元宇宙视域下助产智慧实验室的构建与研究

郭黎,许爽,刘金霞,张馨心,谢征,张明娜（首都医科大学护理学院,北京 100069）

“元宇宙（Meta verse）”一词源于美国科幻作家尼尔·斯蒂芬森在1992年出版的科幻小说《雪崩》，书中描绘了一个与现实世界相互关联的虚拟世界。2021年被称为“元宇宙元年”，元宇宙在很多领域得到推广和应用，包括教育、传媒、图书馆、出版、电影、艺术、保险、航空、煤矿等领域。在教育领域，元宇宙的研究成果较多，不仅提出了教育元宇宙范式[1]，还提出元宇宙可能是未来教育及在线教育的发展趋势[2]，作为元宇宙的教育应用，教育元宇宙具有很大的应用潜力[3]。面对元宇宙带来的教学创新改革机遇[4]，医学教育领域也开始尝试构建医学教育元宇宙，例如韩国首尔大学医学院探究基于元宇宙的肺癌手术培训[5]。医学教育元宇宙具备超时空性、交互性、沉浸性和创造性特征。它突破了物理世界和虚拟世界的边界，提供了新的学习视角，可帮助医学生开展知识、技能和情感学习[6]。传统一对一手术教学实践模式，受导师、病例、伦理、医疗安全等多种因素限制，而虚拟现实技术的应用可以让学生安全地进行操作训练，提高手术技能，降低患者安全风险。智慧实验室以物联网、云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等新兴信息技术为基础，实现智慧化的教学科研活动，可以实现实验室智能、安全、开放和高效运行，是实现教与学变革的基础，是创新人才培养模式，提升人才培养质量和水平的必然选择。

我国助产专业本科教育相比于其他医学专业起步较晚，但是日趋成熟的信息技术为助产专业带来了很大的发展空间。在过去的十年里，我国大力发展助产本科教育，融入了国际助产士联合会的先进思想，强调培养学生的核心胜任力，保障助产教育的先进性和科学性[7]。助产实训是培养高质量助产人才的重要形式，将信息技术融入助产教学，在元宇宙视域下构建智慧助产实验室，在实验实训教学过程中，构建起人与人、人与物、物与物交流互动的智慧化教学空间，促进人员、环境、设备、软件、资源、技术等要素的有机融合，实现实验室全面感知、互联互通和智慧化管理[8]，现将元宇宙助产智慧实验室的特征和实验室设计思路报道如下。

1 元宇宙助产智慧实验室的特征与功能

元宇宙是整合通信技术、云计算、大数据、人工智能、虚拟现实、区块链等技术的新一代互联网应用，通过用户自主创作内容把现实世界的经济、社交、身份系统带入虚拟世界中，塑造出虚实融合、虚实共生的新社会形态。元宇宙具有万物交互、虚实融合、去中心化等特征[9]。元宇宙视域下构建助产智慧实验室可以创造与真实世界平行的虚拟空间，打破时空限制，为助产实训提供高沉浸感的场景，同时尊重现实世界法律、伦理、道德规则，不受外界条件束缚地开展学习、训练、分享等活动，包括开放学习空间、可视化教学、在线多元互动、智能安全管理等功能（见图1）。

图1 元宇宙助产智慧实验室特征与功能

1.1 元宇宙助产智慧实验室构建开放学习空间 元宇宙在参与者身份、互动对象、学习方式、学习空间、交互方式、教学资源等方面具有明显优势，元宇宙助产智慧实验室应用信息技术如虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）、全息投影技术、虚拟数字人等技术，构建元宇宙智慧学习空间，为学习者创造情景化学习体验，如全息技术构建不同的学习环境，学生可以选择自己喜欢的虚拟数字人来讲解理论和示教操作，可以选用VR或MR技术练习助产操作，也可以进行网络社交，多人协作共同完成沉浸式的练习，不受时空限制，在开放学习空间实现沉浸体验、虚拟仿真、虚实结合、沟通交流、虚实共生等多项功能，为学生提供个性化的学习环境。助产智慧实验室融合了模糊集和云计算的理论，模糊集概念最初由美国Zadeh[10]教授提出，模糊集理论及其后的一系列拓展形式，如犹豫模糊集理论已经应用于教育领域[11]，利用云计算的高效和便利，在模糊集合及相关拓展理论下，对学生自主学习进行偏好设置和评价。元宇宙助产智慧实验室更加科学，为学生提供了更具个性化的学习体验。

1.2 元宇宙助产智慧实验室实现可视化教学 元宇宙助产智慧实验室将信息技术与教育教学双向融合，体现“学生主体、学习主动、教师主导、内容主线”的可视化教学，为学习者消除获取信息、处理信息、应用信息的障碍，从而实现高效与高质的学与教[12]。助产智慧实验室应用信息技术将助产技能可视化，学生可以通过虚实结合的信息技术看到操作对象的内部结构，佩戴MR眼镜或者VR操作手柄跟随标准化的操作流程虚拟影像反复练习，如分娩机转的学习和练习，学生通过佩戴MR眼镜将不能透视的分娩模型内部结构可视化，通过MR技术将真实世界的分娩模型与虚拟的图像相重合，视觉感受胎儿在母体内衔接、下降、内旋转、俯屈的过程，配合可视化的分娩机转，触觉感受胎儿仰伸、复位及外旋转及胎肩娩出的过程，通过视觉和触觉的直观感受，虚实结合，将晦涩难懂的分娩机转可视化，易于理解，便于掌握阴道分娩的接生要领，同时教师可以通过第三人称视角看到学生的练习过程，并进行指导和讲解，将整个教学过程可视化，更直观、更高效，不但实现高质量的教学，而且减轻了教师的教学负担，保证了教学的同质化。此外，元宇宙技术还可以模拟各种分娩情况，让学生更好地了解和掌握分娩过程，提高他们的应对能力。

1.3 元宇宙助产智慧实验室推动在线多元互动 利用元宇宙虚实融合的特性，可以进行不同场景的在线教学，利用先进的技术和设备，提高虚拟环境的真实感和沉浸感，学生通过智慧实验室平台开展学习，灵活地切换不同场景，进行自主学习、团队合作以及科研创新训练提高模拟训练的效果。元宇宙助产智慧实验室可以帮助教师根据教学需求对课程进行智能化设计，创设实验情境，制定教学资源，动态更新教学方案和策略，优化教学效果，课后进行动态反馈，共同完成“人机融合”教学。例如在虚拟课堂上教师和学生互动授课，学生也可以选择虚拟数字人线上教学，在助产实训中，学生以不同终端通过AR/VR/MR设备进行沉浸式一体化的虚拟学习空间多元互动等，围绕教学实训、虚拟实验、虚拟见习、思政教育等教学场景，推动多点协作教学、远程互动教学、课后效果评价等多元互动在线教学，这种模式也能扩展至助产士规范化培训等。

1.4 元宇宙助产智慧实验室智能安全管理 目前国内外学者对实验室安全评价体系和评价方法已经展开了一系列研究和探索，有学者[13]从不同方面建立了电子实验室风险评价体系进行风险辨识，并据此制定了安全检查表确定实验室风险等级。元宇宙助产智慧实验室通过云计算、大数据、人工智能等实现管控智能化，对仪器设备和实验室环境各种信息进行采集、存储、分析、处理，对实验室安全风险进行评估和标识，并通过互联网实现学生进入实验室前的安全培训，让学生在云端熟悉实验室的布局，了解实验室的安全等级；实验教学过程中实现全方位“实时感知、动态控制和智慧管理”，如通过信息化设备，记录学生在课堂上的表现，以视频的形式进行反馈，更加直观和有针对性，便于学生理解和接受；实验室管理人员可以通过终端对实验室环境实时监测，及时发现异常，保证实验室安全；实验室管理人员也可以通过局域网或者互联网进行智能管理，即便是离开校园也能动态监控，根据课程需求设置实验场景、准备实验物品、设定模拟人参数等。

2 元宇宙助产智慧实验室主要架构

元宇宙的核心技术包括区块链技术、交互技术、通信技术、云和边缘计算、高性能计算、物联网和机器人技术、网络技术、人工智能等技术[14]。元宇宙助产智慧实验室架构设计以GB/T36342-2018《智慧校园总体框架》[15]为参考，综合基础设备、网络环境、硬件配置、数据平台、软件应用、用户访问等各要素，设计统一规范、开放包容、互联互通、共建共享、智能应用为一体的新医科高校智慧实验室体系架构，包括基础设备层、互联传输层、支撑平台层、应用管理层、用户终端层[16]。本研究结合元宇宙技术和助产智慧实验室建设需求，将互联网、云计算、大数据、5G、人工智能、虚拟现实技术等有机融合于实验室的管理和教学过程，基于互联网构建开放、互动、共享的综合实验信息平台，基于智能控制技术构建可视化、智能化的自动化管理和监控，基于云计算、大数据等技术实现实验教学过程的可视化采集、传输、交互、评价、应用和服务，基于区块链去中心化，实现多人协同、多角色共建的实验场景。元宇宙助产智慧实验室架构包括基础层、平台层、应用层和用户层，主要架构如图2所示。

图2 元宇宙助产智慧实验室架构

2.1 基础层 该层是助产智慧实验室基础部分，由元宇宙环境和实验室基础设施构成，元宇宙环境由区块链、物联网、云计算、大数据、5G、人工智能、虚拟现实等技术共同构成，实验室基础设施以实验设备为载体，由实验环境设备、实验教学设备、实验感应设备组成[17]，三者间通过信息感知技术完成数据采集，实现智慧实验室硬件环境的搭建。元宇宙环境与实验室基础设施之间相互交融，通过互联网或者局域网搭建联系通道，共同构成助产智慧实验室的物质基础。

2.2 平台层 该层由智慧管理平台、智慧教学平台和数据运行平台构成，是助产智慧实验室的核心数据支撑平台。智能管理平台具备智能管控、智能信息处理、智能信息反馈等功能，设定管理权限，执行管理指令，将各软件接口接入，使实验室达到系统化的智能运行管理。智慧教学平台是基于信息技术融合的专业知识、专业技能和多模态教学模式虚拟世界，可以进行线上课程开发与共享，虚拟仿真实验的运行，以及多模态人机交互的智慧教学。数据运行平台获取数据，集成数据和分析数据，进行数据交换至智慧实验平台，深度整合数据资源，统一信息管理，主要包括身份认证、云计算与云存储、数据库、虚拟桌面、直播和录播、大数据挖掘、服务器集群等基础服务，为实验室的数据融合和服务奠定基础[18]。数据运行平台基于大数据的学习分析和挖掘，为助产学习者提供个性化适应性内容。

2.3 应用层 应用层包括智慧管理平台和智慧教学平台。智慧平台基于大数据、云计算等技术，对实验室虚拟映像进行全方位分析，管理仪器设备、控制设备、监控设备以及门禁设备等，可通过互联网或者局域网进行管理。校内实验人员可以通过有线局域网和无线局域网访问应用服务器获取需要的信息，校外人员可通过互联网访问，管理系统可以与门禁管理系统结合，也可以将访问者身份与校园一卡通对接，实现学生考勤签到、教师智能排课、实验分组进行、实验过程跟踪监控及实验信息汇总统计等，实现师生之间、师生与设备之间、环境之间的智能交互。智慧教学平台通过智慧实验室建设支撑智慧教育的目的，开发沉浸式、灵活化的体验课程，开发具象化、情景化的多模态学习资源，优化教学资源库，提升教学质量。

2.4 用户层 用户层体现以元宇宙的去中心化的特点为依托的交互形式，用户以不同身份参与，提供同伴讨论与协作、非角色玩家交流等交互方式。在此基础上，不同身份访问者可以根据自身权限参与元宇宙助产智慧实验室，例如有课程建设权限的访问者可以共同参与沉浸式实验课程建设，多人协同完成教学目标、实验操作流程、评价方式、注意事项等集体备课，利用元宇宙环境中不受现实世界的条件限制的特点，将临床中的典型案例虚拟重现，使助产教学更加贴近于临床；实验室技术人员权限的访问者可以与供应商进行交流，通过云展厅浏览供货种类，查看实验材料是否符合要求，按照流程进行采购；学习者身份的访问者可以选择角色进行沉浸式学习，通过单人操作或者是多人协同完成病例的治疗和护理等。

3 结论

元宇宙改变了现有的学习空间和教学模式，医学教育元宇宙是在新医科背景下，将信息技术、互联网、5G、区块链等技术融入医学教学。有研究[19]显示，我国近10年助产领域研究热点主要包括健康教育、循证护理、心理保健、延续性助产服务模式等。将助产领域研究热点与助产本科教育相结合，将助产士核心胜任力与助产技能培训相结合，在元宇宙视域下构建助产智慧实验室，为师生创造安全、智慧、高效的学习环境，实现了教学资源的有效整合，实验课程的智能安排，教学资源开放共享，以及大数据评价教学效果，也为师生和生生交流创造了无障碍条件，创设了沉浸式实验教学情境，构建了新型智慧教学空间，有利于提高助产教学质量。同时助产智慧实验室的构建综合了设备管理和人员管理等方面，并对实验室安全风险进行评价。实验室应着重加强安全管理，完善管理规则和安全检查系统，定期开展安全培训，提高应急救援能力[20]。但是要注意元宇宙中的伦理道德和职业规范，通过助产智慧实验室的发展，利用大数据对平台数据进行分析和预测，不断促进助产医教技协同教学和产教研学用融合创新。