虚拟仿真实验教学平台在外科基本技能教学中的应用

刘树义 屈肖肖 王志浩 王 鹏 兰 凯

西安医学院 陕西西安 710021

虚拟现实(virtual reality，VR)技术是一项基于计算机技术并通过图形处理、人机交互、传感、网络传输及人工智能等方式模拟人体多种感知觉综合性应用技术，由计算机图形之父萨瑟兰于1965年提出。由于VR技术具备沉浸性、交互性及想象性这三个特点，使得该项技术备受广大医学界学者们的关注，并将该技术引入医学教育和科学研究。近年来，国家对各级院校虚拟仿真实验教学中心的建设给予了大力支持，并建设了一批示范性项目在全国范围内推广应用。截至2021年9月，经国家认定的国家级虚拟仿真实验项目总数达3250个，其中医学相关专业366个，占比11.26%。设立这些项目的目的在于探索相较于传统实验教学更加个性化、智能化、泛在化的实验教学模式，打造专业布局合理、教学效果优良、开放共享的信息化实验教学示范体系，进一步全面提高高等教育教学质量。临床技能学是针对临床医学、口腔医学等专业学生开设的一门实践性课程，同时也是学生掌握疾病诊疗、培养临床思维的重要实践性课程之一，在医学生整个医学教育过程中发挥着重要作用。此课程区别于其他课程的特征在于其强调实践性，对教学资源的需求明显高于理论教学，因此传统的教师讲授+实操演示的教学模式和相对缺乏的教学资源，已很难满足当下医学生对临床技能反复练习的需求。但是将VR技术引入临床技能学的教学过程，能够有效优化教师授课方式，节约教学模型、器械、耗材，增加学生课后练习的机会。目前，国内不少医学院校将VR技术应用于诊断学、病原微生物学、内科学等课程教学中，教学效果良好，成果显著，同时也深受师生欢迎。本研究将VR技术引入临床技能学教学，初步取得了一定的效果，并结合VR技术的前景、应用效果、优势与不足综合分析探讨其应用可行性。

1 VR技术的应用前景

随着经济的发展，社会对医疗卫生服务质量的要求大幅提升，这对相关从业人员的专业素质、岗位胜任能力提出了新的更高的要求。强化医学生、临床医生临床基本技能的学习与训练是提升综合业务素质的重要环节之一。但在传统的教学活动中，教师大多是基于仿真模型进行，教学方式多以教师讲授与演示+学生练习为主。这种教学模式的缺陷十分显著，包括教学形式简单、教学时间与场地受限、学生反复练习机会少等，随着授课的深入，学生学习的积极性、主动性逐渐下降。近年来，随着VR技术的发展，其在各领域的应用极大地推动了相关行业的发展，特别是医学领域。将VR技术引入外科基本技能教学中，不仅能够有效解决练习场地、时间受限问题，还可以通过丰富、优化虚拟仿真教学平台资源，为学生带来全新的学习体验，激发学生的学习兴趣，达到强化临床技能记忆与灵活运用的目标。在临床思维培养方面，利用VR技术模拟疾病诊治、综合急救等临床情景，可以有效内化专业知识，同时也能增强学生灵活运用专业知识解决临床实际问题的能力。此外，VR技术还可以应用于临床医学教育中外科手术的教学，通过将虚拟仿真技术、硬件设备与常见疾病的外科手术方案整合，形成能够模拟外科手术操作全过程的虚拟仿真资源。学生利用这些资源，在进一步巩固外科基本技能的基础上，还能切身体验疾病手术治疗的方法和流程。总之，在传统教学的基础上，将VR技术合理引入医学生和临床医生临床技能教学过程，能够优化教学过程，使学生的学习收获最大化，对提升学生的综合素质有重要意义。

2 VR技术在临床技能学教学应用中的探索

如前所述，VR技术不仅能为学生提供良好、可反复练习的训练平台，同时能模拟许多真实的临床场景，这使得学生在巩固新知的基础上，较好地提升临床逻辑思维能力。但是，我校及诸多医学院校在外科基本技能的培养过程中，依然在以“讲授+演示”的方式进行。为此，结合我校学生人数多、教学资源相对不足的具体实际，我们尝试通过将VR技术引入临床外科基本技能学教学过程，旨在优化教学方式，解决传统教学中遇到的瓶颈问题。

2.1 为临床技能教学提供新工具

临床技能是医学院校培养临床医学专业学生的重要内容之一。如何让学生在有限的时间内学会并灵活应用各项技能解决临床问题，是当下相关课程教师所面临的巨大挑战。传统的单一授课方式，很难满足学生对技能知识的理解和训练需求，对于刚进入临床课程学习阶段的学生而言，外科技能的操作方法烦琐、难懂，不易掌握，更不能体会到每项技能在解决临床问题时的场景，因而使学生的学习积极性逐渐受到影响。将VR技术应用到临床技能教学，能够为师生提供全方位、立体式的VR视角，在模拟操作的同时，也将临床技能的诸多临床应用情景逐步渗透于学生的临床思维。因此，VR技术是现阶段满足学生学习、训练及应用临床技能需求的最佳途径，同时这种新的教学工具能激发学生的学习兴趣。

2.2 VR技术应用效果

为探索VR技术应用于临床技能教学的实际效果，在2019—2020学年、2020—2021学年，将VR技术引入临床技能学外科技能(外科手消毒、穿戴手术衣手套、消毒铺巾等)教学，VR授课学生人数为165人(观察组)，传统授课160人(对照组)。在教学结束后，分别从教学满意度、技能考核成绩、综合能力评价三个方面评估教学效果。在教学满意度方面，学生对VR教学的满意度更高，具有显著性差异(P<0.05)，见表1。在技能考核方面，观察组学生的总体成绩明显高于对照组，差异具有统计学意义，见表2。在综合能力方面，观察组学生的操作能力、学习效率、学习主动性、临床思维能力、解决问题能力、知识掌握及理解程度均优于对照组，见表3。上述数据均表明，VR作为辅助教学工具，能使得学生学习获益最大化，同时也使得教师在新形势下的教学手段更加灵活，通过分析学生的学习轨迹和后台记录的数据，为将来进一步优化教学方案提供方向和支撑。

表1 教学满意度调查情况(n，%)

表2 外科基本技能考核成绩情况

表3 综合能力评价

3 VR实验教学融入课程思政元素

2020年教育部颁布的《高等学校课程思政建设指导纲要》指出，要发挥课堂教学这一主渠道，将思政元素融进课堂教学的整个过程，通过深入挖掘各类课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源，让学生通过学习，掌握事物发展规律，通晓天下道理，丰富学识，增长见识，塑造品格，努力成为德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。基于VR技术的虚拟仿真实验教学课程，能够高质量完整课程本的教学目标外，同样也为课程思政的开展提供了“润物无声”的思政元素融入途径。在进行VR设备进行教学时，通过模拟临床场景、技能操作画面、声效渲染等方式，让学生能够直观地感受什么是救死扶伤，什么是医者仁心，进而更加明确人生未来的方向与价值，同时也深深感悟到作为一名医务工作者应该肩负的社会责任。例如，在利用VR技术进行心肺脑复苏教学时(见下图)，通过模拟火场、落水等不同场景，不仅能让学生获得心肺复苏的基本技能，逐渐树立了急救思维，还能使学生切身体会争分夺秒的紧迫感、成功挽救生命的成就感及对医生这份职业的认同感。而这些基本素养的培养，通过传统教学模式很难实现。

情景化综合急救

4 VR技术在临床技能学教学应用中的优势与不足

新医科背景下，医学院校在培养专业人才时，应紧密结合经济社会发展大趋势，为新时代健康中国战略的实施奠定人才基础。但在传统医学教育模式下，大多数临床医学专业本科学生毕业后的岗位胜任能力非常薄弱，临床经验匮乏，基础理论掌握不全面，病史采集、查体、缝合、换药等基本技能不扎实，临床诊疗思维尚未形成，无法为患者提供优质的医疗服务，易引发不良的医患关系。因此，传统医学教学模式已经难以满足新时代人才质量的要求。就培养医学生临床技能而言，在其进入临床见习、实习之前，应用虚拟仿真教学平台，能够发挥其独特优势。首先，丰富教学资源，优化教学环节，提升教学质量。近年来发展成熟的VR技术为临床技能学的教学活动注入新活力：以VR技术为基础的虚拟仿真训练系统，能让学生清晰观看每项技能的具体操作方法，并将技能的临床场景以VR视角呈现给观看者，这使得学生吸收知识的效率更高、印象更为深刻，与此同时也简化了教学过程，弱化了教师的角色而增强了学生的参与度。其次，激发了医学生的学习积极性。由于基于VR技术的虚拟仿真训练系统能够将部分技能制作成逼真的临床手术场景，而VR设备又能将学生置身于手术情景中，通过人机交互的方式增强学生对每项技能的理解和应用。因此，这种教学方式让学生在获得技能相关知识的同时，还能真切体验作为手术者的内心满足感。最后，优化教学过程管理与监控。基于VR技术的虚拟仿真训练系统，能够记录每位使用者的学习轨迹。授课教师通过后台分析这些数据，便能更精准地掌握学情，并提出个体化的教学策略。这使得教学过程的管理更加简单、高效，同时也对保障教学过程顺利推进和提升教学质量具有重要意义。

当然，虚拟仿真技术是一种基于计算机与网络的高精尖技术，将其引入临床技能学的教学过程，也存在不足之处。首先，教学投入成本较大。基于VR的虚拟仿真技术涉及较多的硬件设备，需要对相应的软件进行定期维护、更新，这会消耗大量人力、物力，而且部分电子产品有一定的使用年限。其次，虽然通过虚拟仿真技术能够将临床技能操作情景化，但与临床实际应用场景相比，仍不够灵活多变，缺乏必要的人文关怀，难以突出临床工作的复杂性、多变性，不利于培养学生处理突发、应急状况的处理能力和团队协作能力。最后，基于VR技术的虚拟仿真训练系统操作步骤较多，特别是交互性操作频繁，需要配备具有一定计算机基础技术的实验人员或技术员，并且需要对初学者进行相关培训。