虚拟仿真实验在医学遗传学实验教学中的探索与实践

朱永生,寻 兮,党 洁,霍正浩,张 宝

1.西安交通大学法医学院, 西安 710061;2.宁夏医科大学基础学院, 银川 750004

医学遗传学作为一门联系基础与临床的桥梁课程,除了要向学生系统介绍遗传物质在疾病发生、发展过程中的作用,帮助学生从遗传学角度建立对疾病的预防、诊断与治疗的认识之外,更重要的要使学生了解如何借助现代细胞遗传学、分子遗传学和分子生物学的技术手段解决临床实际问题,因此实验教学在医学遗传学课程建构中占有重要地位,是培养学生发现问题、解决问题,建立临床思维,顺利实现由基础向临床过渡的关键课程[1]。传统医学遗传学实验课主要聚焦于人或实验动物染色体核型制备及显带分析,这是临床医学及医学检验专业学生必须掌握的实验技能。然而,现有实践内容主要关注实验流程的单纯操作,忽略了与临床实际案例的关联,无法充分调动学生主观能动性。同时,限于样本采集、学时及实验室条件等限制,部分实验活动无法实现学生的线下操作,因此需要借助虚拟仿真实验,方能强化实践教学环节,达到相应的教学目标[2]。

虚拟仿真(virtual reality)实验可以打破时间、场地、人员限制,以虚拟仿真技术模拟真实实验环境,通过人机交互方式完成实验操作,在医学教育领域得到广泛应用[3]。根据医学遗传学课程的实验难点及学生的学习需求,笔者联合上海梦之路数字科技有限公司自主研发了“唐氏综合征的遗传学诊断”虚拟仿真实验,同时辅助其他已有实验体系,通过“虚拟与现实相结合、线上与线下相结合”的教学模式完成实验目的[4]。借助虚拟仿真实验,真正实现基础与临床的有效沟通,帮助学生获得沉浸式体验,即在虚拟病人身上进行实操的过程中完成将遗传学知识有效运用于临床诊疗的目的,提高医学生分析问题、解决问题的能力,初步培养临床思维及基本技能。该文就西安交通医学部虚拟仿真实验在医学遗传学实验教学中的实践应用进行阐述,为探索基础医学课程创新性实验教学模式提供借鉴。

1 医学遗传学实验教学开展虚拟仿真实验的必要性

目前,中国医学教育主要采取的是公共课程、基础医学课程和临床医学课程依次进行的三段式教学模式,基础课程与临床知识彼此割裂孤立,内容整合和连贯性欠缺,学生无法建立基础与临床之间的联系,临床思维欠缺,不能将基础医学知识有效应用到临床疾病的诊疗中,因此导致学生对基础医学课程兴趣寡淡,学习积极性普遍较低。医学遗传学作为五年制临床医学及医学检验学专业学生大三年级的专业基础课,正处于从基础向临床过渡的阶段,课程所涉及的很多遗传病需要妇产科学、儿科学、诊断学等众多学科的知识辅助,要求学生具有较强的医学相关知识综合应用能力。然而,限于学科及场地等的限制,在实际教学工作中将实验所涉及的内容全部涵盖并不现实,因此亟须在实验教学中引入经典临床案例,通过完善的实验设计实现以遗传学技能解决临床实际问题。此外,在传统的实验教学中学生普遍以实验指导为依托,按照既定的实验方案进行操作,学生对实验目的及结果缺乏思考和自由探索,因此学习兴趣不高,体验性较差[5]。而虚拟仿真实验所构建的虚拟临床场景,能够促使学生在与ESP患者交流过程中认识特定遗传病从遗传咨询、实验室检查到诊断治疗的全过程,培养医学生临床思维,帮助学生早期接触临床。

传统医学遗传学实验教学需要以实验动物或人体细胞为实验对象,但限于动物伦理及生物安全的要求,使得样本采集及实验范围受到很大限制。同时,由于羊水穿刺、绒毛细胞培养等需要在专门的临床医学中心由专业医师才能完成,受制于学生数量、患者隐私、无菌要求及学生实际操作能力等限制,使得临床见习教学困难重重。此外,传统实验教学评价主要关注学生实验操作的规范及熟练程度,而对实验中所折射出的医学人文理念、医者仁心等职业精神教育关注不足或融入度不够,导致课程精神内涵匮乏,学生对课程认同感低[6]。而基于临床真实案例的虚拟仿真实验能够有效解决以上矛盾,通过人机互动、开放性问诊系统,使学生在认识遗传病发生机制的同时,实现临床问诊和临床操作技能的训练,实现学生早期接触临床、反复接触临床的培养目标。因此,该文将以自主研发的“唐氏综合征的遗传学诊断”为例,具体介绍虚拟仿真实验在我校医学遗传学实验教学中的探索与实践过程。

2 唐氏综合征的遗传学诊断虚拟仿真实验的建构与应用

2.1 设计思路及实验原理

该实验以临床常见染色体数目异常疾病“唐氏综合征的遗传学诊断”全过程为线索,利用动画、视频、3D技术,构建趋于真实的虚拟临床场景(如遗传咨询门诊、染色体制备实验室等),通过人机交互,对患者开展虚拟诊疗,模拟临床“唐氏综合征”从遗传咨询、孕早期唐氏筛查、孕中期羊水染色体制备及分析到最终给予染色体核型分析诊断结果并提出处理意见的全过程(如图1所示)。借此在学生无法亲临产前实验中心的前提下有身临其境的感受,在对虚拟患者的实操过程中加深对基础课程的理解和应用,将遗传学基础知识有效运用到临床诊疗中,初步培养学生的临床思维及基本技能。

图1 唐氏综合征的遗传学诊断虚拟仿真实验原理及构建思路

2.2 教学方法及教学目标

为了真实还原医患间随着诊疗的逐步深入所先后涉及的各个环节,强化学生沉浸式体验,笔者按照诊疗先后顺序设计三个实验模块,分别是临床咨询、唐氏筛查、羊水穿刺及羊水染色体的制备。为了达到最佳教学效果,对于不同教学模块采用的教学方法不同。

2.2.1实验模块一:人机对话唐氏综合征的遗传咨询

该部分实验内容及基础知识通过医(学生)患(ESP患者)之间人机智能语音交互展开[7]。即合理设计真实医患交流对话内容,整合虚拟临床案例中的基础医学与临床医学知识点,构建连贯的知识体系;通过临床案例导向,有序展开实验教学,学生早期接触虚拟的临床咨询过程,将知识和技能融通整合。在患者咨询和医生解答过程中逐步推进遗传咨询内容的深入,在此过程中巧妙地融入动画、视频等教学内容,训练学生问诊,同时全面掌握唐氏综合征的发病机制、危险因素、产前诊断指标及检查项目等基础知识,对学生临床问诊技巧、建立和谐医患关系、促进人文关怀方面的培养起到推动作用。

2.2.2 实验模块二:孕早期唐氏筛查及结果分析

该部分实验内容承接之前的案例,促使学生初步认识对患者进行持续性诊断和治疗的原则及过程。在教学过程中,学生通过虚拟仿真软件的提示可以更便捷地抓住重点,更有效地了解实际临床工作中患者的差异性表现,丰富其知识内涵。通过学生向ESP患者自主提出唐氏筛查处理意见及对患者进行解释的过程中,融入动画、视频、虚拟化验单等教学内容,将唐氏筛查的检查项目及意义、各项指标标准、筛查结果判读依据、唐氏综合征患者临床表现等一一展现出来,帮助学生借助实际医院中的诊断报告将临床结果与内在的遗传学知识联系起来。该部分是理论课有关唐氏综合征的重点内容,但课堂中受课时所限,学生只能通过被动学习及文字阅读吸收知识,记忆的储备量及长期性无法得到保障;而通过对该内容的虚拟实验操作,使得学生有身临其境的感觉,增加其记忆的强度和深度。

2.2.3 实验模块三:孕中期羊水染色体制备及分析

该模块为虚拟仿真实验的重点,即在前期掌握实验模块训练的基础上,推进实验内容真正进入遗传学诊断的过程中。此部分以3D技术支持,细化羊水染色体制备的各个步骤,学生可以在虚拟羊水染色体制备实验室中完成羊水染色体制备的各个环节,通过学习、操作和试错,达到掌握羊水染色体制备的时间及意义、制备过程及核型分析、核型判读依据及处理意见等内容的目的,使学生具有实际操作的真实感受。此外,在实验流程的各个环节中,将互动答题及操作提示融入其中,使学生在相应3D实验操作的引导下,逐步推进和深入实验过程,获得相应评价分数,实现实验与考核的同步。

2.3 考核要求及成绩组成

通过虚拟仿真实验主要考核以下知识点:①通过人机对话,考核学生临床病史采集(家族史、婚育史、现病史、月经史及个人史等)及医患沟通能力;②通过视频观看及随堂测试,考核学生对唐氏筛查的概念、检查目的、应用范围、结果分析、筛查原理等的掌握水平;③考核学生对于唐氏综合征常见临床表现及遗传学特征的认识程度;④通过实操训练,考核学生对不同染色体病核型特征的认识及分析能力;⑤通过习题自测及填写实验报告,考核学生对于羊水染色体的制备方法及注意事项的掌握程度,同时通过人机互动的核型分析演练考核学生对羊水染色体G显带进行分析诊断的能力。

考核成绩由随堂测验及实验评定结果(30%)、实验操作时长及正确率(20%)、实验报告撰写(30%)、课后作业(20%)组成。例如,住院医师或需要进行相关培训的临床工作人员,需在完成虚拟仿真实验后,开展临床实操。同时,该虚拟仿真实验所涉及的遗传学专业知识将在“医学遗传学”最终期末试卷中进行考核。

2.4 实施过程与实施效果

该校医学遗传学实验课共计8学时,以染色体制备及核型分析为主,其中唐氏综合征的遗传学诊断虚拟仿真实验3学时,线下小鼠骨髓染色体的制备5学时,采用虚拟仿真和线上线下混合式同步教学的方式。

课前要求学生通过“智慧树MOOC平台”学习由宁夏医科大学开发的“临床前基础医学综合实验”慕课——产前诊断一节,线上自主学习相关理论知识[8]。随后,利用该校在线学习平台,根据教师上传的资料自学实验目的原理、了解实验流程,复习相关理论知识,系统地掌握分散在许多基础与临床学科中的基础医学知识。最后,通过习题自测检测自学效果,提升实验效率。

课中,以教师为引导,按照实验三模块的先后顺序依次进行。实验前分别以问题为“因”,督促学生在实验操作中寻求“果”。如“哪些因素是导致生育唐氏综合征患儿的高危因素?”“导致唐氏综合征发生的机制有哪些?”“如何判断一个孕妇可能怀有唐氏综合征患儿?”“唐氏筛查的指标及判读标准是什么”等。学生带着问题进行操作,既熟悉了实验流程,训练了临床问诊能力,又在人机互动过程中充分掌握了疾病的发生机制及诊疗原则。实操结束后,要求学生完成随堂检测强化学习效果。最后,通过翻转课堂的形式,学生以小组为单位,根据虚拟仿真实验提供的实验流程并结合实验指导,设计小鼠骨髓染色体制备的动物实验,撰写预习提纲。在第二次实验课中,通过线下实验,学生根据自己设计的实验方案完成小鼠骨髓染色体制备的全部过程。尽管线下实验所选取的实验对象为小鼠骨髓细胞,没有人体外周血细胞进行细胞培养的环节,但是后续的细胞收集及染色体制备、G显带及核型分析的过程与人体外周血细胞染色体核型制备完全一致,因此可以在避免使用人体细胞的前提下,通过虚拟仿真实验和线下实验帮助学生充分掌握常规染色体制备的原理、方法及分析标准。虚拟仿真实验的设置,避免了人体样本的采集,降低实验动物使用量,激发学生的科研兴趣,提高了线下实操实验的实验效率和准确性,克服了临床见习教学的困难,可以督促学生反复练习、回溯性学习,使学生获得充分的学习机会,加强基础医学知识和技能的锻炼,为将来的临床课程学习打下坚实的基础。

该虚拟仿真实验已在教育部实验空间(iLab-X.com)平台上线,目前已运行4年,而按照以上实验教学模式,在西安交通大学已完成两个轮次的应用。在完成实验后,要求学生完成“虚拟仿真实验教学效果问卷调查表”,了解学生的学习感受,并对反馈的内容进行统计分析和归纳总结。以下是笔者针对学校2022级临床医学及基础医学专业学生进行的两项问卷调查结果,共发放问卷100份,收回有效问卷98份,回收率为98%(如表1所示)。通过分析问卷可知,学生对于在医学遗传学课程中加入虚拟仿真实验的设置认可度较高;七成以上学生认为通过操作虚拟仿真实验可以有效提升理论学习与实践的紧密联系,提升学习效能,加深对课堂理论知识的理解;90%以上学生认为虚拟仿真实验操作便捷,使用方便;77.6%的学生认为虚拟仿真实验能够有效指导其进行线下实体动物操作。此外,笔者发现约70%的学生认为虚拟仿真实验中涉及的临床案例可以帮助其有效建立对病患的人文关怀,提升对医者仁心的认识。

表1 虚拟仿真实验教学效果问卷调查结果

3 总结与展望

医学遗传学作为一门高度实践性和综合性的课程,理论教学和实验教学必须相辅相成、相互成就。然而,由于实验内容繁杂,学科涉及多样,要求学生具备一定的医学相关知识综合应用能力,因此仅凭单一的实体实验无法满足课程需求。随着虚拟仿真技术的日益成熟,虚拟仿真实验已成为高校实验教学的重要补充,尤其对于医学相关课程,虚拟仿真实验的引入能够有效解决因实验场地、医学伦理、实验内容抽象、生物安全等现实条件的限制。更重要的是,通过虚拟仿真实验模拟真实的临床诊疗环境,促使学生在与ESP患者交流过程中了解医患沟通技巧,强化医学人文学习,弥合基础与临床的缝隙。但是,完全依赖于虚拟仿真实验,会使学生丧失动手能力。仅凭鼠标键盘操作完成实验过程,也会使学生忽略实际操作过程中的重点和难点。更重要的是,虚拟仿真实验都是按照预定程序进行的,全过程都是按照最理想的实验条件进行设定,而实际临床实践过程充满很多不可预知的意外情况,因此学生在虚拟仿真实验中无法对实际操作中的难度及意外进行判定[9]。据此,学校医学遗传学实验采用“线上与线下相结合,虚拟与实操相结合”的方式开展教学,以理论教学指导虚拟仿真实验的操作,再以虚拟仿真实验的经验及教训指导线下实体动物实验的操作,既让学生获得临床沉浸式体验,也使学生在实体动物实验过程中加强动手能力,培养其分析和解决实际问题的能力。

此外,该实验除了对在校大学生临床技能培养具有重要意义外,对于已经开展或将要开展产前诊断的医院和卫生机构而言,对其培养产前诊断方向的技术人员也具有极高的实际应用价值。目前,该虚拟仿真实验已在部分医疗机构生殖中心及产前诊断中心进行一定的推广应用,笔者也期望能够借此进一步加强医教协同,共享虚拟仿真实验教学资源,服务于基层临床医生的毕业后教育。

在医学遗传学实验教学中融入虚拟仿真实验能够有效提升教学质量,培养学生自主创新及临床实践能力,符合新医科建设背景下医学人才的培养目标。因此,笔者继续秉承“以虚促实、以虚促学、虚实结合、相辅相成”的原则[10],不断完善实验教学体系,更新实验内容,为提高学生综合素养奠定基础。