基于虛擬仿真系統的精準放療技術實踐教學探索研究
——以福建醫科大學為例

陳 君，郭飛寶，郭 翌，邱玲娜，藍林臻，柳炫宇，鄭厚兵

（福建醫科大學附屬第一醫院，福建 福州 350005；福建醫科大學附屬第一醫院濱海院區國家區域醫療中心，福建 福州 350212）

隨著放射治療技術的不斷涌現，放射治療逐步進入精準放療時代。放射治療學是影像技術學、人體解剖學和放射物理學等多學科知識結合的學科，放射治療學作為福建醫科大學四年制醫學影像技術專業的必修課程，學生除了要學習放射物理學、放射生物學的基本理論知識及惡性腫瘤的基本治療手段外，還要掌握先進的放療技術。然而臨床實踐教學存在開展難度大、時間有限等問題，傳統帶教方式無法滿足學生學習需求。

近年來，虛擬現實、增強現實、混合現實、拓展現實等技術被廣泛應用于醫學教育領域，這一類沉浸式教學手段能高度還原實驗場景，無需昂貴的硬件設備，具有極大的應用潛力[1-3]。為提升我國虛擬現實產業核心技術與各行業的融合發展，2022年，工業和信息化部、教育部等五部門印發《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022—2026年）》，提出在中小學校、高等教育、職業學校建設一批虛擬現實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓基地。盡管VR 等技術已被應用于外科手術，然而在放療尤其是在先進放療技術方面仍處于探索階段[4-7]。針對放射治療學中X 刀等先進放療技術難以開展實踐教學的問題，提出了搭建精準放療虛擬仿真教學平臺，旨在提供系統且個性化的教學實踐方式，以培養學生獨立思考的能力及勇于探索的精神。

1 放射治療學實踐教學困境

放射治療學是一門理論與臨床實踐相結合的課程，要求學生通過臨床實踐掌握放療技術，但在臨床實踐教學中存在以下問題。

1.1 學生臨床實踐機會少，難以完全掌握放療技術原理及實踐方法

目前放射治療學課程教學主要以理論授課為主、臨床實踐為輔。由于臨床科室腫瘤患者數量較多，相關的儀器設備如直線加速器等長時間維持高負荷運轉狀態，難以有空機時間，導致學生臨床實踐機會較少，學生多數時間僅能通過課本或幻燈片學習放療技術理論知識，難以掌握這些技術的原理及實踐方法。

1.2 學生臨床實踐僅能進行簡單的指令操作，缺乏實操經驗

直線加速器等設備價格昂貴、維修成本高，特別是開展X刀的高端設備，如福建醫科大學附屬第一醫院的直線加速器Infinity 等。由于直線加速器實踐操作較復雜，一旦出現人為操作失誤引起設備故障將會導致設備停機檢修，嚴重影響患者的治療，因此這些設備無法對學生完全開放，學生在進行實踐時僅能進行一些簡單的指令操作，大多數時間只能觀看帶教教師的操作講解，導致學生缺乏實操經驗。

1.3 臨床實踐教學缺乏一對一個性化教學

臨床實踐教學多是以“一帶多”的形式開展，醫院科室環境較嘈雜，帶教教師無法開展一對一個性化的實踐教學指導[8-9]，因此，如何讓學生將理論知識靈活應用于多樣化場景中，培養其獨立分析及解決問題的能力值得思考。

2 基于虛擬仿真系統的精準放療技術實踐教學模式探索

2.1 精準放療技術虛擬仿真系統的建設

虛擬仿真系統基于3D 創作引擎進行開發，系統的主要組成結構：（1）實驗介紹：該模塊為學生提供實驗流程引導信息，在實驗開始前向學生介紹實驗目的、實驗背景、實驗儀器設備等，讓學生對實驗內容有全面的了解。（2）治療實施：該模塊根據實際放療流程分為患者復位與患者治療兩部分，學生根據學習任務完成相應的實驗步驟。（3）實驗考查：預先設置客觀題庫，學生在完成患者治療部分后，系統將隨機從題庫中抽取題目對學生進行考查，使學生進一步鞏固所學知識；學生記錄實驗報告、自主學習報告及心得體會，并梳理知識點。（4）后臺管理：該模塊包括學生管理、題庫管理、成績管理、數據統計分析等部分。其中題庫管理、成績管理、數據統計分析部分主要針對帶教教師，方便其統計分析學生學習情況，以提高學生學習效率。此外，精準放療技術虛擬仿真系統還設置了人機交互功能。區別于傳統的動畫與圖片演示，學生通過精準放療技術虛擬仿真系統能操作直線加速器等昂貴設備，并能通過實時的系統反饋信息及時改正錯誤操作，達到模擬實踐的目的。人機交互功能主要包括問答交互、場景交互、模型交互等，學生不僅可在虛擬放療機房中進行實踐，還可以操作儀器完成實驗任務，在實踐過程中進一步鞏固知識點。

2.2 基于虛擬仿真系統的教學模式

采用翻轉課堂、團隊討論、案例式分析、場景模擬等教學法，將課堂授課及課后實踐相結合，構建理論與實踐結合、線上與線下結合的教學模式[10-11]（見圖1）。學生通過課堂學習知識及課外觀看相關視頻資料等方式為臨床實踐打下理論基礎，在掌握基本內容后，學生劃分團隊，以小組為單位分析討論臨床病例。在虛擬仿真系統中構建臨床模擬場景，學生在課后能隨時隨地進行實驗操作，并能根據學習情況與進度在課堂上跟帶教教師交流討論遇到的難點。

圖1 基于虛擬仿真系統的教學模式Figure 1 Teaching mode based on virtual simulation system

3 基于虛擬仿真系統的精準放療技術實踐教學模式實施效果評價

選取2019 級福建醫科大學四年制醫學影像技術專業學生為實驗組，共50 名，采用課堂授課結合虛擬仿真系統模擬實踐方式進行教學。選取2018 級影像技術專業學生為對照組，共55名，課堂授課方式與實驗組一致，臨床實踐方式為傳統實踐方法。

3.1 教學實施：理論學習與虛擬實踐并行

（1）虛擬仿真實踐前理論預習。在虛擬仿真實踐前1～2 周，帶教教師布置實踐任務，并上傳虛擬仿真系統操作說明文檔及使用視頻。學生預先觀看視頻內容并結合課本知識了解實踐目標、實踐方法和實踐設備等。通過預習，學生可以鞏固理論知識，了解虛擬仿真系統的基本操作，為下一步實踐做好準備。在虛擬仿真實踐時，虛擬仿真系統會為學生提供實驗相關的知識及要點，有助于學生在實踐中提高學習效率。

（2）虛擬仿真實踐中知識點鞏固。學生在實踐過程中，需要回答虛擬仿真系統中對話框內的內容，選擇正確的問題答案才能進行下一步操作，這不僅有助于學生學以致用，將課本知識與實際操作相結合，還能在遇到困難時幫助學生完成當前步驟，達到鞏固知識點的目的。

（3）虛擬仿真實踐后要點回顧。虛擬仿真系統會梳理總結學生操作錯誤的地方，學生可根據總結尋找自己的知識點盲區，及時查缺補漏，提高學習能力。此外學生需要在實驗結束后填寫實驗報告，有助于學生鞏固知識。在完成虛擬仿真實踐后的下一次課堂教學中，帶教教師收集學生存在的問題進行討論。

3.2 教學效果評價：通過考核和問卷調查的形式進行評價

（1）考核成績。對比分析實驗組與對照組期末成績，其中期末成績由40%的理論成績和60%的實踐成績組成。實驗組理論成績、實踐成績均高于對照組（見表1），說明基于虛擬仿真系統的實踐教學不僅能解決學生在臨床實踐中遇到的問題，提高學生考核成績，還有助于學生在實踐過程中加深對理論知識的理解，達到理論與實踐相輔相成的目的。

表1 兩組學生考核成績比較Table 1 Comparison of assessment results between two groups of students

（2）問卷調查。向實驗組發放調查問卷，回收有效問卷50份，有效回收率為100.0%。問卷內容包括對虛擬仿真系統的評價、對教學模式的評價、對虛擬仿真系統的改進意見。每個部分內容又分為若干個問題，每個問題的選項包括十分同意、比較同意、一般、比較不同意、十分不同意。問卷調查結果見表2，大多數學生對虛擬仿真系統和教學模式的評價較好，認為基于虛擬仿真系統的實踐教學可代替傳統實踐教學；在選擇比較不同意與十分不同意的學生中，大多數認為基于虛擬仿真系統的實踐教學還存在以下幾個問題：①虛擬仿真系統功能缺失或不完善，無法完全模擬真正的臨床實踐過程；②系統使用過程存在問題，運行不流暢，指令操作不方便；③缺乏帶教教師的指導，難以獨立完成實驗，需要在實驗過程中向帶教教師尋求幫助。

表2 基于虛擬仿真系統的精準放療技術實踐教學模式問卷調查結果單位：人Table 2 Questionnaire survey results of Precision Radiotherapy Technology Practical Teaching Mode Based on Virtual Simulation System Unit：people

4 基于虛擬仿真系統的放療技術實踐教學模式改進措施

4.1 加強虛擬仿真系統建設

基于虛擬仿真技術的精準放射技術實踐教學目前仍處于探索狀態，不少學者研究了虛擬仿真教學在學生培養中的作用[12-13]。Raith 等[14]采用微軟HoloLens 頭戴式顯示器開發了虛擬現實教育工具，用于腫瘤患者教育及學生實踐培訓，結果表明開發的虛擬現實教育工具很好地補充了傳統教學模式，激發了學生學習興趣[15]。為進一步提高虛擬仿真教學系統的應用價值，需加強虛擬仿真系統功能的開發。目前虛擬仿真系統僅開放了X 刀模式下的直線加速器精準放療技術實驗，然而放射治療學課程臨床實踐還包括了腫瘤定位、放療計劃設計及直線加速器設備質量控制等。為了達到理論與臨床相結合的目的，需完善系統功能，進一步激發學生學習興趣，提高放射治療學課程教學質量。

4.2 發揮帶教教師的指導作用

虛擬仿真系統為學生提供了交互的虛擬環境，學生在實踐過程中需要獨立探索，結合理論知識進行實踐操作[16]。盡管虛擬仿真系統可提示當前操作步驟及后續內容，然而學生碰到一些疑難點時無法獨立進入下一個環節，導致其需要退出虛擬仿真系統，梳理實驗流程后重新進入系統從頭開始練習，嚴重影響了學生學習效率及學習熱情。問卷調查結果也反映了學生在實踐過程中因為操作不熟悉等原因需要退出系統重新開始實驗的問題，因此，需要發揮帶教教師的指導作用。在虛擬仿真系統中，學生進行實驗時，帶教教師要實時了解學生實驗進度，當學生遇到無法解決的問題時，帶教教師能及時對學生進行指導，實現個性化帶教。

4.3 學生加強信息反饋

提升虛擬仿真系統的使用體驗感及完善系統功能，離不開學生的意見反饋。不少學者認為學生是虛擬仿真教學的主體，要注重激發學生的主觀能動性，提升其認知能力[17-18]。因此收集學生的反饋信息，靈活調整虛擬仿真系統中的實驗內容、實驗難度，這對提升學生的學習積極性及學習能力具有重要作用。