醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用限度研究

李斯萌,楊 雪,黃海林

(吉林大學(xué)高等教育研究所,吉林 長(zhǎng)春 130012)

醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)在于助推專業(yè)理論與實(shí)踐相結(jié)合。尋求應(yīng)用邊界,可以促使教學(xué)價(jià)值的科學(xué)化實(shí)現(xiàn)。確定醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)涉入教學(xué)的平衡點(diǎn),可以從教學(xué)功能、技術(shù)支撐與用戶體驗(yàn)三方面加以界定。

一、教學(xué)功能限度

教學(xué)功能指經(jīng)由教學(xué)行為實(shí)現(xiàn)的具象投射與認(rèn)知范圍。課程結(jié)構(gòu)的合理配置是實(shí)現(xiàn)教學(xué)功能最大發(fā)揮的前提,在此基礎(chǔ)上才能根據(jù)實(shí)驗(yàn)類型及其相應(yīng)適宜度匹配真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)。教學(xué)功能限度的研究是依據(jù)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程結(jié)構(gòu)安排及科目之間的體系構(gòu)成,總結(jié)出了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的項(xiàng)目類型及虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的適宜度,具體見表1。

表1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程結(jié)構(gòu)(部分)、類型及虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用適宜度

通過優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、解析教學(xué)功能,可以將教學(xué)功能限度分為課程結(jié)構(gòu)、再現(xiàn)程度與虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用匹配度三個(gè)層級(jí)。

1.課程結(jié)構(gòu)。課程結(jié)構(gòu)是指通過虛擬實(shí)驗(yàn)可以有效再現(xiàn)哪些教學(xué)內(nèi)容,不僅包含課程體系構(gòu)建,而且關(guān)乎教學(xué)功能實(shí)現(xiàn)?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程已積累大量的具備實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的素材,如:(1)機(jī)能學(xué)。有機(jī)承繼生理學(xué)、病理生理學(xué)和藥理學(xué)的技術(shù)脈絡(luò),通過掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟及常用儀器使用方法,驗(yàn)證習(xí)得理論。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具備逼真模仿與再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的條件,生理學(xué)實(shí)驗(yàn)如“蟾蜍坐骨神經(jīng)—腓腸肌標(biāo)本制備”適合經(jīng)由虛擬實(shí)驗(yàn)的“定向、分解、整合、熟練”過程達(dá)到強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)原理與規(guī)程的目的。(2)形態(tài)學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)力圖實(shí)現(xiàn)圖文并茂、病變典型,推進(jìn)了顯微鏡的倍率和測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn),為顯微鏡虛擬操作與仿真鏡讀片推廣提供了可能性,一定程度上緩解了片庫(kù)資源短缺問題。(3)病原遺傳細(xì)胞生物學(xué)。涉及到使用生化培養(yǎng)箱的項(xiàng)目,可以通過運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn),縮短微生物生長(zhǎng)周期,加速實(shí)驗(yàn)觀察進(jìn)程。(4)人體解剖學(xué)。在講授“心腔與瓣膜的形狀和作用”時(shí),虛擬實(shí)驗(yàn)從多視角展示器官的形態(tài)結(jié)構(gòu),使得學(xué)生可以清晰觀察膜關(guān)閉房室口和動(dòng)脈口從而防止血液倒流的過程。

2.再現(xiàn)程度。真實(shí)實(shí)驗(yàn)從多方面調(diào)動(dòng)感知器官,通過不同程度的神經(jīng)刺激,推動(dòng)認(rèn)知過程延續(xù);桌面虛擬實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)真實(shí)實(shí)驗(yàn)在電子顯示設(shè)備上的視覺可再現(xiàn)性,僅提供視聽感知,一定程度制約了真實(shí)場(chǎng)景的可再現(xiàn)性。而味覺敏感度實(shí)驗(yàn)、嗅覺功能測(cè)查實(shí)驗(yàn)、檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)等又難以用虛擬實(shí)驗(yàn)替代,制約了學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的完整性。按味/嗅覺類、觸覺類、視/聽覺類實(shí)驗(yàn)逐漸從低級(jí)到高級(jí),形成與實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)程度互為基奠的層級(jí)遞進(jìn)關(guān)系。

3.應(yīng)用匹配的適宜度。虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間存在著辯證關(guān)系,這里的適宜度是指虛實(shí)之間的平衡。依據(jù)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程模塊劃分,其應(yīng)用層級(jí)依次為:基本、綜合、創(chuàng)新。現(xiàn)今虛擬實(shí)驗(yàn)多驗(yàn)證、演示型等基本實(shí)驗(yàn),少綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),而創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)不易于開發(fā):一方面受虛擬實(shí)驗(yàn)軟件智能程度制約,另一方面實(shí)驗(yàn)本身的創(chuàng)新性加劇了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

二、技術(shù)支撐限度

技術(shù)支撐限度涉及技術(shù)、資金、人力等成本因素,即投入產(chǎn)出平衡。應(yīng)遵循“從需求出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)為最終目的”的原則。

1.開發(fā)技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)在一定程度上制約了開發(fā)者的想像力,無論是智能程度、復(fù)雜場(chǎng)景,還是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素,技術(shù)支撐均存在一定的實(shí)現(xiàn)范圍。(1)復(fù)雜場(chǎng)景:復(fù)雜情境的實(shí)驗(yàn)環(huán)境伴隨浩大的建模工程量。面對(duì)多項(xiàng)目、少經(jīng)費(fèi)等現(xiàn)實(shí)條件制約時(shí),難以應(yīng)對(duì)開發(fā)速率需求。(2)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境:由于上網(wǎng)人數(shù)劇增及其不平衡性,海量由計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)生成的三維模型數(shù)據(jù)繪制的虛擬場(chǎng)景難以實(shí)時(shí)交互。(3)智能程度:指該系統(tǒng)具備的人工智能程度——低智能度的虛擬實(shí)驗(yàn)往往脫離真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。如麻醉解剖水蛭實(shí)驗(yàn)中,某一指定步驟必須選取鑷子才能繼續(xù),而選取解剖刀、剪刀等工具則無響應(yīng)。真實(shí)場(chǎng)景中,由工具選取錯(cuò)誤導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失誤實(shí)屬常見;而虛擬場(chǎng)景中,操作失誤狀況往往由于受到智能程度制約被忽略。

2.適用技術(shù)。適用技術(shù)的核心應(yīng)用理念在于:選用恰當(dāng)技術(shù),明晰開發(fā)現(xiàn)狀,降低運(yùn)行成本,見表2。它應(yīng)具備如下特點(diǎn):首先,技術(shù)簡(jiǎn)單易學(xué)。其次,跨平臺(tái),可擴(kuò)展。既不依賴于操作系統(tǒng),也不依賴硬件環(huán)境。最后,在最大限度保障系統(tǒng)穩(wěn)定性及網(wǎng)絡(luò)傳輸通暢性同時(shí),易于開發(fā)更新,并為維護(hù)升級(jí)備足空間。

表2 虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)

3.資源配置。(1)人力資源。指依據(jù)具體地區(qū)的人力資源市場(chǎng)、社會(huì)文化環(huán)境、等因素組成以教育技術(shù)專業(yè)人士為主體,建有醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)相關(guān)領(lǐng)域人員參加的實(shí)驗(yàn)研發(fā)隊(duì)伍。具體組建形式與規(guī)模應(yīng)達(dá)成項(xiàng)目需求、技術(shù)組成和人力成本的總體平衡。(2)資金運(yùn)作。旨在投資、市場(chǎng)、企業(yè)承受能力、資金回籠周期上尋求最佳平衡點(diǎn),涉及市場(chǎng)需求、管理成本、營(yíng)銷費(fèi)用、資金回籠周期因素,受到開發(fā)單位的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和資金限制。

三、學(xué)習(xí)者體驗(yàn)限度

學(xué)習(xí)者體驗(yàn)限度,指用戶對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的認(rèn)知印象和回應(yīng)。技術(shù)哲學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為:在理性知識(shí)衍生中的技術(shù),僅僅是科學(xué)原理的延伸和應(yīng)用,人的主體地位卻是缺失的。要使技術(shù)過程以人為的存在發(fā)揮出為人的功能,必須從外部注入并賦予其人文和文化的意義[1]。例如,蘋果公司的戰(zhàn)略本質(zhì)在于用戶體驗(yàn),它的成功源于對(duì)用戶如何最大程度使用計(jì)算機(jī)的透徹理解。

虛擬實(shí)驗(yàn)作為“屬人技術(shù)”,即技術(shù)手段被賦予人文價(jià)值的核心意義,注定其本質(zhì)在于輔助教學(xué)推展。因此,如何把握學(xué)習(xí)者的情感體驗(yàn)限度,通過提供個(gè)性化服務(wù),創(chuàng)設(shè)積極評(píng)價(jià)場(chǎng)景,跟蹤學(xué)習(xí)進(jìn)程,及時(shí)鼓勵(lì)進(jìn)步,感知學(xué)習(xí)中遇到的困難,最終增進(jìn)學(xué)習(xí)者使用的忠誠(chéng)度,是基于理論研究與現(xiàn)實(shí)意義的雙重考量。

以往調(diào)查顯示,學(xué)生使用虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)大致會(huì)遇到三類困難——情感體驗(yàn)缺乏、內(nèi)容認(rèn)知障礙和技術(shù)操作困難[2]。鑒于此,有必要將學(xué)習(xí)者體驗(yàn)作為認(rèn)知與情感的整合系統(tǒng)來考慮,并對(duì)增進(jìn)體驗(yàn)提出對(duì)策。

1.情感體驗(yàn):增進(jìn)師生交互,挖掘情感體驗(yàn)。情感體驗(yàn)指虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)互動(dòng)過程中的瞬間用戶體驗(yàn)。由于不具備面授教學(xué)時(shí)的充足交流,虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)者情感體驗(yàn)缺乏往往成為影響認(rèn)知效果的核心因素。對(duì)此,應(yīng)鼓勵(lì)師生及時(shí)交流,使得教師更好地把握學(xué)生認(rèn)知活動(dòng)的思維過程,從而幫助完善學(xué)習(xí)策略。

2.內(nèi)容認(rèn)知:關(guān)注實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,激發(fā)認(rèn)知熱忱。以往調(diào)查顯示,54.1%的學(xué)生認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)缺乏細(xì)致的場(chǎng)景設(shè)計(jì)使得認(rèn)知過程變得困難[2]。對(duì)此,應(yīng)關(guān)注實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景建設(shè)。細(xì)化場(chǎng)景設(shè)計(jì)可以提升學(xué)生對(duì)媒介環(huán)境的感官沉浸度,助推能動(dòng)效應(yīng)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)交互的起點(diǎn)、動(dòng)力與依托。

3.技術(shù)操作:把握操作提示,引導(dǎo)知識(shí)遷移。恰當(dāng)運(yùn)用操作過程提示,可以在減輕認(rèn)知負(fù)擔(dān)的同時(shí),引導(dǎo)學(xué)生遵循正確步驟領(lǐng)會(huì)教學(xué)內(nèi)容,并完成知識(shí)的同化、順應(yīng)和遷移。如ELISA法檢測(cè)血樣實(shí)驗(yàn)中,可在操作窗口下方增設(shè)步驟提示——將移液器按鍵調(diào)至指定數(shù)額。通過操作提示,正確的實(shí)驗(yàn)步驟得以強(qiáng)化,有利于學(xué)生在真實(shí)場(chǎng)景中對(duì)同規(guī)則的相似情境做出正確反應(yīng)。

四、結(jié) 語(yǔ)

唯物辯證法指出:一切事物均處在永不停息的運(yùn)動(dòng)、變化和發(fā)展過程中。處于發(fā)展變化中的虛擬實(shí)驗(yàn),隨著課程結(jié)構(gòu)設(shè)置及技術(shù)運(yùn)用理念的轉(zhuǎn)型升級(jí),其應(yīng)用邊界亦會(huì)發(fā)生改變,并在一定時(shí)空范圍內(nèi)具有相對(duì)性?；诋?dāng)前醫(yī)學(xué)教育實(shí)踐中的教學(xué)功能、技術(shù)支撐及學(xué)習(xí)者體驗(yàn)三重視角對(duì)當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用限度加以研究,以期為醫(yī)學(xué)教育的多元?jiǎng)?chuàng)生設(shè)計(jì)途徑,促使在所屬領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用價(jià)值的科學(xué)化。

[1]李 莉.現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用限度的哲學(xué)考察[J]當(dāng)代教育論壇,2008(4):60-61.

[2]魏書莉.桌面虛擬實(shí)驗(yàn)中的認(rèn)知摩擦問題研究[D]長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2010.14-15.