元宇宙視域下助產智慧實驗室的構建與研究

郭黎,許爽,劉金霞,張馨心,謝征,張明娜（首都醫科大學護理學院,北京 100069）

“元宇宙（Meta verse）”一詞源于美國科幻作家尼爾·斯蒂芬森在1992年出版的科幻小說《雪崩》，書中描繪了一個與現實世界相互關聯的虛擬世界。2021年被稱為“元宇宙元年”，元宇宙在很多領域得到推廣和應用，包括教育、傳媒、圖書館、出版、電影、藝術、保險、航空、煤礦等領域。在教育領域，元宇宙的研究成果較多，不僅提出了教育元宇宙范式[1]，還提出元宇宙可能是未來教育及在線教育的發展趨勢[2]，作為元宇宙的教育應用，教育元宇宙具有很大的應用潛力[3]。面對元宇宙帶來的教學創新改革機遇[4]，醫學教育領域也開始嘗試構建醫學教育元宇宙，例如韓國首爾大學醫學院探究基于元宇宙的肺癌手術培訓[5]。醫學教育元宇宙具備超時空性、交互性、沉浸性和創造性特征。它突破了物理世界和虛擬世界的邊界，提供了新的學習視角，可幫助醫學生開展知識、技能和情感學習[6]。傳統一對一手術教學實踐模式，受導師、病例、倫理、醫療安全等多種因素限制，而虛擬現實技術的應用可以讓學生安全地進行操作訓練，提高手術技能，降低患者安全風險。智慧實驗室以物聯網、云計算、大數據、人工智能、虛擬現實等新興信息技術為基礎，實現智慧化的教學科研活動，可以實現實驗室智能、安全、開放和高效運行，是實現教與學變革的基礎，是創新人才培養模式，提升人才培養質量和水平的必然選擇。

我國助產專業本科教育相比于其他醫學專業起步較晚，但是日趨成熟的信息技術為助產專業帶來了很大的發展空間。在過去的十年里，我國大力發展助產本科教育，融入了國際助產士聯合會的先進思想，強調培養學生的核心勝任力，保障助產教育的先進性和科學性[7]。助產實訓是培養高質量助產人才的重要形式，將信息技術融入助產教學，在元宇宙視域下構建智慧助產實驗室，在實驗實訓教學過程中，構建起人與人、人與物、物與物交流互動的智慧化教學空間，促進人員、環境、設備、軟件、資源、技術等要素的有機融合，實現實驗室全面感知、互聯互通和智慧化管理[8]，現將元宇宙助產智慧實驗室的特征和實驗室設計思路報道如下。

1 元宇宙助產智慧實驗室的特征與功能

元宇宙是整合通信技術、云計算、大數據、人工智能、虛擬現實、區塊鏈等技術的新一代互聯網應用，通過用戶自主創作內容把現實世界的經濟、社交、身份系統帶入虛擬世界中，塑造出虛實融合、虛實共生的新社會形態。元宇宙具有萬物交互、虛實融合、去中心化等特征[9]。元宇宙視域下構建助產智慧實驗室可以創造與真實世界平行的虛擬空間，打破時空限制，為助產實訓提供高沉浸感的場景，同時尊重現實世界法律、倫理、道德規則，不受外界條件束縛地開展學習、訓練、分享等活動，包括開放學習空間、可視化教學、在線多元互動、智能安全管理等功能（見圖1）。

圖1 元宇宙助產智慧實驗室特征與功能

1.1 元宇宙助產智慧實驗室構建開放學習空間 元宇宙在參與者身份、互動對象、學習方式、學習空間、交互方式、教學資源等方面具有明顯優勢，元宇宙助產智慧實驗室應用信息技術如虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、混合現實（MR）、全息投影技術、虛擬數字人等技術，構建元宇宙智慧學習空間，為學習者創造情景化學習體驗，如全息技術構建不同的學習環境，學生可以選擇自己喜歡的虛擬數字人來講解理論和示教操作，可以選用VR或MR技術練習助產操作，也可以進行網絡社交，多人協作共同完成沉浸式的練習，不受時空限制，在開放學習空間實現沉浸體驗、虛擬仿真、虛實結合、溝通交流、虛實共生等多項功能，為學生提供個性化的學習環境。助產智慧實驗室融合了模糊集和云計算的理論，模糊集概念最初由美國Zadeh[10]教授提出，模糊集理論及其后的一系列拓展形式，如猶豫模糊集理論已經應用于教育領域[11]，利用云計算的高效和便利，在模糊集合及相關拓展理論下，對學生自主學習進行偏好設置和評價。元宇宙助產智慧實驗室更加科學，為學生提供了更具個性化的學習體驗。

1.2 元宇宙助產智慧實驗室實現可視化教學 元宇宙助產智慧實驗室將信息技術與教育教學雙向融合，體現“學生主體、學習主動、教師主導、內容主線”的可視化教學，為學習者消除獲取信息、處理信息、應用信息的障礙，從而實現高效與高質的學與教[12]。助產智慧實驗室應用信息技術將助產技能可視化，學生可以通過虛實結合的信息技術看到操作對象的內部結構，佩戴MR眼鏡或者VR操作手柄跟隨標準化的操作流程虛擬影像反復練習，如分娩機轉的學習和練習，學生通過佩戴MR眼鏡將不能透視的分娩模型內部結構可視化，通過MR技術將真實世界的分娩模型與虛擬的圖像相重合，視覺感受胎兒在母體內銜接、下降、內旋轉、俯屈的過程，配合可視化的分娩機轉，觸覺感受胎兒仰伸、復位及外旋轉及胎肩娩出的過程，通過視覺和觸覺的直觀感受，虛實結合，將晦澀難懂的分娩機轉可視化，易于理解，便于掌握陰道分娩的接生要領，同時教師可以通過第三人稱視角看到學生的練習過程，并進行指導和講解，將整個教學過程可視化，更直觀、更高效，不但實現高質量的教學，而且減輕了教師的教學負擔，保證了教學的同質化。此外，元宇宙技術還可以模擬各種分娩情況，讓學生更好地了解和掌握分娩過程，提高他們的應對能力。

1.3 元宇宙助產智慧實驗室推動在線多元互動 利用元宇宙虛實融合的特性，可以進行不同場景的在線教學，利用先進的技術和設備，提高虛擬環境的真實感和沉浸感，學生通過智慧實驗室平臺開展學習，靈活地切換不同場景，進行自主學習、團隊合作以及科研創新訓練提高模擬訓練的效果。元宇宙助產智慧實驗室可以幫助教師根據教學需求對課程進行智能化設計，創設實驗情境，制定教學資源，動態更新教學方案和策略，優化教學效果，課后進行動態反饋，共同完成“人機融合”教學。例如在虛擬課堂上教師和學生互動授課，學生也可以選擇虛擬數字人線上教學，在助產實訓中，學生以不同終端通過AR/VR/MR設備進行沉浸式一體化的虛擬學習空間多元互動等，圍繞教學實訓、虛擬實驗、虛擬見習、思政教育等教學場景，推動多點協作教學、遠程互動教學、課后效果評價等多元互動在線教學，這種模式也能擴展至助產士規范化培訓等。

1.4 元宇宙助產智慧實驗室智能安全管理 目前國內外學者對實驗室安全評價體系和評價方法已經展開了一系列研究和探索，有學者[13]從不同方面建立了電子實驗室風險評價體系進行風險辨識，并據此制定了安全檢查表確定實驗室風險等級。元宇宙助產智慧實驗室通過云計算、大數據、人工智能等實現管控智能化，對儀器設備和實驗室環境各種信息進行采集、存儲、分析、處理，對實驗室安全風險進行評估和標識，并通過互聯網實現學生進入實驗室前的安全培訓，讓學生在云端熟悉實驗室的布局，了解實驗室的安全等級；實驗教學過程中實現全方位“實時感知、動態控制和智慧管理”，如通過信息化設備，記錄學生在課堂上的表現，以視頻的形式進行反饋，更加直觀和有針對性，便于學生理解和接受；實驗室管理人員可以通過終端對實驗室環境實時監測，及時發現異常，保證實驗室安全；實驗室管理人員也可以通過局域網或者互聯網進行智能管理，即便是離開校園也能動態監控，根據課程需求設置實驗場景、準備實驗物品、設定模擬人參數等。

2 元宇宙助產智慧實驗室主要架構

元宇宙的核心技術包括區塊鏈技術、交互技術、通信技術、云和邊緣計算、高性能計算、物聯網和機器人技術、網絡技術、人工智能等技術[14]。元宇宙助產智慧實驗室架構設計以GB/T36342-2018《智慧校園總體框架》[15]為參考，綜合基礎設備、網絡環境、硬件配置、數據平臺、軟件應用、用戶訪問等各要素，設計統一規范、開放包容、互聯互通、共建共享、智能應用為一體的新醫科高校智慧實驗室體系架構，包括基礎設備層、互聯傳輸層、支撐平臺層、應用管理層、用戶終端層[16]。本研究結合元宇宙技術和助產智慧實驗室建設需求，將互聯網、云計算、大數據、5G、人工智能、虛擬現實技術等有機融合于實驗室的管理和教學過程，基于互聯網構建開放、互動、共享的綜合實驗信息平臺，基于智能控制技術構建可視化、智能化的自動化管理和監控，基于云計算、大數據等技術實現實驗教學過程的可視化采集、傳輸、交互、評價、應用和服務，基于區塊鏈去中心化，實現多人協同、多角色共建的實驗場景。元宇宙助產智慧實驗室架構包括基礎層、平臺層、應用層和用戶層，主要架構如圖2所示。

圖2 元宇宙助產智慧實驗室架構

2.1 基礎層 該層是助產智慧實驗室基礎部分，由元宇宙環境和實驗室基礎設施構成，元宇宙環境由區塊鏈、物聯網、云計算、大數據、5G、人工智能、虛擬現實等技術共同構成，實驗室基礎設施以實驗設備為載體，由實驗環境設備、實驗教學設備、實驗感應設備組成[17]，三者間通過信息感知技術完成數據采集，實現智慧實驗室硬件環境的搭建。元宇宙環境與實驗室基礎設施之間相互交融，通過互聯網或者局域網搭建聯系通道，共同構成助產智慧實驗室的物質基礎。

2.2 平臺層 該層由智慧管理平臺、智慧教學平臺和數據運行平臺構成，是助產智慧實驗室的核心數據支撐平臺。智能管理平臺具備智能管控、智能信息處理、智能信息反饋等功能，設定管理權限，執行管理指令，將各軟件接口接入，使實驗室達到系統化的智能運行管理。智慧教學平臺是基于信息技術融合的專業知識、專業技能和多模態教學模式虛擬世界，可以進行線上課程開發與共享，虛擬仿真實驗的運行，以及多模態人機交互的智慧教學。數據運行平臺獲取數據，集成數據和分析數據，進行數據交換至智慧實驗平臺，深度整合數據資源，統一信息管理，主要包括身份認證、云計算與云存儲、數據庫、虛擬桌面、直播和錄播、大數據挖掘、服務器集群等基礎服務，為實驗室的數據融合和服務奠定基礎[18]。數據運行平臺基于大數據的學習分析和挖掘，為助產學習者提供個性化適應性內容。

2.3 應用層 應用層包括智慧管理平臺和智慧教學平臺。智慧平臺基于大數據、云計算等技術，對實驗室虛擬映像進行全方位分析，管理儀器設備、控制設備、監控設備以及門禁設備等，可通過互聯網或者局域網進行管理。校內實驗人員可以通過有線局域網和無線局域網訪問應用服務器獲取需要的信息，校外人員可通過互聯網訪問，管理系統可以與門禁管理系統結合，也可以將訪問者身份與校園一卡通對接，實現學生考勤簽到、教師智能排課、實驗分組進行、實驗過程跟蹤監控及實驗信息匯總統計等，實現師生之間、師生與設備之間、環境之間的智能交互。智慧教學平臺通過智慧實驗室建設支撐智慧教育的目的，開發沉浸式、靈活化的體驗課程，開發具象化、情景化的多模態學習資源，優化教學資源庫，提升教學質量。

2.4 用戶層 用戶層體現以元宇宙的去中心化的特點為依托的交互形式，用戶以不同身份參與，提供同伴討論與協作、非角色玩家交流等交互方式。在此基礎上，不同身份訪問者可以根據自身權限參與元宇宙助產智慧實驗室，例如有課程建設權限的訪問者可以共同參與沉浸式實驗課程建設，多人協同完成教學目標、實驗操作流程、評價方式、注意事項等集體備課，利用元宇宙環境中不受現實世界的條件限制的特點，將臨床中的典型案例虛擬重現，使助產教學更加貼近于臨床；實驗室技術人員權限的訪問者可以與供應商進行交流，通過云展廳瀏覽供貨種類，查看實驗材料是否符合要求，按照流程進行采購；學習者身份的訪問者可以選擇角色進行沉浸式學習，通過單人操作或者是多人協同完成病例的治療和護理等。

3 結論

元宇宙改變了現有的學習空間和教學模式，醫學教育元宇宙是在新醫科背景下，將信息技術、互聯網、5G、區塊鏈等技術融入醫學教學。有研究[19]顯示，我國近10年助產領域研究熱點主要包括健康教育、循證護理、心理保健、延續性助產服務模式等。將助產領域研究熱點與助產本科教育相結合，將助產士核心勝任力與助產技能培訓相結合，在元宇宙視域下構建助產智慧實驗室，為師生創造安全、智慧、高效的學習環境，實現了教學資源的有效整合，實驗課程的智能安排，教學資源開放共享，以及大數據評價教學效果，也為師生和生生交流創造了無障礙條件，創設了沉浸式實驗教學情境，構建了新型智慧教學空間，有利于提高助產教學質量。同時助產智慧實驗室的構建綜合了設備管理和人員管理等方面，并對實驗室安全風險進行評價。實驗室應著重加強安全管理，完善管理規則和安全檢查系統，定期開展安全培訓，提高應急救援能力[20]。但是要注意元宇宙中的倫理道德和職業規范，通過助產智慧實驗室的發展，利用大數據對平臺數據進行分析和預測，不斷促進助產醫教技協同教學和產教研學用融合創新。