虛擬仿真技術在醫學實驗技術人才培養中具有互動性高、學生自主性強、學習效果好等多方面的優勢，其在醫學實驗技術人才培養方面，具有更好的教學效果。然而由于該醫學實驗技術人才培養模式的創新性和獨特性，教師需要花費更多的時間、精力熟悉相關的培養體系，其建設機制和培養機制也需要進一步摸索和探討，對于后期的培養效果，也需要在長期的臨床工作中去檢驗和評估。

三、基于5G的虛擬仿真技術醫學實驗技術人才培養現狀與面臨的問題

（一）高?；A設施建設水平的不平衡導致醫學實驗技術虛擬仿真實驗室建設效果參差不齊

虛擬仿真實驗室建設的前提是計算機技術和互聯網大數據及完善的網絡支撐。因此，建設高校先進實驗室網絡資源，對虛擬仿真實驗室建設至關重要［17］。不同高校在不同學科專業領域的學術建設不同，有些專業比較熱門，資金配套到位，投入的經費較多，其虛擬仿真實驗室的建設就會先進；有些高校由于不太重視虛擬仿真實驗室教學，或由于其他客觀原因，其虛擬仿真實驗室的建設就會相對較慢。因此，虛擬仿真實驗室的建設，需要高校重視起來，并投入更多的資金、人員來專門建設。

（二）進一步提升虛擬仿真醫學實驗技術教師的教學水平

隨著虛擬仿真醫學實驗技術教學體系的應用，教師原有的單純的醫學實驗技術的教學習慣將會被改變，在該模式下，要求醫學實驗技術教師學習并掌握醫學實驗技術虛擬教學平臺的使用及相關的評價體系和管理模式。虛擬仿真實驗技術的應用，對教師提出了更高的要求。教師既要掌握醫學實驗技術傳統的教學技能，又要掌握虛擬仿真醫學實驗技術相關的技能，包括課程使用、課程創制、課程評價以及虛擬實驗平臺的相關管理、維護等技能［18］。醫學實驗技術的教師不僅要學會傳統的線下實驗教學模式以及與學生的互動等教學技能，還要在虛擬仿真實驗教學過程中，及時發現學生的疑問和未掌握的難點，進行反饋式再教學，以提高醫學實驗技術相關專業醫學生的實驗技能、學習興趣和創新能力。

（三）醫學實驗技術人才培養應用中的虛擬仿真實驗室后期的管理、維護保養是高校教學面臨的重點和難點

虛擬仿真實驗室的建設需要高校投入大量的建設資金和人力，且醫學實驗技術虛擬教學平臺建成之后，也需要投入大量的人力、物力來進行后續的管理、維護和保養。虛擬仿真實驗平臺軟件建好后，還需根據實際教學過程中教師和學生的需求，不斷改進、完善和更新，這都需要投入專業的人才和資金維持運營。這部分的投入也將是高校面臨的一個重點和難點。

結語

隨著我國5G技術的不斷創新和發展，基于5G技術的虛擬仿真教學已經解決了部分延遲、卡頓等問題，醫學實驗技術的學習場景也在不斷創新。目前我國高校的虛擬仿真實驗教學技術已廣泛應用于生物學教學、化學實驗、醫學口腔技術、醫學實驗技術等方面［19-20］，隨著國家加大對虛擬仿真實驗教學的投入，越來越多的醫學相關實驗技術已經開始試驗虛擬仿真實驗教學。尤其在特殊時期，虛擬仿真實驗教學的需求越來越大，隨之而來的是對以虛擬仿真技術為基礎的醫學實驗技術相關教學內容的需要，高校教師需不斷創新和探討，對于虛擬仿真教學技術的培訓也需不斷加大力度。未來，虛擬仿真技術應用于醫學實驗技術人才培養的機會會越來越多，推廣范圍也將越來越大。

（課題組成員：梁熠溥、程怡娟、王青、王一玨、潘子建、朱彤、張南南）

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Exploration on the Mixed Teaching Mode Based on 5G Virtual Simulation Technology： Taking the Training of Medical Experimental Technicians as an Example

LIANG Yi-pu1a， CHENG Yi-juan1b， ZHANG Nan-nan2

（1. a. West China Stomatological College， b. West China Clinical Medical College， Sichuan University， Chengdu， Sichuan 610041， China; 2. China Birth Defects Monitoring Center， West China Second Hospital， Sichuan University， Chengdu， Sichuan 610041， China）

Abstract： The virtual simulation technology based on 5G is a new teaching mode of experimental medicine， which overcomes the limitations of traditional medical experimental technology teaching mode in terms of space， time， management and so on. And it has the advantages of openness， interactivity， intuitiveness and greatly improves the training mode of medical experimental technology talents in colleges and universities. It becomes an important way of training medical experimental technology talents in the future. Based on the characteristics of 5G based virtual simulation teaching mode in the training of medical experimental technology talents， this paper discusses the application， advantages and disadvantages of the training mode at the moment， which has a good enlightenment for the development of the training mode in the future. This article gives a positive and good prospect for this kind of cultivation mode.

Key words： 5G; virtual simulation technology; medical experiment