传染病相关的虚拟仿真实验教学项目现况及应用分析

吴 静，李新华，刘 娜，何雨晨，罗 雄，陈俊香，陈 翔,

（1.中南大学 湘雅医院，湖南 长沙 410008；2.中南大学 湘雅医学院，湖南 长沙 410013）

2020 年2 月，针对新型冠状病毒感染肺炎疫情对高校的正常开学和课堂教学造成的影响，教育部发布了《在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》（教高厅〔2020〕2 号），要求各高校制定疫情防控期间在线教学实施方案，充分利用优质在线课程教学资源，依托各级各类在线课程平台、校内网络学习空间等，积极开展线上授课和线上学习等在线教学活动，保证疫情防控期间教学进度和教学质量，实现“停课不停教、停课不停学”；特别要求各高校充分利用国家虚拟仿真实验教学项目共享平台服务，依托虚拟仿真实验课程资源提供在线实验教学支撑和教学考核管理。为响应教育部号召，我校在国家虚拟仿真实验教学共享平台的实验空间网站（http://www.ilab-x.com/）上精选了医学领域传染病相关的虚拟仿真实验教学项目，并推荐给我校的学生作为课外研修课程进行学习，希望能帮助学生了解传染病相关防控知识。此外，针对目前实验空间网站的传染病相关项目，我们对传染病相关的虚拟仿真实验教学项目现况及应用共享情况进行了分析。

1 传染病的特点制约了传统传染病学实践教学的开展

传染病（communicable diseases）是指由病原微生物如朊粒、病毒、细菌、真菌和寄生虫等感染人体以后所导致的疾病，可直接或间接地在人与人之间传播造成流行。传染病尤其是突发急性传染病可以导致对人类身体健康和生命安全造成极大威胁，同时严重影响世界经济发展和社会和谐[1]。进入21 世纪以来，新发传染病，如SARS、人感染高致病性禽流感、甲型H1N1 流感、埃博拉出血热及新型冠状病毒肺炎对整个人类产生了广泛的负面影响，引起了世界各国的普遍关注。由于传染病的流行具有季节性，不同季节流行的传染病种类不同，而目前医学院医学生的传染病学实践教学普遍采用的是短期、集中、固定的教学模式，因此无论课程时间安排在哪个时段、哪个季节，都难以涵盖所有流行的传染病。此外，传染病学教学考核主要以现版教材为参照，由于教材从编写、出版到应用周期较长，一方面由于传染病的疾病谱发生了较大变化，常见传染病病种如急性血吸虫病、流行性乙型脑炎等，病例数逐年减少，可能几年都没有病例出现，其重要性在逐渐降低，而新发传染病却不断涌现，如新型冠状病毒肺炎等并不能及时编入教材，因此，传染病学实践教学中的教学病例种类缺乏、教材内容无法满足教学实际需要及教学时间安排不合理等多方面的因素[2]，制约了传统传染病实践教学的开展。

近年来，由于突发急性传染病导致的公共卫生事件在全球频频发生，因此在校期间加强医学生应对突发公共卫生事件应急能力的培养显得日益重要[3]。在传染病实践教学的过程中，医学生须与传染病患者接触，鉴于突发急性传染病的爆发性及传染性强的特点，为了保障广大医学生的身体健康和生命安全，也很少有机会开展急性传染病的临床教学。在传染病的传统实践教学中，绝大多数学校并未将传染病所致突发公共卫生事件的教学纳入医学教学中，而突发公共卫生事件应急处置演练需要大量的人力物力，事实上医学生很难有机会参与这样的应急演练，这在一定程度上限制了对学生主动学习能力、综合实验能力、科学思维能力的培养[4]，使医学生在以后从事临床工作时该方面的能力及知识缺乏，给我国今后预防和应对突发传染病事件留下了隐患[5]。

2 虚拟仿真技术在传染病临床教学的作用

虚拟仿真是一种采用以计算机为核心的现代高科技手段而生成的视觉、听觉、触觉一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备对虚拟环境中的对象进行操作，产生如同在真实环境中操作的感受和体验，即一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统[6]。

虚拟仿真技术正逐渐应用于高等医学教育领域[7]，在医学生的实践教学过程中需要进行各种各样的医学实训和实验。虚拟仿真实验可以将医学场景、患者以及实验通过计算机等多媒体终端完全呈现出来，提供自主性、交互式、开放式的虚拟现实操作环境，能有效训练医学生的基础技能和专科技能，还可以进行无风险的灵活调控，既弥补了传统教学模式存在的不足与缺陷，又能够形象、鲜活地进行仿真教育，缩小了理论教学与临床实际之间的差距，使学生更加深刻地认识和理解所学的知识，培养了学生的动手、实践以及创新能力[8]。同时，虚拟仿真实验解决了实验仪器、实验场地不足等困难，能完成实验条件不具备或难以完成的实验，进而提高实验教学水平与教育质量，很好地弥补了不能或不便进行实验教学的情况，更好地满足了在日常教学中难以开展的实验教学的需求[9]。吴飞飞等[10]采用虚拟仿真技术对临床医学专业学生进行体格检查、穿刺术、外科缝合包扎术及心肺复苏术等临床基础技能培训，能够提高医学生的客观结构化临床考核和床旁考核成绩，培养了学生的临床动手能力和临床思维能力。我校湘雅医院研发的基于症状学的临床技能和临床思维虚拟实训项目，虚拟模拟各种临床情景、各种操作和处理，不仅可以训练、考核学生作出正确诊断的能力，还可以训练和考核学生对具体疾病的治疗处置能力及相关操作技能[11]。

在传染病临床教学过程中，由于传染病发病的机遇性、季节性、区域性及某些体征的罕见性，加上传染病所具有的危害性这一不安全因素的存在，使得学生观察病人的临床体征极为困难。传染病学虚拟仿真实验通过应用三维建模、人机交互、虚拟现实等智能化技术手段，能够有效拓展现有的教学资源，包括各类教材（网络教材、电子教材、讲授教材等）及各类素材（视频、文字、图片、声音等），内容包含在不影响典型病例患者隐私的情形下对患者拍照与录像收集的各种传染病临床特征、病原体形态、疾病的病理照片，网址资源、试题以及最新的研究进展，相关图片、案例等教学资源，从基础到临床多角度、全方位、多形式地展示了传染病的病原学、临床表现等，帮助学生观察疾病，突破传染病的季节性、区域性及某些体征的罕见性，满足学生自主学习的需要，为学生提供了个性化、交互式的学习环境，提高了教学质量和教学效率，使学生在有限的学时内掌握更多的知识[12]。这一方式非常适合传染病的临床教学，特别是在突发急性传染病导致的公共卫生事件教学中，虚拟仿真实验不仅能满足医学生应对突发公共卫生事件的系统学习，同时也可以扮演不同职业角色进行相应的现场虚拟仿真调查与处置，可以打破空间、时间的限制。以前需要一定的时间、空间才能观察到的演化过程目前可以在很短的时间内呈现给学生，而且能够实现由于设备、场地、经费等硬件条件的限制，而无法实现的现场。在保证训练效果的前提下，提高了效率，节省了成本。此外，虚拟场景还规避了真实公共突发事件场景或操作带来的各种风险，受训者也不用担心会受到伤害。

3 目前针对传染病开展的虚拟仿真实验项目情况分析

目前，在国家虚拟仿真实验教学共享平台的实验空间网站上，我们通过“传染病”“病毒”“呼吸”“肺”“突发公共卫生事件”“缺氧”等关键词搜索相关课程，共找到47 个与传染病相关的虚拟仿真实验项目。我们按项目种类将其分为传染病疫情的应急处置、胸部局部解剖实验、病理生理学实验、病原学诊断、影像学诊断、临床思维与技能训练、传染病治疗及护理等相关模块，其中以传染病病原学诊断的项目最多，主要有与高致病性登革病毒、禽流感病毒、单纯疱疹病毒等传染病病原学的分离培养及鉴定、HIV 感染、布鲁菌及高发人兽共患传染性疾病等的病原检测、鉴定及诊断相关的虚拟仿真实验共18 项；其次为传染病疫情的应急处置项目9 项，主要为与人感染高致病性禽流感、鼠疫、结核等呼吸道传染病突发事件应急处置相关的虚拟仿真实验等；智能化多模态临床综合技能及基于症状学的临床思维与技能训练等相关项目6 项；传染病护理思维技能一体化虚拟仿真实训项目等护理相关的项目4 项，胸部局部解剖实验及治疗相关的项目各3 项，病理生理学实验及影像学诊断相关的项目各2 项。

通过统计，共有365 625 人次参与项目学习。其中参与传染病疫情的应急处置（23.5%）及病原学诊断（39.2%）人次最多，共占62.7%，这说明医学生对传染病疫情的应急处置及病原学诊断的相关知识，是非常关注、感兴趣、愿意参与学习的，而相对于临床思维与技能训练项目的参与人次则明显下降，特别是有关传染病治疗相关项目，参加不同类型项目学习的人次所占比例见图1。

在这些项目中，医学生对不同类型项目的平均评分差异不大（见图2），除1 个项目外无明显统计学差异。其中最高评分为5 分，为传染病疫情的应急处置项目，而临床思维与技能训练项目的评分最低，仅为2.1 分。

图1 参加不同类型项目学习的人次所占比例

图2 不同类型项目的评分

学生通过虚拟仿真实验教学项目的学习，其考核达到了较高的合格率及优秀率（见表1），但有关影像学诊断项目的优秀率偏低，且目前没有病理生理学实验、传染病治疗及护理的相关项目考核资料。因此这方面的资料还需要进一步充实。

表1 课程学习的优秀率和合格率

已有研究发现虚拟仿真实验教学项目可提高卫生专业人才的专业知识及技能水平[13]，但由于虚拟仿真项目建设经费短缺、评价考核及反馈机制不完善、相关技术人才力量有限、开放共享不够、供需不平衡等原因，虚拟仿真技术在实际应用过程中体验欠佳、满意度不高[14]。我们研究发现，在传染病临床教学中虚拟仿真实验项目存在的不足包括：项目分散，课程内容、相关知识点不完善，同一类型、不同实验间评分、做实验人数、实验通过率等差别较大，有些实验项目因项目数量及做实验人数较少，未能获得有效的实验评价数据，影响了实验结果的进一步分析。

现代网络教学手段与传统教学方法整合的传染病临床教学模式应是未来传染病临床教学的有效方式。面对目前这种虚拟仿真在传染病临床教学中存在的困境，为了更好地满足传染病的临床教学需求，可以从以下两个方面进行改进：

（1）均衡构建传染病教学核心知识点的虚拟仿真实验教学项目。通过对已有的虚拟仿真实验项目进行梳理，将分散在不同学科中的实验项目内容进行整合，同时对开展虚拟仿真实验较少的实验项目进行补充加强，如传染病的治疗及预防，构建相对完整、均衡的传染病虚拟仿真实验教学项目体系：按照不同传染病的病原体建立不同的虚拟仿真疾病模型，其中包括疾病的病理生理、诊断、治疗、护理、预防、临床综合能力训练等方面。

（2）建立形成虚拟仿真传染病实验项目体系后，根据学生所学专业选择相应的教学内容进行实验教学并作出真实有效的评价，应包括教师对学生评价、学生的自我评价及学生对教师的评价三部分，其评价内容包括传染病专业知识的掌握、虚拟仿真实验教学项目使用情况的自我评价及教师评价，学生对教师授课方式、课堂气氛、教学辅导、技能水平的评价。通过积极的评价，进一步鼓励教师及学生在教学过程中多应用、多发现问题，在不断优化中完善虚拟仿真教学体系。

4 结语

近年来，新发急性传染病时有发生，让人们更加深刻地认识到系统学习传染病的重要性，以及虚拟仿真实验项目在传染病临床教学中应用的优势。为了进一步完善传染病虚拟仿真实验教学项目体系，需要组织传染病相关学科的医学专家参与制定系统化的虚拟仿真实验教学项目，优化实验教学软件，推广虚拟仿真实验教学。通过使用虚拟仿真实验教学项目增强学生的临床实践技能，使其在将来的工作中能够更好地应对未来突发公共卫生事件，完成从医学生到临床医师的顺利过渡。