虚拟仿真技术联合PBL教学法在心脏超声住院医师规范化培训中的应用

李 颖,高 林

中国医科大学附属盛京医院超声科, 沈阳 110004

近年来,国家高度重视数字教育发展,将其作为数字中国重要组成部分,强调数字化技术在教育中的应用和拓展,“推进教育数字化”更是首次写入了党的二十大会议报告之中。虚拟仿真技术是新一代前沿数字技术,将其应用于临床医学等实践性较强的学科教学中具有独特优势,可以帮助学生更好地理解抽象概念、建立空间思维、掌握操作技能,有效弥补教学资源不足等问题[1]。以问题为基础(problem-based learning,PBL)的教学模式与传统的以讲授为主的教学方法不同,其以问题为切入点引导学生自主探究、掌握学习方法,提升其发现问题、解决问题的能力,目前已成为国内外医学院校常用的教学方式[2]。超声学科住院医师规范化培训(以下简称“规培”)以培养学生掌握扎实的理论基础和熟练的临床诊断技能为主要目标,其中心脏超声诊断因其多腔室、多血管连接的复杂解剖结构及动态图诊断特点,一直是超声学科规培教育的难点和热点。此次研究将虚拟仿真技术和PBL教学模式有机结合,应用于规培生的心脏超声教学中并进行效果评估,以期探索超声学科临床教学新的教学方法和思路。

1 心脏超声检查虚拟仿真学习系统简介

心脏超声检查虚拟仿真学习系统是一个以PC设备环境下的全数字化心脏三维解剖结构模型为基础,将数字化心脏结构与实例心动超声影像相结合,将虚拟仿真技术与诊断相结合,模拟临床实际工作场景的教学系统。系统包括结构模型模块、微课模块和病例实训模块,学生可以通过该系统进行心脏超声诊断的自主学习与训练。其中,结构模型模块通过对心脏器官超声特征的数字建模和软件设计,达到对医学超声成像过程的仿真,包含心房、心室、瓣膜、主动脉、肺动脉等结构的三维立体结构,能够动态模拟展示正常状态下和常见疾病病变状态下的各个瓣膜、心肌与心腔及相邻血管等细微解剖结构,能够任意进行多角度旋转、平移、缩放和切割,生成帧频与真实医学超声图像相当的虚拟超声图像;微课模块收录了心脏超声教学微视频,主要包括心脏解剖及节段分析法、心脏超声检查方法、临床上常见的先天性、后天性心脏病的超声表现和鉴别诊断方法,以及教师在临床工作中收录积累的病例图像;病例实训模块包括在线题库自学和在线测试两部分内容,通过提供重复性的学习和技能训练,为所学技能迁移到真实临床操作中提供支持(如图1所示)。

图1 数字化心脏模型及虚拟仿真切面对应超声心动图示例

2 研究对象及方法

2.1 研究对象

该研究采用试验对照方法,选择中国医科大学附属盛京医院超声科59名规培生,按照入科时间及轮转情况分为试验组(n=31)和对照组(n=28)。其中,试验组采用虚拟仿真技术联合PBL教学法教学,对照组采用传统方式教学。教学内容按照中国医科大学附属盛京医院《超声诊断学教学大纲》,包括20学时的理论课与60学时的实践课。两组学生之前均未在心脏超声组轮转,带教教师为同一批教师。

2.2 研究方法

2.2.1 对照组教学方法

对照组采用传统的“传帮带”模式开展教学。理论课采取教师讲、学生听的线上灌输式教学方法进行授课;实践课学生观摩为主,跟随教师在超声门诊实习。教师在临床检查过程中讲解相关病例的超声表现、鉴别诊断、规范化超声评估流程等知识要点,学生边观察教师手法及超声图像等要点边记好笔记,并在征得患者同意的情况下进行上机实操,同时协助教师做好诊室秩序维护、与患者及家属沟通等人文方面实践。课后,学生根据课件和笔记内容进行复习和知识的巩固。

2.2.2 试验组教学方法

试验组采用以病例为基础、以问题为导向的教学模式。根据教学内容由教师针对临床病例的表现设置问题,再由问题引导到相关类型疾病的知识点[3]。①教学准备。教学组先建立一个由教师和学生组成的微信群作为教学辅助平台,并由教师结合教学内容录制微课上传到虚拟仿真教学系统。②理论课教学。教师于课前一周在微信群中将知识点和相关病例图像以问题的形式发布预习任务,学生围绕问题对病例进行分析和小组讨论,查阅教材和资料文献进行预习。比如发布一组显示右心增大的超声心动图影像,引导学生自主寻找哪些疾病能产生此类影像表现,围绕相关的病因病理、超声表现、诊断与鉴别要点等内容开展预习。课堂上,教师借助心脏虚拟仿真模型,通过正常结构和病变后的变化进行对比讲解,引出相关疾病的定义、病因、解剖分型、病理生理等知识点。③实践课教学。在对照组教学方式的基础上,指导学生利用数字化仿真模型,对典型病例实时进行对比学习,掌握、理解心脏的位置毗邻和外观形态、心脏投影的体表标志、心脏超声透声窗、心脏的内部结构(如各腔室、瓣膜等重要标志性结构),以及相关结构的正常超声图像表现和常见疾病的超声图像表现等知识,加深对鉴别诊断要点的掌握。④课后学习。学生可以通过系统的微课模块随时进行复习,通过病例实训模块中提供的大量真实超声图像和视频资料,对相关疾病进行分析,依据规范化报告的格式描述超声所见,提出诊断结果、阐述诊断依据,训练诊断能力;学生还可以通过微信群与教师和同学们进行学术探讨和互动交流。

2.3 教学效果评价

2.3.1 临床实践能力考核

课程结束后,分别对两组学生进行理论知识、临床思维和操作技能的考核,比较各自对基础知识和基本技能的掌握程度。理论知识部分考核基本原理方法及心脏的重要结构解剖特点、常见基本鉴别诊断要点等超声基础知识,满分100分;临床思维部分考核读片和病例分析等方面能力,满分100分;操作技能部分考核超声扫查规范、标准切面显示等上机操作技能,满分100分。试题均由同一名教师设置,范围和难度一致。

2.3.2 问卷调查

教学结束后采用自编问卷的形式对两组学生分别进行匿名调查,内容包括对教学效果的满意度、学习兴趣和学习效果等方面,由学生根据自身的真实感受逐项评价。

2.4 统计分析方法

3 结果

3.1 两组学生临床实践能力考核成绩

试验组学生的理论成绩、临床思维成绩和操作技能成绩均高于对照组,差异均具有统计学意义。结果如表1所示。

表1 两组学生临床实践能力考核成绩比较

3.2 问卷调查结果评价

向两组学生共发放问卷59份,回收有效问卷59份。结果显示,试验组满意度高于对照组,差异具有统计学意义。结果如表2所示。

表2 试验组学生学习效果问卷调查结果比较

4 讨论

4.1 开展心脏超声诊断临床教学改革的背景

随着超声技术的发展,心脏超声检查以其无创、可重复、结果可靠等优势已成为临床诊断最常用、最有效的方法之一。超声心动图可以对心脏进行多切面、全方位扫查,实时动态显像,在对心脏疾病的诊断、治疗中具有重要临床价值。在以往的教学中发现,对心脏解剖结构知识掌握的熟练程度是影响超声科医师诊断效率和准确率的关键因素之一。传统教学一般都是通过大体标本、图谱及医学影像图片等方式来讲授脏器组织结构及相应的毗邻关系,在临床医院中相关教学资源相对稀缺,学生缺乏系统性认知[4]。在临床实践中,很多病变具有少见性、抽象性、动态性、多变性、复杂性等特点,且心脏超声影像不同于CT等静态影像,其展示的是实时动态图,每一帧细微变化所反映出的器官状态都会对诊断结果产生影响,学生难以短时间内理解掌握,绝大部分缺少经验的规培学生甚至“新手医生”在临床诊断中存在“上手慢”“漏诊多”等现实情况[5]。在头脑中建立起心脏三维结构的感性认知是学生规培阶段超声诊断教学的关键,传统带教实习模式已无法满足心脏超声规培的教学需求,在数字化教学改革的背景下,建立一个全数字化的心脏三维解剖结构模型实现医学超声领域的辅助教学功能是一种有效的教学方法[6],能够为熟练掌握器官结构与病变之间的关系,快速准确找到病灶结构切面进行诊断,以及未来开展经超声引导下的心脏介入手术等高阶实践操作打下坚实基础。

4.2 有助于提升规培学生心脏超声知识的掌握

规培学生的考核主要考查学生对于心脏解剖和超声图像表现以及相关疾病知识的掌握程度。试验组通过课前布置问题做好充足预习准备、课中加强直观化体验、课后加强复习训练与互动三个环节来强化教学效果。教学中将学习内容与问题有机结合,引导学生探讨隐藏于问题背后的相关知识而达到教学目的,加深对心脏疾病的探索与理解,使学生能够掌握扎实的理论知识,更加熟练地掌握心脏解剖、超声图像表现、病理生理学变化机制和鉴别诊断技能。虚拟仿真技术所展示的与超声切面一致的数字化心脏断层结构可让学生熟练掌握心脏空间解剖结构及毗邻关系,其中任何结构都可以独立出来进行学习观察,对学习过程进行分解和可视化,帮助学生完成从感知到记忆再到理解的学习过程,由表及里、循序渐进地完成知识学习[7]。传统教学模式因模型示例有限、动手操作机会少,在理论知识、临床思维、操作能力及学习满意度等方面普遍低于试验组,说明虚拟仿真联合PBL教学方式具有一定优势[8],更适合规培学生的心脏超声诊断学科教学。

4.3 有助于培养学生的临床思维能力

超声诊断学临床思维能力是指医师运用医学知识、操作技巧和临床经验对患者病灶的超声图像异常表现进行综合分析、判断、决策并给出诊断意见的能力,正确的临床思维有助于医师在复杂多变的临床环境中快速准确地作出判断和决策[9]。虚拟仿真联合PBL教学模式能够让学生对心脏结构和工作原理进行直观学习,培养其空间思维方式,刺激其对基础知识的记忆。虚拟仿真模型在整体教学进程中为学生提供了“想象与创造”的广阔空间,通过数字化心脏内部空间结构各种关系的可视化,学生经过反复学习和强化训练,观察、记录、分析、验证各结构之间的静动态关系和相应的超声动态图表现,能够在脑海里建立较为完整和系统的心脏器官三维立体结构和疾病关系的感性认知,对相关疾病检查能够快速反应出图像切面的获取位置及可显示的解剖结构,对所获取的超声图像能迅速判断其异常表现,达到加深学生对基础知识及诊断要点的理解和记忆的良好教学效果,使其思维建立在丰富的感性认识基础上,增强其思维的正确性、敏感性、系统性,培养临床思维能力。通过这种专业的、有意识的、有目的性的长期锻炼,使学生形成严谨的、系统的、稳定的临床思维模式[10]。

4.4 有助于培养学生的问题应对能力

医学知识专业性强、概念抽象,在规培教学中需要结合不同学科的特点来选择合适的方法加深学生理解。与临床治疗上的“解决问题”不同,超声诊断学的首要任务是“发现问题”,教师从病例问题入手,以临床常见病例搭载知识点,指导学生通过查阅资料、分析讨论等方式自主寻找问题的答案以加深理解,引导学生对心脏结构、常见心脏疾病的病理改变与超声图像表现之间的关系产生系统性的关联。教师在这个过程中是学习的促进者,适时给予学生精确的支持、指导和鼓励[11]。学生通过对问题的解读、分析、评估、推理、实践的全链条式学习过程获取答案,锻炼了自主学习能力,逐步达到以点带线、以线成面、以面扩体的效果,提升其在临床实践中发现问题、分析问题、解决问题的能力。

4.5 有助于改善教学体验

运用多样化的教学策略,能够激发学生学习医学的兴趣和主观能动性,进而在提升学习效率的同时提升课堂教学效率。特别是随着经食道心脏超声检查等新技术的应用,在非常规的方向展示心脏切面,学生平时很难接触到这些声窗方位的超声心动图像,虚拟仿真心脏结构模型可以从任意角度展示心脏超声切面特征,便于学生进行更为精细的观察和理解,同时以问题为导向的教学方式锻炼启发学生创新思维,与新技术应用教学的契合度更高,拓展了教学范围,改善了临床教学资源稀缺不足的问题[8]。学生在新技术的加持下,在充满求知欲的氛围里,主动探索心脏疾病的病理解剖和错综复杂的空间毗邻关系,促进对三维空间魅力的体验感,提升学习热情。课后的训练注重学生思维分析方式和规范性操作,支持学生反复练习,以达到技能养成的目的[12]。教师在临床诊断中遇到适合的教学病例,可及时将相关影像资料整理保存后上传到学习系统,不断丰富微课内容,保持教学资源的鲜活性。微信学习群的建立,便于教师将学习资料等素材转发到群里,并定期设定问题组织学生进行讨论,给学生打造一个具有丰富理论学习资源,又能随时交流研讨的互动平台,优化了教学体系,增强教学的灵活性与积极性,提升学生学习的参与性与自觉性。

5 思考与展望

随着现代科学技术的飞速发展,虚拟仿真教学在现代医学教育中的应用更加广泛和多元[13],有助于提升学生的观察能力、想象能力和思维能力,激发学习的主动性和钻研精神,特别是对于超声医学这种实践操作要求高、实验条件不具备或实际操作困难的学科,能辅助提升学生学习效率[14-15],弥补传统教学中对组织器官各种状态下三维结构认知的不足以及训练水平不足等问题。未来,借助数字孪生、人工智能、大数据分析等前沿技术,虚拟仿真教学系统还可以将模拟的细节展现得更加精细化、逼真化,并提供实时智能Chat等功能,对教师和学生反馈的数据进行技术分析,科学评定教学进展情况,帮助教师随时调整教学方向,发挥更加精准的教学指导和辅助作用,实现临床教学质量的提升[16]。