虚拟现实技术在医学教育中的场景应用研究

沈阳 郝爱民 孙尚宇 李林

摘要：近年来，虚拟现实（VirtualReality，以下简称VR）与教育的融合不断加深，VR在细分学科教学中的优势日益凸显。基于VR的腹腔镜手术模拟器（VirtualRealitybasedLaparoscopicSimulator，以下简称VRLS）成为VR技术在医学教育中极具优势和增长点的典型应用场景。实践中，VRLS已被许多医院手术技能培训中心和医学院引入，为医学生手术学习和技能训练提供了全新的平台，但从学术的角度，VR应用于医学教学场景中的优势和影响仍未形成统一结论。该研究系统地检索并筛选79篇相关文献，采用元分析方法，重点探究VRLS对于医学教育的影响，研究结果表明：（1）VRLS对于医学生腹腔镜技术水平作用的综合效应值为0.72，使用VRLS教学能够有效提升医学生的学习绩效;（2）对于医学生的学习绩效，VRLS与箱式模拟器、视频训练及传统训练方式相比有较大差异，特别是在自我效能感、深度（空间）感知能力、组织处理能力等维度上效果更为显著;（3）VRLS教学过程中，教师指导反馈对于医学生学习绩效提升起到正向作用;（4）基于效率和基于时间的训练方式对医学生学习绩效提升的效果类似。结合研究结果，该文深度阐述了VR智能技术的医学教育应用场景、策略分析及展望。

关键词：虚拟现实;智能医教;虚拟仿真;人机协同;元分析

中图分类号：G434

文献标识码：A

文章编号：1006-9860（2020）08-0107-12

近年來，VR智能医教系统已经批量应用于医学教学中，虚拟人体器官和虚拟人体的研究取得进展，将成为全新的医药研究、转化医学和医学教育培训的新平台，为手术规划、手术预演与评价、手术导航以及新药研发提供实验支撑，可能对医药行业的发展产生颠覆性影响"。特别是，应“医教协同”与“双一流高校建设”的要求，医学院校及医院培训等教育教学面临着深层次、系统性变革，通过加强内涵建设，以数据驱动教学模式转换进而提高临床教学水平、人才培养质量，全周期（职前、职中和职后）加强医生（医学生）的医患沟通能力，是保障我国高等医学教育持续发展和贯彻落实“健康中国”战略的迫切需求和必然趋势。

医学是与人密切相关的学科，每一个人都是特殊的个体，都是一个特殊的生物心理社会存在;医疗实践总是发生在一种特殊的情景里，情况越是特殊，知识就越是经验性的;知识越是经验性的，就越需要实践。同时，随着患者的维权意识不断增强，医生不够熟练的问诊技巧、实操技能和手术方案规划预演能力，在当前医患关系紧张的医疗环境下都可能受到诟病。因此，在临床医生的培养过程中，有效增加实践环节，提升学生动手实操能力，提高“知能”，实现从理论到实践层面的飞跃，是亟待解决的问题之一。医学教育迫切需要大胆改革，为我国医疗健康事业的可持续发展奠定人才储备的坚实基础。

自2008年起，北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室开始了VR在医学教育中的技术与系统研发，形成了一批我国自主知识产权并具有国际先进水平的智能医教系统成果，逐步在我国一些医科院校和医院的教学及培训中得到推广应用，成为推动智能医教改革发展的一股技术力量。本研究借助教育技术领域方法论，利用元分析得出对国际上相关实验研究在教育场景中的科学分析，进而从更为宏观层面思考VR在我国医学教育的场景应用、策略，从技术变革教育的视角，试图助力勾勒出我国医学教育信息化的改革进路图。

一、研究背景

VR在医学中的实验验证文献主要集中在外文文献，国内学者对VR智能医学教育的研究还比较少。本研究依托VR在医学教育中最广泛的应用——VR手术模拟教学，试图通过元分析，为VR医学教育应用场景、医教变革之路提供科学的定量依据。

VR智能医教，目前还没有比较成熟的定义。以VR手术模拟器为例，是指基于内蕴特征空间多模态医学影像高效分析处理理论为基础，应用计算机图形学等技术，构造出多源数据驱动的个性化人体器官形态和虚拟的医学操作环境，并利用以触觉交互设备（力反馈器）构建带有力触觉交互技术，为医生提供了一个高效能3D可交互的操作平台，可以逼真地模拟临床手术全过程，并在交互过程中提供实时纠错和效果评价。VR以其构想性、沉浸性、交互性的技术特点，创设逼真的人体器官、手术推演教学情境，通过精准的力反馈、多通道感知等技术实现和真实手术几乎一致的学习体验。这使得VR模拟教学成为医学教育改革的一个必然选择。

传统的腹腔镜手术学习和技能训练，需要耗费大量的时间和人力资源，这是因为腹腔镜手术要求医生具有足够的手眼协调、空间感知等能力。出于安全性考虑，医学生在实际执行临床手术之前需要经过多年的培训，在当前医疗资源稀缺的情况下，传统教学方式尽管也不断升级，但已显示出严重的缺陷”。传统教学方式和VRLS教学方式的特征对比如表1所示。

VRLS自出现以来，引起医学界的广泛关注。国内外学者针对VRLS教学对于医学生腹腔镜技术水平的影响做了大量实验。如Araujo通过随机对照实验证明短期的VRLS教学能有效提高医学生在动物模型上执行腹腔镜结肠切除术的表现;Akdemir分别使用LapSim和箱式模拟器训练医学生，实验结果显示二者均能提升被训练者的腹腔镜技术;与之相反，Cruz发现VRLS教学获得的技能提升并不能转移到真实手术环境中;Vapenstad的实验显示带有力反馈的VRLS教学可能导致更差的训练效果以。同时，也有学者系统地比较了腹腔镜训练和测评所使用的各种模型。可见关于使用VRLS教学是否有效这一问题仍未有统一定论。本文使用系统分析和元分析方法，对2000-2020年间79篇国内外试验进行综合分析。

研究的具体子目标为：

1.评估VRLS教学对学生学习绩效的影响：自我效能感、空间感知、手眼协调等维度;

2.比较VRLS教学法和箱式模拟器、视频展示等传统教学方法;

3.分析教师指导反馈在基于VRLS学习中的作用;4.不同学习模式对于学生学习绩效的影响差异。

二、研究设计

（一）研究问题界定

本文旨在探究基于VR技术的腹腔镜模拟器对于医学教育的影响。其中包括：相对于无训练教学，使用VRLS教学后的医学生绩效提升程度、VRLS教学相比于视频展示、箱式模拟器训练和采用动物训练等传统教学方法的差异、教师指导反馈在VRLS教学中起的作用、基于效率和基于时间的训练模式带来的能力提升程度的比较。

（二）文献检索

检索数据库包括Cochrane、PubMed、Embase、ClinicalTrials、OVID、WebofScience、Elsevier、EEE、万方、知网。检索时间限定在2000年1月-2020年1月。限定语言为英文或中文。检索用关键词为：vr*、virtualreality、vr-based、simulat*、emulat*、educat*、train*、surg*、laparo*、endosco*、celiosco*、peritoneosco*、appendicect*、colect*、gynaecol*、cholecyst*、urolo*，通过“AND”和“OR”拼接使用。为保证检索结果的合理性和充分性，检索过程由两名研究人员独立完成，检索完成后，使用EndNote合并结果。

（三）文献纳人和排除

通过文献查新，我们了解到：当前国内外VR医学模拟教学已经广泛应用于妇产科、骨科、儿科（包括新生儿科）、急诊科、内科、脑外科等领域，

其共性集中在腹腔镜手术的模拟训练。因此，为了得出更为客观的结论，在文献筛选前，本研究制定了详细的纳入排除规则：第一，研究须与腹腔镜手术相关，不接受其他内镜微创手术，如胸腔镜、支气管镜等;第二，研究类型仅限于随机对照实验，不接受具有前后对照的单组实验，因为研究进行期间，医学生不可避免地接触到相关课程或实践活动，从而对腹腔镜技术水平产生影响，导致单组的前后对照实验出现不可控误差;第三，测评工具必须经过验证，如经过结构效度验证的VRLS、箱式模拟器或动物模型;第四，研究内容至少包含以下内容之一：比较VRLS教学和视频展示、箱式模拟器训练和动物训练等传统教学方法的绩效差异，比较VRLS教学和无训练教学效果的差异，VRLS教学过程中的教师指导反馈作用，不同训练模式对于VRLS教学效果的影响。第五，包含操作时间数据，或经过验证的综合评分，如COALS（ClobalOperativeAssessmentofLaparoscopicSkills）、OSATS（ObjectiveStructuredAssessmentofTechnicalSkils）等针对医学院外科手术技能的学习绩效评价标准体系。

使用EndNote自动去重后，两名研究人员独立按照文献筛选规则进行筛选。筛选结束后，合并筛选结果，并讨论分歧，以保证筛选结果的合理性和充分性。

（四）数据及相关信息提取与分析

从文献中提取的信息包括：作者、发表年份、实验类型、实验目的、被试经验水平、被试数量、VRLS、千预手段、对比手段、研究结果数据。此过程由两名研究人员独立完成，合并文献和数据后，协商分歧。使用ReviewManager5.0进行数据分析，包括效应值计算、发表偏倚分析和异质性检验。因为不同实验所采取的测评手段有所区别，实验数据具有不同的尺度，因此使用标准化均差（SMD，StandardMeanDifference）作为综合效应值，以消除实验数据尺度不同所带来的影响。

三、元分析结果与讨论

（一）检索结果

系统地检索过程共得到11129篇文献，根据文献纳入和排除规则，最终筛选出79篇文献，共包括93个随机对照实验。其中有50个实验比较了VRLS教学和无训练教学，有41个实验比较了VRLS教学和视频展示、箱式模拟器训练和动物训练等传统教学方法，12个实验研究了VRLS教学过程中的教师指导反馈作用。筛选过程如图1所示。

（二）VRLS教学与无训练教学的元分析结果

50个随机对照实验比较了VRLS教学和无训练教学下医学生腹腔镜技术水平的差异。其中，大部分实验结果显示使用VRLS教学能有效提高医学生的腹腔镜技术水平。在这50个实验中，8个实验5-31仅给出了腹腔镜技术评估时操作时间的平均值，14个实验3-给出了操作时间的均值和标准差，共315名参与者，可用于元分析。4个实验使用GOALS进行腹腔镜技术评估，但是同属于一篇文献的两个随机对照实验州，并未给出整体GOALS得分，以及另一实验未给出GOALS得分的标准差，无法用于元分析。有13个实验给出了完整的以OSAIS为评估标准的得分信息。

本文比较VRLS教学和无训练教学时，将完成腹腔镜技术评估任务所花费的操作时间作为自变量，使用固定效应模型进行数据分析，并通过漏斗图检验发表偏倚，如下页图2所示，漏斗图中数据分布均匀，说明用于此分析过程的实验的发表偏倚可以接受。分析结果表明VRLS教学的总体效应值为0.72（95%CI：0.48-0.96），具有显著统计学意义（P《0.00001），即使用VRLS教學能带来医学生腹腔镜技术水平的显著提升，如下页图3所示。所纳入的研究出现较高的异质性（I2=75%》50%，P《0.00001），采取亚组分析方法确定异质性来源于Cruz2009和Hyltander2002，排除这两个实验后，总体效应值为0.69（95%CI：0.44-0.93），具有显著统计学意义（P000001），且异质性较低（F=25%，P=0.20）。自变量为OSATS得分时，分析结果如表2所示，效应值为0.75（95%CI：0.30-1.20），具有统计学意义（P=0.001）。

综上，医学生使用VRLS教学对于学习绩效（腹腔镜技术水平）的提升具有显著正向促进作用。

（三）VRLS教学与传统教学方法的元分析结果

在医学院临床外科教学中，传统的腹腔镜训练方法包括视频展示、基于箱式模拟器的训练方式、使用动物尸体或麻醉的动物训练，以及手術室内的观察学习。在筛选得到的随机对照实验中，40篇文献包括41个随机对照试验，比较了VRLS教学和传统教学方法对腹腔镜技术水平提升的影响。然而，这些文献所得到的结论并没有统一的趋势。徐协群等1*）通过实验得出结论，VRLS教学和箱式模拟器训练对腹腔镜技能水平提升的程度相似，并且箱式模拟器的性价比要高于VRLS;Brinkmann等49指出相比于VRLS，在箱式模拟器上获得的技能可以更加高效转移到实际手术过程中;不同的是，蔡建良等50证明了初学者的腹腔镜高级缝合技能培训方面，VRLS较箱式模拟器效果更佳。Akdemir等发现，对于初学者而言，VRLS教学相比于传统的临床教学具有更大的优势。

在筛选得到的41个随机对照实验中，15个实验151-57给出了操作时间的均值和标准差，共424名参与者。9个实验158-63仅给出了腹腔镜技术评估时操作时间的平均值，12个实验使用GOALS进行腹腔镜技术评估，同时有10个实验以OSATS为评估标准，并给出了完整的得分信息。以完成腹腔镜技术评估任务所花费的操作时间作为自变量，选取固定效应模型进行数据分析。通过这15个实验的数据得到的漏斗图可以看出，发表偏倚在可接受的范围之内，如图4所示。元分析结果显示，如图5所示，VRLS教学相比于传统教学方式的综合效应值为0.08（95%CI：-0.12-0.29），此效应值没有统计学意义（P=0.43》0.05），即就操作时间来看，使用VRLS教学所带来的技能水平提升和传统教学方式相似。表3中显示了当自变量为COALS或OSATS时，采用固定效应模型分析得到的结果，效应值分别为0.61（95%CI：0.10-1.13）、0.41（95%CI：0.02-0.80），均具有统计学意义。

综上，VRLS教学方式和传统教学方式（即：箱式训练和动物训练）对医学生腹腔镜技能水平提升的效果相似。

（四）教师指导学习模式和纯自主学习模式的元分析结果

反馈可以定义为向操作者提供或返回与操作相关的信息，是医学教育的重要组成部分。VRLS相比于传统教学方式中使用的模拟器具有自动反馈的功能，包括力反馈、运动数据反馈、执行效果反馈等，但这些反馈以抽象的数字形式表达，且不能提供合理的操作建议。教师指导能根据教师经验为医学生提供建设性的操作建议。在VRLS教学过程中是否需要教师的指导反馈也成为了影响VRLS教育应用和发展的重要问题。

在筛选得到的文献中，有12篇文献讨论了教师指导反馈在VRLS教学过程中起到的作用，其中9个随机对照试验用于元分析。Snyder等人得出结论，使用VRLS教学时，教师的监督指导可能没有必要;Strandbygaard和Reitz等人均支持在使用VRLS教学完整或复杂的操作任务时加入教师指导反馈。利用可用的数据进行元分析得出，教师指导在VRLS教学过程中所起作用的效度值为1.03（95%CI：0.60-1.46），具有显著统计学意义（P《0.00001），如表4所示。

综上，医学生在VRLS教学过程中，教师指导反馈对其学习绩效提升具有显著正向促进作用。

（五）“基于效率”和“基于时间”教学模式的元分析结果

使用VRLS教学的最优模式在当前仍然是一个需要深人研究的课题。基于效率的训练模式要求训练者完成任务的效率达到预设目标时，即可停止训练;基于时间的训练模式则规定训练时间不得少于预设时间。

当前已有一些学者着手研究适合于VRLS的训练模式，如Brinkman等人通过随机对照实验比较基于效率和基于时间的训练模式对VRLS教学的影响，结果表明，基于效率的训练方式有效地减少了总体训练时间，提高了习得技能的保留性和转移性;Gauger等人的研究结果显示，基于效率的训练模式能有效加快技能水平提高的速度。

将比较不同VRLS教学模式为研究主题的文献分为基于效率组和基于时间组，分别计算两种模式下VRLS教学的效应值，计算结果如表5所示。基于效率的VRLS教学的效应值为0.97（95%CI：0.48-1.45），基于时间的VRLS教学的效应值为0.96（95%CI：0.59-1.33）。两组的效应值类似，且均有显著统计学意义。

综上，基于效率的VRLS教学模式和基于时间的VRLS教学模式在促进医学生腹腔镜技术水平提升上具有类似的效应。

四、研究结论

本文系统地检索了基于VR技术的腹腔镜模拟器的相关验证实验，通过筛选得到79篇文献，共包括93个随机对照实验，采用元分析法对实验中的数据进行分析，主要得到如下研究结论：

第一，医学生使用VRLS教学对于学习绩效（腹腔镜技术水平）的提升具有显著正向促进作用。医学教育可以整合VRLS到腹腔镜手术课程教学中，或可将多种模拟方式相结合，更大程度地提高医学生技能培养的效率。

第二，VRLS教学方式和传统教学方式对医学生学习绩效提升的效果相似，即医学生在相同的训练模式下，使用VRLS教学和通过传统教学方法训练，对于手术基本功技能水平的提升程度是相同的。但是，相比传统教学方法，在GOALS评价框架体系中，VRLS教学对医学生自我效能感、空间感知能力和组织处理能力有显著提升。当前的VRLS尚存在缺陷，包括力反馈和多通道感知的学习情境等逼真度不够等问题，从而VRLS教学对基本功训练的学习绩效提升效果没有明显优于传统教学方式。然而，相比于传统教学方式，VRLS人机交互性强，支持无限制次数的完整手术操作练习，降低了学生面对复杂度高、不确定性高的手术场景的不安心理，提升了自我效能感、空间感知能力和组织处理能力。

第三，医学生在VRLS教学过程中，教师指导反馈对其腹腔镜技能水平提升具有显著正向促进作用。VRLS虽然被开发者设计为可以自动提供数据反馈，但智能化程度有待提升，尚不能根据操作者表现提供最为合理的建议。而具有丰富操作经验的教师，若在学生训练期间给予正确且有效的指导，医学生将更高效率地获取所需技能。

第四，基于效率的VRLS教学模式和基于时间的VRLS教学模式在促进学习绩效方面具有类似的效应。不同教学模式会导致学习绩效提升的效应不同，对于VRLS而言，基于效率和基于时间的训练模式均能对技能水平提升起到显著的正向促进作用。这也VRLS教学的一个优势。

五、VR医学教育的应用场景、策略分析及展望

VR在医学教育中的应用，具有较为鲜明的优势：实现了高精度数字化的人体器官教学可视化、可操作、可复用，节约了教学的时间成本和费用成本;同时，实现了实时交互反馈、智能评价和智能导航，为学习者提供“脚手架”提高医学生的临床能力;增强个性化学习的可能性;提升了初学者接触真实手术的自我效能感;可预演和可推演的虚拟手术流程可视化，为医患沟通提供了便捷，有效缓解医患矛盾，从长远看可以大量减少医疗支出。医学模拟教学初期投入成本对比传统医学教育模式来说较为高昂，但它是具有成本效益的。

随着医学教学实验中，动物活体资源受到更多保护、尸体资源有限，突破医学实验或手术技能教育领域的困境，越来越依赖于智能技术。基于元分析结果：VR支持下的智能医学教学环境中，特别是随着虚拟人体技术的发展，VR智能助手对于复杂的、个性化的手术规划、模拟、推演等将越来越体现出得天独厚的优势;对医学专业教学模式、教与学关系、认知与技能生产方式、评价方式等产生变革性的影响。“因材施教”“规模化”“个性化”等医学实践类教学中的难题，也将得到进一步突破。“智能+”时代的教育大环境下，医学教育的教学模式、实验技能教学以及整体的教学环境等都亟待变革，以适应智能化时代的临床医生人才培养需求。

笔者从构建VR智能化医学教育生态的视角出发，提出一些策略和建议。

（一）强化资源整合，优化智能教育体系顶层设计，构建VR智能助手应用场景

“健康中国”战略对VR技术在医学教育中的创新应用提出了更高要求，亟待通过VR、人工智能、生物医学、现代诊疗等技术的深度交叉融合，面向个性化、精准化和智能化临床诊疗培养后备人才的目标，加速对当前医学手术教学培训模式的深层次、系统性变革。

其中，“智能助手”在人们的生产、生活、学习的各个场景中被广泛关注，形式及表达也多样化。本文使用的是2017年《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》中“智能教育助理”的提法"。VR智能医学教育助理的推广应用，覆盖的应用场景甚为广泛：如专业医务人员知识学习和技术训练、临床方案论证、医患沟通、医学研究转化、新医药研发验证和新医疗器械研究应用验证，医学院学生实验教学、自主学习，以及普通大众科学普及和教育等诸多方面。

从教育视角出发，统筹构建VR赋能的教学应用场景，具有深远的现实意义。通过医学模拟训练智慧实验室建设，引进针对不同外科手术技能提升的VR智能助手，打造临场感、强交互、多层次的数字化综合性学习环境;同时，在互联网支撑下，建立基于大数据的智能化在线VR手术训练智慧机房，为广大医学院学生提供不断丰富的基于VR智能助手的个性化学习情境，从而实现可重复、低成本、精准反馈的学习资源和平台，加快我国医学人才培养体系智能化、标准化、规范化。

一般来说，智能教育体系由互联网基础设施支撑、大数据、人工智能和虚拟现实等关键核心技术、面向教学场景的智能系统、面向教学管评测全流程的智能应用、体制机制保障体系五个要素组成，形成智能教育体系的总体框架。当然，作为一项系统工程，智能教育体系建设需要相当大的资金投人。如下页图6所示，在VR+医学混合式学习环境设计框架中，一方面，尽管实体的医学智慧实验室建设需要基础设施建设投资，但和动物活体、尸体相比较而言，VR、AI技术支持下的智慧实验室建设，可复用性强，其资金投入符合可持续发展的长期需求。另一方面，基于混合式学习理论，同时从节省投资成本的角度出发，可借助国家教育部虚拟仿真实验教学平台，营造出混合式智能学习环境。要注重线上、线下相结合的实验教学新模式的探索，将学生的学习场域从“有限场”突破到“无限场”“虚拟场”，有效利用国家级虚拟仿真实验项目的建设成果，积极打造实验教学领域的线上线下“混合式金课”。例如：北京大学口腔医学院“口腔医学牙周操作实验教学”、重庆医科大学“牙拔除术虚拟仿真系统”以及“口腔医学技术专业客观结构化实践技能教考系统”、四川大学华西口腔医学院“口腔种植术操作实验教学系统”等，均可满足高校对实验教学项目的共享需求，更体现了VR在医学教育细分领域中的深层次应用。目前，虚拟仿真实验教学还在快速发展，VR在学科教学特别是实验教学中的运用越来越受到关注。其中，2019年已经上线的医學类虚拟仿真实验教学金课项目包含公共卫生与预防医学类26个，法医学类11个，医学技术类30个，包括呼吸道传染病，妇科、内科腹腔镜手术，脊柱外科手术、口腔医学等多个细分领域。国家虚拟仿真实验教学项目共享平台推出在线智能实验室服务，鼓励和支持院校开展线上线下混合式课程建设与应用。值得一提的是，2020年疫情下的高校春季学期，相关虚拟仿真线上系统，有效支撑了医学院校实验教学环节的“停课不停学”

（二）聚焦教学改革，构建“理论+视频+VR实操+反馈”人机协同交互教学模式

随着教育技术的不断丰富和组合创新应用，学科边界的延展及跨学科会聚成为必然趋势。传统的知识呈现和传递，已经不再是主流的知识生产方式。取而代之的是智慧教育的高端形态、结构和生态。这一点，不仅仅拘泥于医学教育。如果将自然现象、自然规律以及利用这些知识和规律求解问题、设计系统和理解人类及社会的能力归纳为“抽象的知识”，那么，视频技术已经可以将抽象的知识转化成为直观生动的形态，而VR技术将进一步为学习者提供沉浸式、可交互的深刻学习体验。因此，利用多媒体、虚拟仿真、虚拟现实、增强现实等技术对于知识建构有明显作用73。教育技术发展到现阶段，教学视频已成为一种重要的教学资源74。尽管学者们对不同方式的视频引导与学生的交互影响进行了实证研究，但囿于传统医学教育模式中“医学基础课一临床基础课一临床实践课”，学生们限于学校教学资源的水平差异，临床实践环节往往被简化，教学水平参差不齐，无法满足实验操作中“一对一”指导，更不用说“个性化”教学和“精准教学”了。因而，医学生对医学整体知识的系统性掌握良莠不齐，无法很好地解决理论学习与临床实践脱节问题。即使在多次教学改革中增加了真实手术的“视频教程”，对学生的知识建构起到了一定的积极作用。但缺乏临场感，加上医学实验的尸体器官或者动物活体的成本高昂，医学生的实操能力、深度感知、组织处理能力、眼手协调能力得不到充分的训练和提升。因此，通过VR技术建立逼真的人体对象、真实触感、力感控制等沉浸式学习环境，成为医学教育环节中的重要一环。这样一来，设计与VR学习环境相适切的新型教学模式就显得尤为重要。

VR模拟教学采用多种技术手段模拟临床场景，为医学生提供一个无风险、标准化的学习环境，教学模式的变化也从传统理论和实践环节相对独立的“教一学一实验”转变为“理论+模拟实操+反馈”人机协同教学模式。通过刚体建模、柔体建模、碰撞检测等技术，实现不同人体器官的VR多场景设计，遵循医学生的学习进阶规律，设计包括手术准备工作、基础技能模块、高级手术模块难度逐级递增的学习模块;教师（医生）可根据教学内容，设置学习导引，引导手术规划和流程;良好的力反馈及基于视觉、听觉的多通道学习体验设计技术，为学生提供丰富的学习体验，进而促进知识迁移;针对实操训练的智能化学习评价、纠错与反馈，引导学生进行反思和自主学习能力提升，大量节省了教师（医生）的教学时间，教师得以分配更多精力集中在手术实操经验、复杂、高难度手术和突发情况应对策略的教学上。

结合本研究对国外医学模拟教学实验论文的元分析结论，在智能化教学环境中，强化教师（医生）的指导和反馈，需结合专家经验对分析结果进行置信度评估，置信度不高时给予人工反馈，对VR智能助手进行强化学习，实现教学过程的不断完善。因此，本研究提出面向未来混合增强智能的“理论+视频+VR模拟实操+反馈”的新型教学模式，并针对不同的教学内容，有针对性地选择不同仿真程度的模拟平台，转移学习控制权，提高自主学习能力等教学改革实践，希望让教学资源、教学过程、教学评价等更高效、便利、智能地为发展每一位学生的能力与思维服务叨，如下页图7所示。

教学层：根据上文元分析结论（3），VRLS智能化教学模式不可取代教师的作用，这和维果茨基提出的“最近发展区”理论契合，正因为它十分强调教师在指导学生学习过程中的积极作用，以及教师在帮助学生成为更成熟的思考者过程中的潜在作用，所以在智能医教的改革进路中，需要有丰富教学和临床经验的教师（医生）提供必要的学习指导和支撑。

学习层：VRLS教学模式变革，使得学习者的学习活动及其设计范式也产生相应的变化。首先，自主学习为特征的“VR手术翻转课堂”模式将普遍存在。VRLS学习环境中，医生或教师可以将真实手术视频作为视频教材导人到VR智能教育助手中，可以实现学生课前完成自主学习;其次，随着VRLS教学设计与开发逐渐成熟，如同设计一场VR游戏一般，让学员结伴练习，通过分工式角色扮演，实现分组手术技能竞技，加速协同知识建构;第三，VR智能教育助手在医学生手术练习的过程中给予及时、准确的评价与建议，通过记录上机时长、次数和训练中的正确率等，为学习者进行精准画像。一方面，智能教育助手实现进阶学习内容的精准推送;另一方面，可协助医生/教师对学生进行有针对性的经验分享和任务反馈。该模式下，提供师一生、生一生、人一机等多方位互动的群体思维空间，支持自主学习、小组协作、分组竞技、展演汇报等多元的学习活动设计。学习者凭借自适应混合式学习，可以最大效率提升技术水平、学习动机和自我效能等。

管理层：尽管VRLS教学过程中，医学生的学习和训练时长、出错情况、训练实效性等参数都将被记录下来，并借助智能化软件对学生的学习行为进行个性化评测，但从宏观层面，教学管理者在VRLS教学大数据的分析基础上，应建立更为科学的系统化的模拟教学考核方式、评价制度等。

（三）拓展产学研一体化，打造“医教+开发者+研究者”联动的“新型教学共同体”

智能教育时代，在同一个目标框架之下，汇聚不同角色，承担不同的任务、发挥不同的功能，，拓展产学研一体化之路成为必然趋势。由于人体自身的复杂性和VR、人工智能、人机交互技术及装备的局限性，当前针对个性化人体的虚拟手术、智能诊疗等方面，尚存在许多有待突破的科学技术问题，迫切需要高水平的跨学科团队从生理角度、数据智能角度以及教育技术角度，交叉融合。如下页表6所示，传统教育技术领域的研究学者应主动进行“跨学科”研究，深人到具体学科教育中去，通过学科交叉，分析医学院学生的学习者特征和学习风格，在其持续注意、情感、认知负荷和学习表现中的深度感知、手眼协调等不同维度，追踪VR交互式模拟教学的影响，不断挖掘医学教育场景中对技术的精细化需求，加强教育和技术之间的联结，成为医学教育变革的“催化剂”。

当前，医学院校的VRLS在妇科、骨科、脑外科等都有了较为广泛的应用，也為医学生和实习医生的教学提供了便利，但距离基于多模态交互的高度智能化的沉浸式教学环境还有相当大的差距。未来，还需要VR开发者与医学教育工作者进一步高效协同、深度沟通，“需求与响应”协同联动，形成新型的教学共同体，才可能共同开发和搭建更符合智能化时代医学人才需求的教学环境。如：VRLS提供虚拟人体的个性化建模，促进学生高阶探究式学习;开发智能教学助手，提供数据驱动的综合性过程评价;在对用户进行深人挖掘和细分的基础上，充分考虑临床手术医生（医学院学生）的使用习惯，科学进行UI（UserInterface）设计，降低学习者的认知负荷，使得VR模拟训练能更好地融入教学、自主学习与探究、管理的实践中;形成数据可视化的智能平台，支撑学习空间的自主规划等。总之，医工教紧密联合的新型教学共同体，是实现“大健康领域”先进医学教育、医学教育信息化的人本基础。

（四）本研究的不足及展望

在筛选得到的随机对照实验中，不同实验具有不同的训练任务、技能评估手段和输出数据类型，虽在数据分析中使用SMD消除数据之间尺度不同的影响，但训练任务和技能评估手段的差异仍会带来研究之间的异质性。并且由于缺少统一的评分系统，研究之间的可比较性不足，主要可用于比较的数据为技能评估时完成任务所需要的时间，而操作时间代表真实操作水平的能力有限。GOALS和OSATS评估标准虽在一些实验中有所应用，但给出完整数据的实验数量较少，在一定程度上，影响了元分析结果的可信度。并且大多数实验在技能评估阶段所使用的模拟器为箱式模拟器、麻醉活体动物或动物尸体，这说明VRLS在腹腔镜手术的培训中仍未得到大众认可。同时，本文着眼于VRLS教学模式对于医学生腹腔镜技能水平提升的作用，及与传统教学方式的比较，并未对VRLS的成本问题进行分析，然而这也是衡量VRLS性价比的重要因素。

VRLS是多學科领域交叉、渗透、融合的产物8相比于传统的教学方式，VRLS具有无可比拟的优势，但仍需要进一步发展，包括软硬件的开发创新、课程体系的设计验证等。在智能医教改革发展的进程中，政策制定者、教育工作者、技术开发者和教育研究者等，需要高度交叉融合，同频共振，并有较长的路要走。呼吁生物医学、信息科学及教育技术领域的学者专家，在国家自然科学基金、重点研发计划以及教育信息化规划等课题中，加强基础研究、技术攻关、应用研发和理论创新，在突破多模态医学数据中核心特征“辨不清”、个性化器官模型“建不准”、复杂手术操作“仿不真”的技术瓶颈同时，同步利用教育学原理、对比研究、准实验研究等方法，关注多通道认知负荷、心流体验、沉浸情境等要素，系统深人地研究并建立VR智能医学教育方法论、课程设计论，探寻VR人机交互学习环境下的认知新规律，探讨VR心理学、VR伦理学的新理论、新观点和新思潮等。在可见的未来，VR技术与细分学科教学的深度融合，将为医学教育开辟出新的局面。

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作者简介：

沈阳：助理研究员，博士，研究方向为智能教育、智慧学习环境等（shenyang@bnu.edu.cn）。

郝爱民：教授，博士，研究方向為虚拟现实技术（ham@buaa.edu.cn）。

孙尚宇：在读硕士，研究方向为虚拟现实技术医学应用（sunshangyu112358@gmail.com）。

李林：副主任医师，研究方向为医学技能模拟培训（jnll6796@163.com）。

收稿日期：2020年4月8日

责任编辑：李雅煊