元宇宙在外科临床教学的应用探索

张阿雲，王 兵，谢 敏，刘 晖

甘肃中医药大学：1.公共卫生学院；2.大学团委；3.经贸与管理学院， 兰州 730000

元宇宙作为互联网的最新形态，是互联网、5G和虚拟融合技术的混合体，是虚拟现实技术的综合体[1]。它将虚拟世界与物理世界连接起来， 把网络、 硬件终端和用户囊括进来，创造了沉浸式学习环境，虚拟世界也将不仅仅是视觉体验，更是虚拟视觉，现实视觉、听觉、触觉的综合感官体验。随着元宇宙技术在教育、医疗等行业场景中的不断应用和成熟，诸如传统教学内容单调枯燥，无法调动学生积极性，对学习成效难以评价[2]，技能培养与相应的实践环节缺乏等问题，都将可能在元宇宙教学中得到解决[3]。元宇宙的出现与发展正在重新定义在线教育的教学模式、评价方式和学习资源，教学组织和系统平台将会发生很大的改变，也将更注重学生个性化学习和全面发展[4]。文章通过对元宇宙在教育领域的探讨，了解元宇宙在临床医学教育中的现状，探索元宇宙在外科临床教学中的运用，及其对外科临床教学的意义，并对教育元宇宙未来在临床医学教学中更好的应用提出了相关建议。

1 元宇宙的概念与特征

1.1 元宇宙概念

元宇宙概念最初来自于1992年出版的《雪崩》一书，书中描绘了一个平行于现实物理世界的虚拟世界。元宇宙英文metaverse是由meta(即元的、超越的)和verse(即宇宙)组合而成[5]。2021年10月，Facebook宣布更名为Meta，使元宇宙受到前所未有的关注。目前，对于元宇宙的定义有着不同的诠释。有人认为元宇宙是以互联网、5G和虚拟融合技术为基础，创建的一个既平行于真实世界又独立于真实世界的自然与社会交融的虚实融生生态文明空间[6]；也有人认为元宇宙是指虚拟与现实相互作用，共同演化的世界，是虚拟与现实的一种互动，是通过虚拟数字空间增强的物理现实，是一种由视觉、触觉等方式感知的越来越真实的虚拟世界。其中，王运武[3]从不同视角分析了元宇宙：从宇宙视角来看，元宇宙是初级宇宙层次，是与本宇宙不同性质的一种意识形态；从哲学视角来看，元宇宙创造了虚拟的数字空间和数字世界，更能发挥人的主观能动性，有利于实现人们在现实世界里所不能实现的事情，为未来探索未知世界提供了新思路；从技术角度来看，元宇宙是数字信息技术的集合，是一个平行于现实世界且独立存在的数字虚拟世界；从教育角度来看，元宇宙是在线教学的扩展形式；从社会角度来看，元宇宙是突破时间、空间界限的人类社会的数字再现。总而言之，元宇宙是互联网的高阶形态，是一个集创造、交易、社交、娱乐、展示的综合平台，是完美的连接线上和线下的通道[7]。

1.2 元宇宙特征

目前，学界对于元宇宙的特征有着不同的描述。刘革平[4]认为元宇宙有四个方面的特征，即虚拟与现实的深度融合、智能数字化技术的集合、线上线下一体化关系、加深用户思维的表象化等；李海峰[6]提出元宇宙五个方面的特征，即深度沉浸感、具身社交网络、群体自由创造、社会生态文明、虚实融生共在。虽然对元宇宙有不同的理解，但都涉及“互联网”“沉浸体验”“虚实空间交互融合”“超仿真”等关键词。综合来看，元宇宙的特征主要有以下几种：

1.2.1虚实融合

从元宇宙的存在形式来看，虚拟与现实的融合是元宇宙最基本的特征。元宇宙通过数字技术来模拟现实世界，构建了一个既包含现实世界虚化物又包含虚拟世界自我创造物的“数字孪生”世界。在现实世界中，可以通过穿戴感官装备，体验虚拟世界中各种在场的感官刺激，不仅能将抽象思维具体化，创造出自己所想的事情，而且能赋予个体情感，体现真人的意志，线上线下交流同步进行，从而提高元宇宙中个体间的交流质量，实现元宇宙近似现实生活又超越现实世界的沉浸式交流体验感。因此，通过“数字孪生”世界搭建的沉浸式体验推动虚拟与现实世界的深度融合，能够让个体在元宇宙中产生既源于现实又超越现实的沉浸式具象化感受[8]。

1.2.2开放式创造与交流

在元宇宙空间中每个个体可以在任何时间和地点自由地进入，且每一个参与者都有相应的编辑能力，去创造符合自己需求的场景和社会交往，传播情景也将围绕着参与者本身，是一种去中心化和接近平权式的传播格局[9]。同时，元宇宙参与者也可利用自己的身份进行各种社交，体验全景式的社交感知所提供的真切社交情感体验。元宇宙也可以实现跨境社交与文化交流带来的超现实社交体验，在这里语言将不再是交流障碍，元宇宙的海量信息将会以各种语言存在，也可以随时翻译成各种语言，在交流中可以搭配各种语言表现形式进行信息交流，从而提高了交流的效率，也提升文化交流的广度和深度，实现真正意义上的全球交流。

1.2.3智能数字化集合

从元宇宙数字技术来看，元宇宙是数字技术的集合。元宇宙囊括了过去的网络空间、数据世界和虚拟现实世界；元宇宙空间主要依托于人工智能、区块链、MR和物联网等数字技术的集合，如通过5G技术和云计算等支撑大规模用户可以同时进入元宇宙空间，并保障用户同时使用的流畅性；通过AR等技术保障用户进入元宇宙后视觉、听觉、触觉等各种感官的沉浸式体验与互动[4]。总之，元宇宙是集成和融合现在与未来全部数字技术为一体的终极数字媒体，代表了视觉沉浸技术发展的最新阶段，将会消解线上与线下的概念，打破现实世界距离的限制。随着元宇宙的不断发展与扩大，更多的先进技术与创新应用也将加入到元宇宙的创建工作中。

1.2.4线上线下一体化

基于元宇宙虚实深度融合特征，形成线上线下一体化关系，元宇宙空间中现实与虚拟的界限将不再清晰，参与元宇宙的每个个体将使用特定的身份代码，衍生出虚拟的自己，可以以任意形态存在。每个个体可以通过特定的身份代码，随时通过相应设备进入元宇宙，进行各种社会活动，在元宇宙中产生与现实世界中感知一致的虚拟活动；并可根据自身需求，在虚拟与现实世界中任意转换，实现线上与线下的深度耦合。因此，元宇宙的出现，促进了线上线下全面一体化的新型社会关系。

2 元宇宙在外科临床教学中的运用

元宇宙可将现实信息资源融入虚拟教学中，也可将虚拟学习资源应用到现实教学中，弥补了传统教学无法提供的真实情境。元宇宙的出现将为教育建设提供新方向，从根本上解决教育质量参差不齐、数字孤岛等问题，为高质量的教育教学提供新动力，为师生学习提供新方式。

2.1 元宇宙在教育教学场景的运用探索

随着元宇宙的兴起与发展，人们开始关注元宇宙理念对教育的影响，教育元宇宙逐渐进入大众视野。教育元宇宙可以理解为云端智慧教育的统合，即线上学习视角下元宇宙概念在教育领域的应用，它为教师、学生、管理者等相关人员制定了相应的虚拟身份，在虚拟世界中进行教与学的互动。目前，已有多位研究者对教育元宇宙进行了相关探索：杨丹[10]曾提出，2022年可能会成为元宇宙教育元年，元宇宙正成为教育界重点关注的邻域；2021年12月，中关村成立全球首家“元宇宙教育实验室”用于推动元宇宙教育的落地发展，探索元宇宙与教育的创新结合以推进教育高质量发展[7]；2021年清华大学副校长杨斌在世界慕课与在线教育大会上谈到元宇宙对未来教学的赋能时认为，元宇宙可在沉浸与专注、想象与创造这两方面为教育提供支持。元宇宙应用在教育方面主要有两个核心：第一，沉浸式学习的环境，教育元宇宙能模拟现实世界，制定相关现实中的规则，提高真实感；在虚拟教室中，不仅能学习理论知识，而且可以做相关实验，提高学习效率与积极性，这种高度的真实感与沉浸感将进一步提升学生的存在感与参与感，真正实现身临其境的学习[11]。第二，社会交互性，教育元宇宙的虚拟环境不是固定的，是可以修改和建模的，从而促进学习资源与学习环境的交互[12]。教育元宇宙的人只要有相应的数字证号，都可以自由社交，师生之间、生生之间实现资源的交互与共享，使得不同阶段、不同年龄、不同领域、不同层次的人都享受更公平、更优良的教育[13]。

2.2 元宇宙在临床教学的应用现状

基于临床教学的特点与元宇宙的发展，越来越多的临床教学开始尝试利用虚拟现实技术进行线上教学与培训，为临床医疗与临床医学教育带来了极大的便利。因此，越来越多的医疗研究机构和企业已经开始超前部署元宇宙, 探索运用元宇宙来改变现有的临床医疗与临床医学教育，实现质的变革。2003年在美国林登实验室创建的Second Life中的教育版块里，能购买教育用地，创建虚拟学校和虚拟课堂，开展教学试验和技能训练等[3]；当前，部分临床教学领域已经开始运用智能机器人教师来辅助教学活动，VR、MR、AR等均在临床教学中有所运用，医学元宇宙所集合的最新三维虚拟技术及医疗大数据整合也开始运用在现代医学教育研究中，如Ve- yond Metaverse公司为医学教育、手术计划和培训、辅助外科手术、制药、肿瘤治疗和诊断等提供全新的、颠覆性的XR技术[14]；还有称为用于3D手术计划和医学教育的元宇宙Medicalholod-eck[15]，包含了三个应用程序，即解剖大师XR(dissection master XR)可用于在虚拟现实中进行解剖教学，医学影像XR(medi- cal imaging XR)支持在虚拟现实中处理3D医学图像数据，解剖学大师XR(anatomy master XR)包括完整的不同性别的人体解剖结构，可用于查看人体整体结构模型，学习人体各大系统以及骨骼、动静脉、肌肉、外科等的解剖知识。这些APP将成为学习解剖的重要资源。在虚拟教室中，可以利用数字技术塑造的虚拟的尸体进行教学培训，不仅可以更好地了解人体构造，从不同方位观察人体解剖，而且可以解决疫情期间医学生实习机会少、实习不方便等困境。但是，目前真正将元宇宙运用于临床教学的实践还不多(更多的是在尝试)，且在疫情影响下，线上医学教育的普及以及对教学质量要求的提升，进一步刺激了教育元宇宙在临床医学的发展，临床医疗、临床教学正在面临一场深刻的数字改革，元宇宙在医学教育方面具有极大的潜力，将会在医疗教育改革中发挥重要作用[16]。

3 元宇宙在外科临床教学中的优势

元宇宙技术提供的资源最大程度地改善了外科临床教育中的临床实践问题。传统的外科临床教学模式下医学生在学习理论知识后，因受手术室中观摩学习环境及条件的限制，临床实践学习不充分。而元宇宙教学模式则通过现实情景构造出相似的虚拟场景，将学习知识和实践应用完美地结合，解决了传统外科临床教学的诸多难题，对于现实中无法接触的高难度手术，可以在虚拟教室中，由教到学再到实践一步完成。通过在虚拟教室中实践或者观摩手术操作过程，使学生更容易学习深层知识，应用并解决实践环节中的问题。

3.1 对传统教学模式的创新与改革

3.1.1带教教师教学方式的改变

传统的医学临床教学中，带教教师在承担诊疗及科研工作的同时兼职带教学生见习或实习，基本是一门课由多位教师轮流上课，对教学工作重视程度低，且缺少细致规范的备课过程[17]，部分教师在教学时照本宣科缺少策略与方法，不能引起学生共鸣；学生也只是机械记忆，抓不住重点，更提不起兴趣；且在实习带教中只致力于培养实践操作，而忽视了巩固理论知识的重要性，只是机械地执行一些技能操作，无法做到融会贯通，导致教学质量不佳，学习效率低下[18]。相反，元宇宙的教学方式是理论与实践相结合，既注重扎实的理论知识，又兼顾临床实践操作的培训；以学生为主体，教师辅助学习，鼓励学生课前积极了解所讲内容，在课上教师针对不同学生，运用学生感兴趣的教学方式进行教学，积极调动学生的学习兴趣。通过虚拟仿真的真实临床实践操作，既巩固理论知识，又加强理论与实践的有机结合，改变了传统教学模式中理论与实践分离的现象，从而促进学生从知识、实践、沟通交流和人文关怀等方面接受全方位的培养，提升学生的综合能力。

3.1.2教学环境的改变

当前，由于新冠肺炎疫情的影响，大多数教学都改为线上教学，疫情带来的不定期线上教学影响了教学质量和效果，线上教学主要依靠音频或视频，师生不能很好地互动，调动不起学生学习的兴趣与积极性，线下教学也都是以教师为主，学生在旁观看，上手操作的机会很少。元宇宙教学虽然模拟了现实教学场景，与现实教学相似，但又有很大的不同。传统的教学模式是固定在一个空间内，以教师为主进行授课，而虚拟教室的教师和学生可以是同一时间、不同地点下组织的教学，也可以自主选择时间进入学习。元宇宙代表了空间连续的理想状态，在现实与虚拟深度融合的同一个虚拟的在线环境中，解决了时空分离导致的沉浸感缺失、学习孤独等问题[19]。元宇宙教学环境可以对现实物理环境进行三维全景采集，根据需要融入教学背景，真实呈现现实场景，以满足学习者的认知需求，既能再现现实，又能超越虚拟，尤其是操作性强度高的外科临床，元宇宙的教学保障学生能顺畅地从理论学习过渡到实践应用，促进了理论与实践相结合。元宇宙中还包含了丰富的学习资源，能让学习者处于资源之中，使学生认知与资源智能耦合，自由高效地学习。

3.2 加强医学生综合素质培养

3.2.1激发学习主动性与创新性

元宇宙是现实与虚拟交叠融合的学习环境，可以弥补传统教学无法提供的真实情境[20]，解决传统课堂上学习大量医学知识的枯燥，以及通过死记硬背来掌握知识点的烦恼。元宇宙教学可以使学习过程更加生动，激发学生学习的主动性，从而自主地将理论知识转变成实际操作能力[21]。教育元宇宙可以根据学生的不同需求和发展特点，使个体在逼真的虚拟情境中自主学习，根据自身的兴趣制定不同的学习方式，在自身喜欢的情景元素中快乐地学习、理解、记忆相关知识要素[22]。比如：①跨时空的课堂学习，学生可以在自己了解相关疾病或手术后，进入时空课堂听教师深度讲解，与教师交流，加强知识理论的理解与记忆；②高仿真的观察学习，学生可以直接进入仿真的虚拟教室，直接观察相关临床疾病的治疗过程或手术过程，教师可以边操作边讲解知识点，进行实践操作学习；③沉浸式的游戏化学习，将临床知识学习游戏化，在游戏不断升级中，解锁更多学科知识。

3.2.2提高实践操作能力

传统教学方式都是先理论、后实践。在学习理论知识时无法进行临床实践以知识巩固，在后期临床实习时又没有相应理论做支持，很容易导致学生边学边忘。元宇宙教学可以把一些复杂的知识点通过动画形式展现出来，加深学生对学习内容的印象。参与不同情景的学习，实现了学习知识与实践应用的统一，既强化理论基础，又不断加强实践，注重综合知识和能力的培养。元宇宙教学模式包括课前准备、教师导入、分组练习、实践操作四个部分[23]，教师提前给学生发布任务，学生通过搜索资料，了解疾病或手术的基本知识，然后再进入虚拟教室，带着问题学习理论知识；教师可以随意切换空间，模拟医院和社区真实环境，设计各种场景和角色，再现就诊过程；学生可以通过对该疾病的实践观察加深理解。例如，模拟患者身上的伤口大小和类型，观看教师的处理方法、清创的顺序，一边探索，一边与教师和其他学生互动，通过多看、多思、多想打开学生思维，消除面对现实世界临床事件中的紧张害怕、无从下手的不适感[24]，既提高学习的主动性，也有利于提高学生的临床实践操作能力。

3.3 有助于解决临床实践问题

很多医学院校非常注重学生对理论知识的学习，因此安排了很多理论学习课程，而留给临床实践的时间却很少，导致实践课程设置存在一定的脱节，即学生与医院、与病人相脱节；其次，学校与合作的临床实践教学单位对学生的培养存在不合理性，即学生所学的临床科室与实践科室不同，造成学生理论学习与实践应用无法相融合。元宇宙教学是理论学习与实践应用并存的教学模式，学生在临床见习之前，已经对相关临床病例与手术有过接触和了解，根据学生对虚拟教学的感受进行反馈，可以了解学生实践学习情况，针对不同学生学习情况制定相应的临床见习计划，学校可以依此来合理安排学生在哪个医院见习更好；医院也可以根据学生在虚拟课堂中实践操作的表现来制定合理的培养计划，安排见习的顺序和见习时间的长短，根据不同的学生来分配带教教员，合理高效地利用教学资源，提高临床实践教学质量。

3.4 促进完整的教学评价模式的建立

大多数学校虽然建立了师生双向评估机制；但是由于各种原因，评价结果不太准确与客观，且对真实的上课情况无法及时反馈，没有建立完善的反馈机制，学生在教学中遇到的问题没有及时解决，对于学生学习效果的评价和教师教学质量的评价不全面：从而影响教学质量的提高。运用元宇宙数字技术手段，可以将教学评价中的各个环节紧密衔接[6]，对学生学习效果和教师教学质量进行双向评价。通过元宇宙对教学环境、教学过程和最终效果进行整体评价，结合学校教师评价系统，根据反馈不断优化教学过程，形成动态资源，实现所思有所得，即实现元宇宙信息与现实信息的无缝衔接。并对学生学习成果进行评价，评价内容主要包括书面理论测试和临床实践能力测试，如病历书写、询问病史、查体、实验室检查、专科检查、诊断与鉴别、治疗方案选择等内容[25]，模拟外科实际发生的临床病例，查看反应能力和应急能力。完整的评价体系，不仅有助于教学质量的提高，而且有助于学校与医院制定合理的临床实践计划。

4 对未来元宇宙在医学临床教学的思考与建议

元宇宙作为一个新兴概念，对外科临床教育产生着革命性的影响，填补了传统医学教学模式的缺陷。元宇宙教学方式带来的真实体验感，使学生更全面地了解客观事物，更易激发学生的创造性思维产生新的构想与创意。教育元宇宙的发展在医学临床教学中具有巨大的潜力，元宇宙作为视觉沉浸发展的最高形态，集合了人类外化智能的各个数字技术领域，已经超越数学推理和科学试验的认知范围，形成了一个新的认识自然规律的基本方法[26]；元宇宙将会重塑在线教育，成为智能时代教育的重大创新点。但由于目前元宇宙描述的观点与未来图景过于超前，现有的支撑技术与研究设计过于简单，目前研究所得到的相关结论都有一定的局限性。基于此，该研究针对初级教育元宇宙有以下几方面的思考与建议：

4.1 建立元宇宙临床教学发展规划，明确发展目标

当前，在医学教育领域运用元宇宙并没有进行系统的规划，只是出台了一些支持VR的纲领性政策文件，并没有对每个具体临床学科领域的应用进行系统的规划，所学的材料内容和配置的教学方式都没有进行系统的整理，没有形成统一方案；并且对于已经进行相关研究的理论和实践，没有进行评估反馈，对于医学临床教学也没有进行具体的分类教学和各个类别适合的相关技术以及创新教学研究。因此，需要相关部门加强顶层设计，推出元宇宙在医学临床教学的具体方案[6]：首先，要引领示范，在确定具体发展规划后，先选取此领域发展前沿的学校或机构进行试点，进行典型案例示范，了解需要怎样的教学内容与师资力量，并制定相应的评估反馈机制，了解实施过程中的不足，并不断完善改进；其次，推进相关试点工作，并收集不同学科与学段教师和学生的需求，挖掘相关用户需求的多样性并开发相应市场，根据企业研发优势，积极推进教育元宇宙的发展，打造多元的元宇宙在线产品。

4.2 重视元宇宙临床教学发展的伦理问题

元宇宙在医学临床教学的发展刚刚起步，对相关内容的研究大多集中在对课堂教学、学生积极性、教学效果等积极作用；但随着元宇宙在教育行业的发展，负面作用和伦理问题也逐渐被重视起来。目前对这方面的研究较少。未来元宇宙在医学临床教学中大规模应用时，首先要非常注重对于登录相关网站的教师和学生的信息隐私的保护，怎样在处理收集学生反馈的相关数据时不泄露个人信息，这是需要深入探索与完善的部分；其次，是要培养学生正确的伦理价值观，在教育元宇宙的大空间里，有不同国家和不同阶段的学习者，学生在学习时如何在不同文化和舆论下建立正确的价值观和世界观非常重要[27]；最后，因为元宇宙在临床教学沉浸式体验所模拟的真实临床情况的特点，以及元宇宙空间里其他的信息，容易使学生沉迷其中进而出现上瘾问题：因此，教师在元宇宙中进行医学临床教与学的时候，要合理利用元宇宙中的资源，选择对自己有用的信息，同时教师要正确引导学生理解元宇宙，并有效驾驭虚拟自我，教师也要合理利用虚拟智能，不能过度依赖。

4.3 构建完善的教学理论体系

目前，在校园所用到的智能技术大多是演示和简单的交流，而且目前软件的设计与开发，主要是以技术为导向。在医学临床教学产品设计方面缺乏系统的理论支持[28]，因此，需要广泛吸取其他理论教育成果，研究适合以具身认知为核心的元宇宙医学临床学习的新型教育理论。这就需要在教育元宇宙环境下，结合自身认知与元宇宙的特点以及医学临床教学的特点，对教学内容进行创新设计，探索出不同医学临床学科合适的学习环境与可利用的学习资源。在应用元宇宙医学临床教学过程中，要根据教学设计和教学目标去设计教学活动，充分利用资源，优先开发现实世界中不能实现且成本代价高的教学案例，如人体解剖、各个病例的诊疗确诊过程等；其次，在应用新型设备进行教学时，应考虑课堂秩序安全，因为在虚拟教室进行医学临床教学时，可能会拿工具去进行操作，若学生过于密集可能会导致误伤；另外，还应考虑在元宇宙教学时的新型设备与环境带来的教学效率问题，保证每位学生在虚拟课堂中都能理解掌握相关知识以及相应的操作步骤。