虚拟仿真实验在诊断学教学中的应用研究

夏骏

【摘要】    随着虚拟技术的完善以及虚拟仿真实验室研究的不断深入，虚拟仿真实验室在医学实践教学中的发展受到较高的关注。文章基于文献计量分析对文献资料进行梳理，聚焦于虚拟仿真实验与诊断学教学，从虚拟仿真实验在诊断学教学中的架构和虚拟仿真实验在诊断学教学中的应用两个方面进行了阐释。

【关键字】    虚拟仿真    实验    诊断学

一、研究背景

虚拟仿真是利用仿真设备为用户创建仿真世界的一种特定的仿真类型[1]。虚拟仿真允许用户与虚拟世界交互。虚拟世界在集成软件和硬件组件的平台上运行。通过这种方式，系统可以接受来自用户的输入（例如，身体跟踪、语音/声音识别、物理控制器）并向用户产生输出（例如，视觉显示、听觉显示、触觉显示）[2]。虚拟仿真技术在教学中的应用主要体现在虚拟现实、增强现实和混合现实三个方面。

诊断学是一门理论医学与临床医学相结合的桥梁课程，是运用医学基本理论和基本知识对疾病进行诊断并培养临床思维的一门学科。该门课程的实践性较强，实践贯穿于教学的全过程，实验教学条件直接影响了教学效果。但由于条件受限，大部分诊断学课程教学无法提供真实的临床实践环境，在诊断学教学中探讨虚拟仿真技术的引入对提高学生临床实践技能、减少医患矛盾、节约教学资源具有积极意义。

二、研究现状

本文以“虚拟”、“诊断学”及其同义词为检索主题，以中国知网、万方数据库为主要文献数据来源，共得到102条有效文献数据，形成了的文献资料。通过对发文年份、关键词共现等进行分析，以进一步了解虚拟仿真技术在诊断学教学研究中的脉络分布。

2.1年度发文量

通过对知网和万方数据库文献资料的检索获得102篇相关文献，时间跨度从1999-2020年，虚拟技术与诊断学相关的文献发文量出现了2个较为明显的发展阶段，2007-2010年主要关注于探索技术的发展，2018-2020年主要关注于技术促进教学的相关应用情况。

2.2关键词共现

研究关键词作为研究主题的精炼概括，能体现研究热点及知识的内在联系。本文对1999-2020年出现的关键词进行了词频统计，可知“诊断学”、“实践教学”、“虚拟仿真”、“虚拟实验室”这四个词为高频词汇，为研究重点。

通过对文献资料的梳理与分析，本研究进一步聚焦于虚拟仿真实验与诊断学教学。由此，本研究将从两个方面展开：一是虚拟仿真实验在诊断学教学中的架构;二是虚拟仿真实验在诊断学教学中的应用。

三、虚拟仿真实验在诊断学教学中的架构

3.1虚拟仿真实验系统

虚拟仿真实验充分利用虚拟现实与仿真技术为核心技术，将虚拟现实技术与专业教学相结合，在计算机上创建相应的软硬件操作环境，以辅助、部分取代甚至取代传统实验的各个方面。实验者可以在虚拟环境中完成每一个实验，所获得的实验效果相当于或者优于在真实环境中所获得的效果。

3.2虚拟仿真实验的经典模型

实验是认识世界和改造世界的重要手段。临床实验由于受到各种限制性因素，无法满足实践教学需要。目前虚拟仿真实验在诊断学教学中的发展迅速，但是虚拟仿真实验也面临着许多挑战，包括身临其境感缺失、互动真实性不强。从学习者对虚拟实验的感知角度来看，基于认知可信度模型有三个维度：环境逼真度、用户体验度和操作控制可信度[3]。

环境逼真度是指实验环境与真实环境的相似程度。它包括实验主体、实验形式、实验实体的属性、实验过程中客体之间、客体与环境之间的逼真度。理想的仿真环境应使用户难以区分虚拟与现实。这有助于提高虚拟实验环境的可信度。从环境逼真度的角度看，虛拟实验包括形式、属性和过程三个层次。

用户体验度指用户对实验对象和环境的体验。主要测量用户“触摸”和“使用”虚拟仿真实验时的感受。这些感受包括视觉、听觉、味觉和触觉的感知，实验过程交互的便捷性和真实性，以及不同实验对象或不同操作行为的适应性反馈。从用户体验的角度来看，虚拟和仿真实验包括感知、交互和适应三个层面。

操作控制度是指用户对实验对象操作控制时的置信度，包括控制对象在操作过程中反馈的准确性和动作的准确性，从前景来看，包括三个层次：流程、数据和动作。

3.3虚拟仿真实验在诊断学中的架构

诊断学课程教学内容包括症状诊断、检体诊断、实验诊断、器械检查、病历和诊断方法。诊断学中的虚拟仿真实验以虚拟患者为基础，构建不同疾病的患者模型，如社区获得性肺炎、支气管哮喘、肺癌等。虚拟仿真实验包含4个单元，分别是症状诊断、检体诊断、实验诊断、器械检查。

使用者通过人机交互界面与虚拟患者进行对话，完成症状诊断;使用者可模拟视诊、触诊、叩诊及听诊等检查，根据问诊及查体开具相应的实验诊断和器械诊断，从而得出初步诊断结果。诊断学虚拟仿真实验可以让使用者沉浸式地模拟体验临床诊断过程，重复练习体格检查方法和掌握不同的体征，将基础医学和临床医学有效联系起来。

诊断学虚拟仿真实验系统主要可以包含人机交互界面、虚拟患者两个部分，如图1。

四、虚拟仿真实验在诊断学教学中的应用

诊断学这门课程的内容包括搜集临床资料的步骤和方法，对症状、体征和各种检查结果的评价、分析和推理等。虚拟仿真实验对学习者的认知负荷、技能发展和动机有正向影响[4]。诊断学虚拟仿真实验通过运用虚拟现实、仿真技术、数据库等技术，构建虚拟诊断环境，用于医学院校学生及临床医生的问诊、体征识别、诊断思维等训练。

虚拟仿真实验的开展主要包括五个主要步骤：导师准备、学习者准备、实验实施、报告撰写和结果评价。导师准备，包括确定学习目标和实验安排;学习者的准备，包括实验准备和设计实验治疗方案;实验实施，包括告诉学习者实验的目的、步骤和学习指南;撰写实验报告，包括实验报告提纲和实验报告提示;评价结果，包括形成性评价、总结性评价和反馈。

我們以具体实验实施为重点来介绍。第一步进行病例选择，从平台的虚拟患者库中选择预设的教学及考核病例;第二部进行病史采集，学习者用语音或文字在问诊框中输入问诊内容虚拟患者用语音或文字回答;第三步进行体格检查，病患通过虚拟方式展现，学习者360°全方位进行查看;第四步进行实验室检查，包括血常规、尿常规、生化、免疫等检查;第五步进行辅助检查，学习者可以标记诊断依据点，模拟真实检查报告单;第六步进行诊断结论，结合初步诊断结论及过程中怀疑病症做出诊断;第七步确定治疗方案，给出治疗方案及处置方案，判断是门诊治疗、住院治疗还是转诊。

虚拟仿真实验通过构建仿真的临床技能培训，以其交互性、智能性培养医学生和青年医师，提高学习者的积极性和自主性，也能培养学习者的临床思维能力和动手能力，有效弥补了在基础阶段开展相关临床教学难度较大的不足。

虚拟仿真实验在诊断学教学中的应用诊断学这门课程的内容包括搜集临床资料的步骤和方法，对症状、体征和各种检查结果的评价、分析和推理等。虚拟仿真实验对学习者的认知负荷、技能发展和动机有正向影响[4]。诊断学虚拟仿真实验通过运用虚拟现实、仿真技术、数据库等技术，构建虚拟诊断环境，用于医学院校学生及临床医生的问诊、体征识别、诊断思维等训练。

虚拟仿真实验的开展主要包括五个主要步骤：导师准备、学习者准备、实验实施、报告撰写和结果评价。导师准备，包括确定学习目标和实验安排;学习者的准备，包括实验准备和设计实验治疗方案;实验实施，包括告诉学习者实验的目的、步骤和学习指南;撰写实验报告，包括实验报告提纲和实验报告提示;评价结果，包括形成性评价、总结性评价和反馈。

我们以具体实验实施为重点来介绍。第一步进行病例选择，从平台的虚拟患者库中选择预设的教学及考核病例;第二部进行病史采集，学习者用语音或文字在问诊框中输入问诊内容虚拟患者用语音或文字回答;第三步进行体格检查，病患通过虚拟方式展现，学习者360°全方位进行查看;第四步进行实验室检查，包括血常规、尿常规、生化、免疫等检查;第五步进行辅助检查，学习者可以标记诊断依据点，模拟真实检查报告单;第六步进行诊断结论，结合初步诊断结论及过程中怀疑病症做出诊断;第七步确定治疗方案，给出治疗方案及处置方案，判断是门诊治疗、住院治疗还是转诊。

虚拟仿真实验通过构建仿真的临床技能培训，以其交互性、智能性培养医学生和青年医师，提高学习者的积极性和自主性，也能培养学习者的临床思维能力和动手能力，有效弥补了在基础阶段开展相关临床教学难度较大的不足。

参考文献

[1] Z. Hui， “Head-mounted display-based intuitive virtual reality training system for the mining industry，” INTERNA-TIONAL JOURNAL OF MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY， vol. 27， pp. 717–722， JUL 2017.

[2] B. J. Park， S. J. Hunt， C. Martin， III， G. J. Nadolski， B. J. Wood， and T. P. Gade， “Augmented and Mixed Reality： Tech-nologies for Enhancing the Future of IR，” JOURNAL OF VASCULAR AND INTERVENTIONAL RADIOLOGY， vol. 31， pp. 1074–1082， JUL 2020.

[3] H. Ronghuai， Z. Lanqin， and C. Wei， “The learners cognition and credibility of virtual experiments，” Open Educa-tion Research， vol. 18（06）， pp. 9–15， 2012.

[4]E. Paxinou， C. T. Panagiotakopoulos， A. Karatrantou， D. Kalles， and A. Sgourou， “Implementation and Evaluation of a Three-Dimensional Virtual Reality Biology Lab versus Conventional Didactic Practices in Lab Experimenting with the Photonic Microscope，” BIOCHEMISTRY AND MOLECULAR BIOLOGY EDUCATION.

[5] K. Matsunaga， M. M. Barnes， and E. Saito， “Exploring， negotiating and responding： international students experiences of group work at Australian universities，” HIGHER EDUCATION.