虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教育中的場景應用研究

沈陽 郝愛民 孫尚宇 李林

摘要：近年來，虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，以下簡稱VR）與教育的融合不斷加深，VR在細分學科教學中的優(yōu)勢日益凸顯?；赩R的腹腔鏡手術模擬器（VirtualRealitybasedLaparoscopicSimulator，以下簡稱VRLS）成為VR技術在醫(yī)學教育中極具優(yōu)勢和增長點的典型應用場景。實踐中，VRLS已被許多醫(yī)院手術技能培訓中心和醫(yī)學院引入，為醫(yī)學生手術學習和技能訓練提供了全新的平臺，但從學術的角度，VR應用于醫(yī)學教學場景中的優(yōu)勢和影響仍未形成統(tǒng)一結(jié)論。該研究系統(tǒng)地檢索并篩選79篇相關文獻，采用元分析方法，重點探究VRLS對于醫(yī)學教育的影響，研究結(jié)果表明：（1）VRLS對于醫(yī)學生腹腔鏡技術水平作用的綜合效應值為0.72，使用VRLS教學能夠有效提升醫(yī)學生的學習績效;（2）對于醫(yī)學生的學習績效，VRLS與箱式模擬器、視頻訓練及傳統(tǒng)訓練方式相比有較大差異，特別是在自我效能感、深度（空間）感知能力、組織處理能力等維度上效果更為顯著;（3）VRLS教學過程中，教師指導反饋對于醫(yī)學生學習績效提升起到正向作用;（4）基于效率和基于時間的訓練方式對醫(yī)學生學習績效提升的效果類似。結(jié)合研究結(jié)果，該文深度闡述了VR智能技術的醫(yī)學教育應用場景、策略分析及展望。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實;智能醫(yī)教;虛擬仿真;人機協(xié)同;元分析

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A

文章編號：1006-9860（2020）08-0107-12

近年來，VR智能醫(yī)教系統(tǒng)已經(jīng)批量應用于醫(yī)學教學中，虛擬人體器官和虛擬人體的研究取得進展，將成為全新的醫(yī)藥研究、轉(zhuǎn)化醫(yī)學和醫(yī)學教育培訓的新平臺，為手術規(guī)劃、手術預演與評價、手術導航以及新藥研發(fā)提供實驗支撐，可能對醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生顛覆性影響"。特別是，應“醫(yī)教協(xié)同”與“雙一流高校建設”的要求，醫(yī)學院校及醫(yī)院培訓等教育教學面臨著深層次、系統(tǒng)性變革，通過加強內(nèi)涵建設，以數(shù)據(jù)驅(qū)動教學模式轉(zhuǎn)換進而提高臨床教學水平、人才培養(yǎng)質(zhì)量，全周期（職前、職中和職后）加強醫(yī)生（醫(yī)學生）的醫(yī)患溝通能力，是保障我國高等醫(yī)學教育持續(xù)發(fā)展和貫徹落實“健康中國”戰(zhàn)略的迫切需求和必然趨勢。

醫(yī)學是與人密切相關的學科，每一個人都是特殊的個體，都是一個特殊的生物心理社會存在;醫(yī)療實踐總是發(fā)生在一種特殊的情景里，情況越是特殊，知識就越是經(jīng)驗性的;知識越是經(jīng)驗性的，就越需要實踐。同時，隨著患者的維權意識不斷增強，醫(yī)生不夠熟練的問診技巧、實操技能和手術方案規(guī)劃預演能力，在當前醫(yī)患關系緊張的醫(yī)療環(huán)境下都可能受到詬病。因此，在臨床醫(yī)生的培養(yǎng)過程中，有效增加實踐環(huán)節(jié)，提升學生動手實操能力，提高“知能”，實現(xiàn)從理論到實踐層面的飛躍，是亟待解決的問題之一。醫(yī)學教育迫切需要大膽改革，為我國醫(yī)療健康事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定人才儲備的堅實基礎。

自2008年起，北京航空航天大學虛擬現(xiàn)實技術與系統(tǒng)國家重點實驗室開始了VR在醫(yī)學教育中的技術與系統(tǒng)研發(fā)，形成了一批我國自主知識產(chǎn)權并具有國際先進水平的智能醫(yī)教系統(tǒng)成果，逐步在我國一些醫(yī)科院校和醫(yī)院的教學及培訓中得到推廣應用，成為推動智能醫(yī)教改革發(fā)展的一股技術力量。本研究借助教育技術領域方法論，利用元分析得出對國際上相關實驗研究在教育場景中的科學分析，進而從更為宏觀層面思考VR在我國醫(yī)學教育的場景應用、策略，從技術變革教育的視角，試圖助力勾勒出我國醫(yī)學教育信息化的改革進路圖。

一、研究背景

VR在醫(yī)學中的實驗驗證文獻主要集中在外文文獻，國內(nèi)學者對VR智能醫(yī)學教育的研究還比較少。本研究依托VR在醫(yī)學教育中最廣泛的應用——VR手術模擬教學，試圖通過元分析，為VR醫(yī)學教育應用場景、醫(yī)教變革之路提供科學的定量依據(jù)。

VR智能醫(yī)教，目前還沒有比較成熟的定義。以VR手術模擬器為例，是指基于內(nèi)蘊特征空間多模態(tài)醫(yī)學影像高效分析處理理論為基礎，應用計算機圖形學等技術，構(gòu)造出多源數(shù)據(jù)驅(qū)動的個性化人體器官形態(tài)和虛擬的醫(yī)學操作環(huán)境，并利用以觸覺交互設備（力反饋器）構(gòu)建帶有力觸覺交互技術，為醫(yī)生提供了一個高效能3D可交互的操作平臺，可以逼真地模擬臨床手術全過程，并在交互過程中提供實時糾錯和效果評價。VR以其構(gòu)想性、沉浸性、交互性的技術特點，創(chuàng)設逼真的人體器官、手術推演教學情境，通過精準的力反饋、多通道感知等技術實現(xiàn)和真實手術幾乎一致的學習體驗。這使得VR模擬教學成為醫(yī)學教育改革的一個必然選擇。

傳統(tǒng)的腹腔鏡手術學習和技能訓練，需要耗費大量的時間和人力資源，這是因為腹腔鏡手術要求醫(yī)生具有足夠的手眼協(xié)調(diào)、空間感知等能力。出于安全性考慮，醫(yī)學生在實際執(zhí)行臨床手術之前需要經(jīng)過多年的培訓，在當前醫(yī)療資源稀缺的情況下，傳統(tǒng)教學方式盡管也不斷升級，但已顯示出嚴重的缺陷”。傳統(tǒng)教學方式和VRLS教學方式的特征對比如表1所示。

VRLS自出現(xiàn)以來，引起醫(yī)學界的廣泛關注。國內(nèi)外學者針對VRLS教學對于醫(yī)學生腹腔鏡技術水平的影響做了大量實驗。如Araujo通過隨機對照實驗證明短期的VRLS教學能有效提高醫(yī)學生在動物模型上執(zhí)行腹腔鏡結(jié)腸切除術的表現(xiàn);Akdemir分別使用LapSim和箱式模擬器訓練醫(yī)學生，實驗結(jié)果顯示二者均能提升被訓練者的腹腔鏡技術;與之相反，Cruz發(fā)現(xiàn)VRLS教學獲得的技能提升并不能轉(zhuǎn)移到真實手術環(huán)境中;Vapenstad的實驗顯示帶有力反饋的VRLS教學可能導致更差的訓練效果以。同時，也有學者系統(tǒng)地比較了腹腔鏡訓練和測評所使用的各種模型?？梢婈P于使用VRLS教學是否有效這一問題仍未有統(tǒng)一定論。本文使用系統(tǒng)分析和元分析方法，對2000-2020年間79篇國內(nèi)外試驗進行綜合分析。

研究的具體子目標為：

1.評估VRLS教學對學生學習績效的影響：自我效能感、空間感知、手眼協(xié)調(diào)等維度;

2.比較VRLS教學法和箱式模擬器、視頻展示等傳統(tǒng)教學方法;

3.分析教師指導反饋在基于VRLS學習中的作用;4.不同學習模式對于學生學習績效的影響差異。

二、研究設計

（一）研究問題界定

本文旨在探究基于VR技術的腹腔鏡模擬器對于醫(yī)學教育的影響。其中包括：相對于無訓練教學，使用VRLS教學后的醫(yī)學生績效提升程度、VRLS教學相比于視頻展示、箱式模擬器訓練和采用動物訓練等傳統(tǒng)教學方法的差異、教師指導反饋在VRLS教學中起的作用、基于效率和基于時間的訓練模式帶來的能力提升程度的比較。

（二）文獻檢索

檢索數(shù)據(jù)庫包括Cochrane、PubMed、Embase、ClinicalTrials、OVID、WebofScience、Elsevier、EEE、萬方、知網(wǎng)。檢索時間限定在2000年1月-2020年1月。限定語言為英文或中文。檢索用關鍵詞為：vr*、virtualreality、vr-based、simulat*、emulat*、educat*、train*、surg*、laparo*、endosco*、celiosco*、peritoneosco*、appendicect*、colect*、gynaecol*、cholecyst*、urolo*，通過“AND”和“OR”拼接使用。為保證檢索結(jié)果的合理性和充分性，檢索過程由兩名研究人員獨立完成，檢索完成后，使用EndNote合并結(jié)果。

（三）文獻納人和排除

通過文獻查新，我們了解到：當前國內(nèi)外VR醫(yī)學模擬教學已經(jīng)廣泛應用于婦產(chǎn)科、骨科、兒科（包括新生兒科）、急診科、內(nèi)科、腦外科等領域，

其共性集中在腹腔鏡手術的模擬訓練。因此，為了得出更為客觀的結(jié)論，在文獻篩選前，本研究制定了詳細的納入排除規(guī)則：第一，研究須與腹腔鏡手術相關，不接受其他內(nèi)鏡微創(chuàng)手術，如胸腔鏡、支氣管鏡等;第二，研究類型僅限于隨機對照實驗，不接受具有前后對照的單組實驗，因為研究進行期間，醫(yī)學生不可避免地接觸到相關課程或?qū)嵺`活動，從而對腹腔鏡技術水平產(chǎn)生影響，導致單組的前后對照實驗出現(xiàn)不可控誤差;第三，測評工具必須經(jīng)過驗證，如經(jīng)過結(jié)構(gòu)效度驗證的VRLS、箱式模擬器或動物模型;第四，研究內(nèi)容至少包含以下內(nèi)容之一：比較VRLS教學和視頻展示、箱式模擬器訓練和動物訓練等傳統(tǒng)教學方法的績效差異，比較VRLS教學和無訓練教學效果的差異，VRLS教學過程中的教師指導反饋作用，不同訓練模式對于VRLS教學效果的影響。第五，包含操作時間數(shù)據(jù)，或經(jīng)過驗證的綜合評分，如COALS（ClobalOperativeAssessmentofLaparoscopicSkills）、OSATS（ObjectiveStructuredAssessmentofTechnicalSkils）等針對醫(yī)學院外科手術技能的學習績效評價標準體系。

使用EndNote自動去重后，兩名研究人員獨立按照文獻篩選規(guī)則進行篩選。篩選結(jié)束后，合并篩選結(jié)果，并討論分歧，以保證篩選結(jié)果的合理性和充分性。

（四）數(shù)據(jù)及相關信息提取與分析

從文獻中提取的信息包括：作者、發(fā)表年份、實驗類型、實驗目的、被試經(jīng)驗水平、被試數(shù)量、VRLS、千預手段、對比手段、研究結(jié)果數(shù)據(jù)。此過程由兩名研究人員獨立完成，合并文獻和數(shù)據(jù)后，協(xié)商分歧。使用ReviewManager5.0進行數(shù)據(jù)分析，包括效應值計算、發(fā)表偏倚分析和異質(zhì)性檢驗。因為不同實驗所采取的測評手段有所區(qū)別，實驗數(shù)據(jù)具有不同的尺度，因此使用標準化均差（SMD，StandardMeanDifference）作為綜合效應值，以消除實驗數(shù)據(jù)尺度不同所帶來的影響。

三、元分析結(jié)果與討論

（一）檢索結(jié)果

系統(tǒng)地檢索過程共得到11129篇文獻，根據(jù)文獻納入和排除規(guī)則，最終篩選出79篇文獻，共包括93個隨機對照實驗。其中有50個實驗比較了VRLS教學和無訓練教學，有41個實驗比較了VRLS教學和視頻展示、箱式模擬器訓練和動物訓練等傳統(tǒng)教學方法，12個實驗研究了VRLS教學過程中的教師指導反饋作用。篩選過程如圖1所示。

（二）VRLS教學與無訓練教學的元分析結(jié)果

50個隨機對照實驗比較了VRLS教學和無訓練教學下醫(yī)學生腹腔鏡技術水平的差異。其中，大部分實驗結(jié)果顯示使用VRLS教學能有效提高醫(yī)學生的腹腔鏡技術水平。在這50個實驗中，8個實驗5-31僅給出了腹腔鏡技術評估時操作時間的平均值，14個實驗3-給出了操作時間的均值和標準差，共315名參與者，可用于元分析。4個實驗使用GOALS進行腹腔鏡技術評估，但是同屬于一篇文獻的兩個隨機對照實驗州，并未給出整體GOALS得分，以及另一實驗未給出GOALS得分的標準差，無法用于元分析。有13個實驗給出了完整的以OSAIS為評估標準的得分信息。

本文比較VRLS教學和無訓練教學時，將完成腹腔鏡技術評估任務所花費的操作時間作為自變量，使用固定效應模型進行數(shù)據(jù)分析，并通過漏斗圖檢驗發(fā)表偏倚，如下頁圖2所示，漏斗圖中數(shù)據(jù)分布均勻，說明用于此分析過程的實驗的發(fā)表偏倚可以接受。分析結(jié)果表明VRLS教學的總體效應值為0.72（95%CI：0.48-0.96），具有顯著統(tǒng)計學意義（P《0.00001），即使用VRLS教學能帶來醫(yī)學生腹腔鏡技術水平的顯著提升，如下頁圖3所示。所納入的研究出現(xiàn)較高的異質(zhì)性（I2=75%》50%，P《0.00001），采取亞組分析方法確定異質(zhì)性來源于Cruz2009和Hyltander2002，排除這兩個實驗后，總體效應值為0.69（95%CI：0.44-0.93），具有顯著統(tǒng)計學意義（P000001），且異質(zhì)性較低（F=25%，P=0.20）。自變量為OSATS得分時，分析結(jié)果如表2所示，效應值為0.75（95%CI：0.30-1.20），具有統(tǒng)計學意義（P=0.001）。

綜上，醫(yī)學生使用VRLS教學對于學習績效（腹腔鏡技術水平）的提升具有顯著正向促進作用。

（三）VRLS教學與傳統(tǒng)教學方法的元分析結(jié)果

在醫(yī)學院臨床外科教學中，傳統(tǒng)的腹腔鏡訓練方法包括視頻展示、基于箱式模擬器的訓練方式、使用動物尸體或麻醉的動物訓練，以及手術室內(nèi)的觀察學習。在篩選得到的隨機對照實驗中，40篇文獻包括41個隨機對照試驗，比較了VRLS教學和傳統(tǒng)教學方法對腹腔鏡技術水平提升的影響。然而，這些文獻所得到的結(jié)論并沒有統(tǒng)一的趨勢。徐協(xié)群等1*）通過實驗得出結(jié)論，VRLS教學和箱式模擬器訓練對腹腔鏡技能水平提升的程度相似，并且箱式模擬器的性價比要高于VRLS;Brinkmann等49指出相比于VRLS，在箱式模擬器上獲得的技能可以更加高效轉(zhuǎn)移到實際手術過程中;不同的是，蔡建良等50證明了初學者的腹腔鏡高級縫合技能培訓方面，VRLS較箱式模擬器效果更佳。Akdemir等發(fā)現(xiàn)，對于初學者而言，VRLS教學相比于傳統(tǒng)的臨床教學具有更大的優(yōu)勢。

在篩選得到的41個隨機對照實驗中，15個實驗151-57給出了操作時間的均值和標準差，共424名參與者。9個實驗158-63僅給出了腹腔鏡技術評估時操作時間的平均值，12個實驗使用GOALS進行腹腔鏡技術評估，同時有10個實驗以OSATS為評估標準，并給出了完整的得分信息。以完成腹腔鏡技術評估任務所花費的操作時間作為自變量，選取固定效應模型進行數(shù)據(jù)分析。通過這15個實驗的數(shù)據(jù)得到的漏斗圖可以看出，發(fā)表偏倚在可接受的范圍之內(nèi)，如圖4所示。元分析結(jié)果顯示，如圖5所示，VRLS教學相比于傳統(tǒng)教學方式的綜合效應值為0.08（95%CI：-0.12-0.29），此效應值沒有統(tǒng)計學意義（P=0.43》0.05），即就操作時間來看，使用VRLS教學所帶來的技能水平提升和傳統(tǒng)教學方式相似。表3中顯示了當自變量為COALS或OSATS時，采用固定效應模型分析得到的結(jié)果，效應值分別為0.61（95%CI：0.10-1.13）、0.41（95%CI：0.02-0.80），均具有統(tǒng)計學意義。

綜上，VRLS教學方式和傳統(tǒng)教學方式（即：箱式訓練和動物訓練）對醫(yī)學生腹腔鏡技能水平提升的效果相似。

（四）教師指導學習模式和純自主學習模式的元分析結(jié)果

反饋可以定義為向操作者提供或返回與操作相關的信息，是醫(yī)學教育的重要組成部分。VRLS相比于傳統(tǒng)教學方式中使用的模擬器具有自動反饋的功能，包括力反饋、運動數(shù)據(jù)反饋、執(zhí)行效果反饋等，但這些反饋以抽象的數(shù)字形式表達，且不能提供合理的操作建議。教師指導能根據(jù)教師經(jīng)驗為醫(yī)學生提供建設性的操作建議。在VRLS教學過程中是否需要教師的指導反饋也成為了影響VRLS教育應用和發(fā)展的重要問題。

在篩選得到的文獻中，有12篇文獻討論了教師指導反饋在VRLS教學過程中起到的作用，其中9個隨機對照試驗用于元分析。Snyder等人得出結(jié)論，使用VRLS教學時，教師的監(jiān)督指導可能沒有必要;Strandbygaard和Reitz等人均支持在使用VRLS教學完整或復雜的操作任務時加入教師指導反饋。利用可用的數(shù)據(jù)進行元分析得出，教師指導在VRLS教學過程中所起作用的效度值為1.03（95%CI：0.60-1.46），具有顯著統(tǒng)計學意義（P《0.00001），如表4所示。

綜上，醫(yī)學生在VRLS教學過程中，教師指導反饋對其學習績效提升具有顯著正向促進作用。

（五）“基于效率”和“基于時間”教學模式的元分析結(jié)果

使用VRLS教學的最優(yōu)模式在當前仍然是一個需要深人研究的課題?；谛实挠柧毮Ｊ揭笥柧氄咄瓿扇蝿盏男蔬_到預設目標時，即可停止訓練;基于時間的訓練模式則規(guī)定訓練時間不得少于預設時間。

當前已有一些學者著手研究適合于VRLS的訓練模式，如Brinkman等人通過隨機對照實驗比較基于效率和基于時間的訓練模式對VRLS教學的影響，結(jié)果表明，基于效率的訓練方式有效地減少了總體訓練時間，提高了習得技能的保留性和轉(zhuǎn)移性;Gauger等人的研究結(jié)果顯示，基于效率的訓練模式能有效加快技能水平提高的速度。

將比較不同VRLS教學模式為研究主題的文獻分為基于效率組和基于時間組，分別計算兩種模式下VRLS教學的效應值，計算結(jié)果如表5所示?；谛实腣RLS教學的效應值為0.97（95%CI：0.48-1.45），基于時間的VRLS教學的效應值為0.96（95%CI：0.59-1.33）。兩組的效應值類似，且均有顯著統(tǒng)計學意義。

綜上，基于效率的VRLS教學模式和基于時間的VRLS教學模式在促進醫(yī)學生腹腔鏡技術水平提升上具有類似的效應。

四、研究結(jié)論

本文系統(tǒng)地檢索了基于VR技術的腹腔鏡模擬器的相關驗證實驗，通過篩選得到79篇文獻，共包括93個隨機對照實驗，采用元分析法對實驗中的數(shù)據(jù)進行分析，主要得到如下研究結(jié)論：

第一，醫(yī)學生使用VRLS教學對于學習績效（腹腔鏡技術水平）的提升具有顯著正向促進作用。醫(yī)學教育可以整合VRLS到腹腔鏡手術課程教學中，或可將多種模擬方式相結(jié)合，更大程度地提高醫(yī)學生技能培養(yǎng)的效率。

第二，VRLS教學方式和傳統(tǒng)教學方式對醫(yī)學生學習績效提升的效果相似，即醫(yī)學生在相同的訓練模式下，使用VRLS教學和通過傳統(tǒng)教學方法訓練，對于手術基本功技能水平的提升程度是相同的。但是，相比傳統(tǒng)教學方法，在GOALS評價框架體系中，VRLS教學對醫(yī)學生自我效能感、空間感知能力和組織處理能力有顯著提升。當前的VRLS尚存在缺陷，包括力反饋和多通道感知的學習情境等逼真度不夠等問題，從而VRLS教學對基本功訓練的學習績效提升效果沒有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學方式。然而，相比于傳統(tǒng)教學方式，VRLS人機交互性強，支持無限制次數(shù)的完整手術操作練習，降低了學生面對復雜度高、不確定性高的手術場景的不安心理，提升了自我效能感、空間感知能力和組織處理能力。

第三，醫(yī)學生在VRLS教學過程中，教師指導反饋對其腹腔鏡技能水平提升具有顯著正向促進作用。VRLS雖然被開發(fā)者設計為可以自動提供數(shù)據(jù)反饋，但智能化程度有待提升，尚不能根據(jù)操作者表現(xiàn)提供最為合理的建議。而具有豐富操作經(jīng)驗的教師，若在學生訓練期間給予正確且有效的指導，醫(yī)學生將更高效率地獲取所需技能。

第四，基于效率的VRLS教學模式和基于時間的VRLS教學模式在促進學習績效方面具有類似的效應。不同教學模式會導致學習績效提升的效應不同，對于VRLS而言，基于效率和基于時間的訓練模式均能對技能水平提升起到顯著的正向促進作用。這也VRLS教學的一個優(yōu)勢。

五、VR醫(yī)學教育的應用場景、策略分析及展望

VR在醫(yī)學教育中的應用，具有較為鮮明的優(yōu)勢：實現(xiàn)了高精度數(shù)字化的人體器官教學可視化、可操作、可復用，節(jié)約了教學的時間成本和費用成本;同時，實現(xiàn)了實時交互反饋、智能評價和智能導航，為學習者提供“腳手架”提高醫(yī)學生的臨床能力;增強個性化學習的可能性;提升了初學者接觸真實手術的自我效能感;可預演和可推演的虛擬手術流程可視化，為醫(yī)患溝通提供了便捷，有效緩解醫(yī)患矛盾，從長遠看可以大量減少醫(yī)療支出。醫(yī)學模擬教學初期投入成本對比傳統(tǒng)醫(yī)學教育模式來說較為高昂，但它是具有成本效益的。

隨著醫(yī)學教學實驗中，動物活體資源受到更多保護、尸體資源有限，突破醫(yī)學實驗或手術技能教育領域的困境，越來越依賴于智能技術?；谠治鼋Y(jié)果：VR支持下的智能醫(yī)學教學環(huán)境中，特別是隨著虛擬人體技術的發(fā)展，VR智能助手對于復雜的、個性化的手術規(guī)劃、模擬、推演等將越來越體現(xiàn)出得天獨厚的優(yōu)勢;對醫(yī)學專業(yè)教學模式、教與學關系、認知與技能生產(chǎn)方式、評價方式等產(chǎn)生變革性的影響。“因材施教”“規(guī)?；薄皞€性化”等醫(yī)學實踐類教學中的難題，也將得到進一步突破?！爸悄?”時代的教育大環(huán)境下，醫(yī)學教育的教學模式、實驗技能教學以及整體的教學環(huán)境等都亟待變革，以適應智能化時代的臨床醫(yī)生人才培養(yǎng)需求。

筆者從構(gòu)建VR智能化醫(yī)學教育生態(tài)的視角出發(fā)，提出一些策略和建議。

（一）強化資源整合，優(yōu)化智能教育體系頂層設計，構(gòu)建VR智能助手應用場景

“健康中國”戰(zhàn)略對VR技術在醫(yī)學教育中的創(chuàng)新應用提出了更高要求，亟待通過VR、人工智能、生物醫(yī)學、現(xiàn)代診療等技術的深度交叉融合，面向個性化、精準化和智能化臨床診療培養(yǎng)后備人才的目標，加速對當前醫(yī)學手術教學培訓模式的深層次、系統(tǒng)性變革。

其中，“智能助手”在人們的生產(chǎn)、生活、學習的各個場景中被廣泛關注，形式及表達也多樣化。本文使用的是2017年《國務院關于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》中“智能教育助理”的提法"。VR智能醫(yī)學教育助理的推廣應用，覆蓋的應用場景甚為廣泛：如專業(yè)醫(yī)務人員知識學習和技術訓練、臨床方案論證、醫(yī)患溝通、醫(yī)學研究轉(zhuǎn)化、新醫(yī)藥研發(fā)驗證和新醫(yī)療器械研究應用驗證，醫(yī)學院學生實驗教學、自主學習，以及普通大眾科學普及和教育等諸多方面。

從教育視角出發(fā)，統(tǒng)籌構(gòu)建VR賦能的教學應用場景，具有深遠的現(xiàn)實意義。通過醫(yī)學模擬訓練智慧實驗室建設，引進針對不同外科手術技能提升的VR智能助手，打造臨場感、強交互、多層次的數(shù)字化綜合性學習環(huán)境;同時，在互聯(lián)網(wǎng)支撐下，建立基于大數(shù)據(jù)的智能化在線VR手術訓練智慧機房，為廣大醫(yī)學院學生提供不斷豐富的基于VR智能助手的個性化學習情境，從而實現(xiàn)可重復、低成本、精準反饋的學習資源和平臺，加快我國醫(yī)學人才培養(yǎng)體系智能化、標準化、規(guī)范化。

一般來說，智能教育體系由互聯(lián)網(wǎng)基礎設施支撐、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實等關鍵核心技術、面向教學場景的智能系統(tǒng)、面向教學管評測全流程的智能應用、體制機制保障體系五個要素組成，形成智能教育體系的總體框架。當然，作為一項系統(tǒng)工程，智能教育體系建設需要相當大的資金投人。如下頁圖6所示，在VR+醫(yī)學混合式學習環(huán)境設計框架中，一方面，盡管實體的醫(yī)學智慧實驗室建設需要基礎設施建設投資，但和動物活體、尸體相比較而言，VR、AI技術支持下的智慧實驗室建設，可復用性強，其資金投入符合可持續(xù)發(fā)展的長期需求。另一方面，基于混合式學習理論，同時從節(jié)省投資成本的角度出發(fā)，可借助國家教育部虛擬仿真實驗教學平臺，營造出混合式智能學習環(huán)境。要注重線上、線下相結(jié)合的實驗教學新模式的探索，將學生的學習場域從“有限場”突破到“無限場”“虛擬場”，有效利用國家級虛擬仿真實驗項目的建設成果，積極打造實驗教學領域的線上線下“混合式金課”。例如：北京大學口腔醫(yī)學院“口腔醫(yī)學牙周操作實驗教學”、重慶醫(yī)科大學“牙拔除術虛擬仿真系統(tǒng)”以及“口腔醫(yī)學技術專業(yè)客觀結(jié)構(gòu)化實踐技能教考系統(tǒng)”、四川大學華西口腔醫(yī)學院“口腔種植術操作實驗教學系統(tǒng)”等，均可滿足高校對實驗教學項目的共享需求，更體現(xiàn)了VR在醫(yī)學教育細分領域中的深層次應用。目前，虛擬仿真實驗教學還在快速發(fā)展，VR在學科教學特別是實驗教學中的運用越來越受到關注。其中，2019年已經(jīng)上線的醫(yī)學類虛擬仿真實驗教學金課項目包含公共衛(wèi)生與預防醫(yī)學類26個，法醫(yī)學類11個，醫(yī)學技術類30個，包括呼吸道傳染病，婦科、內(nèi)科腹腔鏡手術，脊柱外科手術、口腔醫(yī)學等多個細分領域。國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺推出在線智能實驗室服務，鼓勵和支持院校開展線上線下混合式課程建設與應用。值得一提的是，2020年疫情下的高校春季學期，相關虛擬仿真線上系統(tǒng)，有效支撐了醫(yī)學院校實驗教學環(huán)節(jié)的“停課不停學”

（二）聚焦教學改革，構(gòu)建“理論+視頻+VR實操+反饋”人機協(xié)同交互教學模式

隨著教育技術的不斷豐富和組合創(chuàng)新應用，學科邊界的延展及跨學科會聚成為必然趨勢。傳統(tǒng)的知識呈現(xiàn)和傳遞，已經(jīng)不再是主流的知識生產(chǎn)方式。取而代之的是智慧教育的高端形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生態(tài)。這一點，不僅僅拘泥于醫(yī)學教育。如果將自然現(xiàn)象、自然規(guī)律以及利用這些知識和規(guī)律求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類及社會的能力歸納為“抽象的知識”，那么，視頻技術已經(jīng)可以將抽象的知識轉(zhuǎn)化成為直觀生動的形態(tài)，而VR技術將進一步為學習者提供沉浸式、可交互的深刻學習體驗。因此，利用多媒體、虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術對于知識建構(gòu)有明顯作用73。教育技術發(fā)展到現(xiàn)階段，教學視頻已成為一種重要的教學資源74。盡管學者們對不同方式的視頻引導與學生的交互影響進行了實證研究，但囿于傳統(tǒng)醫(yī)學教育模式中“醫(yī)學基礎課一臨床基礎課一臨床實踐課”，學生們限于學校教學資源的水平差異，臨床實踐環(huán)節(jié)往往被簡化，教學水平參差不齊，無法滿足實驗操作中“一對一”指導，更不用說“個性化”教學和“精準教學”了。因而，醫(yī)學生對醫(yī)學整體知識的系統(tǒng)性掌握良莠不齊，無法很好地解決理論學習與臨床實踐脫節(jié)問題。即使在多次教學改革中增加了真實手術的“視頻教程”，對學生的知識建構(gòu)起到了一定的積極作用。但缺乏臨場感，加上醫(yī)學實驗的尸體器官或者動物活體的成本高昂，醫(yī)學生的實操能力、深度感知、組織處理能力、眼手協(xié)調(diào)能力得不到充分的訓練和提升。因此，通過VR技術建立逼真的人體對象、真實觸感、力感控制等沉浸式學習環(huán)境，成為醫(yī)學教育環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)。這樣一來，設計與VR學習環(huán)境相適切的新型教學模式就顯得尤為重要。

VR模擬教學采用多種技術手段模擬臨床場景，為醫(yī)學生提供一個無風險、標準化的學習環(huán)境，教學模式的變化也從傳統(tǒng)理論和實踐環(huán)節(jié)相對獨立的“教一學一實驗”轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚?模擬實操+反饋”人機協(xié)同教學模式。通過剛體建模、柔體建模、碰撞檢測等技術，實現(xiàn)不同人體器官的VR多場景設計，遵循醫(yī)學生的學習進階規(guī)律，設計包括手術準備工作、基礎技能模塊、高級手術模塊難度逐級遞增的學習模塊;教師（醫(yī)生）可根據(jù)教學內(nèi)容，設置學習導引，引導手術規(guī)劃和流程;良好的力反饋及基于視覺、聽覺的多通道學習體驗設計技術，為學生提供豐富的學習體驗，進而促進知識遷移;針對實操訓練的智能化學習評價、糾錯與反饋，引導學生進行反思和自主學習能力提升，大量節(jié)省了教師（醫(yī)生）的教學時間，教師得以分配更多精力集中在手術實操經(jīng)驗、復雜、高難度手術和突發(fā)情況應對策略的教學上。

結(jié)合本研究對國外醫(yī)學模擬教學實驗論文的元分析結(jié)論，在智能化教學環(huán)境中，強化教師（醫(yī)生）的指導和反饋，需結(jié)合專家經(jīng)驗對分析結(jié)果進行置信度評估，置信度不高時給予人工反饋，對VR智能助手進行強化學習，實現(xiàn)教學過程的不斷完善。因此，本研究提出面向未來混合增強智能的“理論+視頻+VR模擬實操+反饋”的新型教學模式，并針對不同的教學內(nèi)容，有針對性地選擇不同仿真程度的模擬平臺，轉(zhuǎn)移學習控制權，提高自主學習能力等教學改革實踐，希望讓教學資源、教學過程、教學評價等更高效、便利、智能地為發(fā)展每一位學生的能力與思維服務叨，如下頁圖7所示。

教學層：根據(jù)上文元分析結(jié)論（3），VRLS智能化教學模式不可取代教師的作用，這和維果茨基提出的“最近發(fā)展區(qū)”理論契合，正因為它十分強調(diào)教師在指導學生學習過程中的積極作用，以及教師在幫助學生成為更成熟的思考者過程中的潛在作用，所以在智能醫(yī)教的改革進路中，需要有豐富教學和臨床經(jīng)驗的教師（醫(yī)生）提供必要的學習指導和支撐。

學習層：VRLS教學模式變革，使得學習者的學習活動及其設計范式也產(chǎn)生相應的變化。首先，自主學習為特征的“VR手術翻轉(zhuǎn)課堂”模式將普遍存在。VRLS學習環(huán)境中，醫(yī)生或教師可以將真實手術視頻作為視頻教材導人到VR智能教育助手中，可以實現(xiàn)學生課前完成自主學習;其次，隨著VRLS教學設計與開發(fā)逐漸成熟，如同設計一場VR游戲一般，讓學員結(jié)伴練習，通過分工式角色扮演，實現(xiàn)分組手術技能競技，加速協(xié)同知識建構(gòu);第三，VR智能教育助手在醫(yī)學生手術練習的過程中給予及時、準確的評價與建議，通過記錄上機時長、次數(shù)和訓練中的正確率等，為學習者進行精準畫像。一方面，智能教育助手實現(xiàn)進階學習內(nèi)容的精準推送;另一方面，可協(xié)助醫(yī)生/教師對學生進行有針對性的經(jīng)驗分享和任務反饋。該模式下，提供師一生、生一生、人一機等多方位互動的群體思維空間，支持自主學習、小組協(xié)作、分組競技、展演匯報等多元的學習活動設計。學習者憑借自適應混合式學習，可以最大效率提升技術水平、學習動機和自我效能等。

管理層：盡管VRLS教學過程中，醫(yī)學生的學習和訓練時長、出錯情況、訓練實效性等參數(shù)都將被記錄下來，并借助智能化軟件對學生的學習行為進行個性化評測，但從宏觀層面，教學管理者在VRLS教學大數(shù)據(jù)的分析基礎上，應建立更為科學的系統(tǒng)化的模擬教學考核方式、評價制度等。

（三）拓展產(chǎn)學研一體化，打造“醫(yī)教+開發(fā)者+研究者”聯(lián)動的“新型教學共同體”

智能教育時代，在同一個目標框架之下，匯聚不同角色，承擔不同的任務、發(fā)揮不同的功能，，拓展產(chǎn)學研一體化之路成為必然趨勢。由于人體自身的復雜性和VR、人工智能、人機交互技術及裝備的局限性，當前針對個性化人體的虛擬手術、智能診療等方面，尚存在許多有待突破的科學技術問題，迫切需要高水平的跨學科團隊從生理角度、數(shù)據(jù)智能角度以及教育技術角度，交叉融合。如下頁表6所示，傳統(tǒng)教育技術領域的研究學者應主動進行“跨學科”研究，深人到具體學科教育中去，通過學科交叉，分析醫(yī)學院學生的學習者特征和學習風格，在其持續(xù)注意、情感、認知負荷和學習表現(xiàn)中的深度感知、手眼協(xié)調(diào)等不同維度，追蹤VR交互式模擬教學的影響，不斷挖掘醫(yī)學教育場景中對技術的精細化需求，加強教育和技術之間的聯(lián)結(jié)，成為醫(yī)學教育變革的“催化劑”。

當前，醫(yī)學院校的VRLS在婦科、骨科、腦外科等都有了較為廣泛的應用，也為醫(yī)學生和實習醫(yī)生的教學提供了便利，但距離基于多模態(tài)交互的高度智能化的沉浸式教學環(huán)境還有相當大的差距。未來，還需要VR開發(fā)者與醫(yī)學教育工作者進一步高效協(xié)同、深度溝通，“需求與響應”協(xié)同聯(lián)動，形成新型的教學共同體，才可能共同開發(fā)和搭建更符合智能化時代醫(yī)學人才需求的教學環(huán)境。如：VRLS提供虛擬人體的個性化建模，促進學生高階探究式學習;開發(fā)智能教學助手，提供數(shù)據(jù)驅(qū)動的綜合性過程評價;在對用戶進行深人挖掘和細分的基礎上，充分考慮臨床手術醫(yī)生（醫(yī)學院學生）的使用習慣，科學進行UI（UserInterface）設計，降低學習者的認知負荷，使得VR模擬訓練能更好地融入教學、自主學習與探究、管理的實踐中;形成數(shù)據(jù)可視化的智能平臺，支撐學習空間的自主規(guī)劃等?？傊?，醫(yī)工教緊密聯(lián)合的新型教學共同體，是實現(xiàn)“大健康領域”先進醫(yī)學教育、醫(yī)學教育信息化的人本基礎。

（四）本研究的不足及展望

在篩選得到的隨機對照實驗中，不同實驗具有不同的訓練任務、技能評估手段和輸出數(shù)據(jù)類型，雖在數(shù)據(jù)分析中使用SMD消除數(shù)據(jù)之間尺度不同的影響，但訓練任務和技能評估手段的差異仍會帶來研究之間的異質(zhì)性。并且由于缺少統(tǒng)一的評分系統(tǒng)，研究之間的可比較性不足，主要可用于比較的數(shù)據(jù)為技能評估時完成任務所需要的時間，而操作時間代表真實操作水平的能力有限。GOALS和OSATS評估標準雖在一些實驗中有所應用，但給出完整數(shù)據(jù)的實驗數(shù)量較少，在一定程度上，影響了元分析結(jié)果的可信度。并且大多數(shù)實驗在技能評估階段所使用的模擬器為箱式模擬器、麻醉活體動物或動物尸體，這說明VRLS在腹腔鏡手術的培訓中仍未得到大眾認可。同時，本文著眼于VRLS教學模式對于醫(yī)學生腹腔鏡技能水平提升的作用，及與傳統(tǒng)教學方式的比較，并未對VRLS的成本問題進行分析，然而這也是衡量VRLS性價比的重要因素。

VRLS是多學科領域交叉、滲透、融合的產(chǎn)物8相比于傳統(tǒng)的教學方式，VRLS具有無可比擬的優(yōu)勢，但仍需要進一步發(fā)展，包括軟硬件的開發(fā)創(chuàng)新、課程體系的設計驗證等。在智能醫(yī)教改革發(fā)展的進程中，政策制定者、教育工作者、技術開發(fā)者和教育研究者等，需要高度交叉融合，同頻共振，并有較長的路要走。呼吁生物醫(yī)學、信息科學及教育技術領域的學者專家，在國家自然科學基金、重點研發(fā)計劃以及教育信息化規(guī)劃等課題中，加強基礎研究、技術攻關、應用研發(fā)和理論創(chuàng)新，在突破多模態(tài)醫(yī)學數(shù)據(jù)中核心特征“辨不清”、個性化器官模型“建不準”、復雜手術操作“仿不真”的技術瓶頸同時，同步利用教育學原理、對比研究、準實驗研究等方法，關注多通道認知負荷、心流體驗、沉浸情境等要素，系統(tǒng)深人地研究并建立VR智能醫(yī)學教育方法論、課程設計論，探尋VR人機交互學習環(huán)境下的認知新規(guī)律，探討VR心理學、VR倫理學的新理論、新觀點和新思潮等。在可見的未來，VR技術與細分學科教學的深度融合，將為醫(yī)學教育開辟出新的局面。

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作者簡介：

沈陽：助理研究員，博士，研究方向為智能教育、智慧學習環(huán)境等（shenyang@bnu.edu.cn）。

郝愛民：教授，博士，研究方向為虛擬現(xiàn)實技術（ham@buaa.edu.cn）。

孫尚宇：在讀碩士，研究方向為虛擬現(xiàn)實技術醫(yī)學應用（sunshangyu112358@gmail.com）。

李林：副主任醫(yī)師，研究方向為醫(yī)學技能模擬培訓（jnll6796@163.com）。

收稿日期：2020年4月8日

責任編輯：李雅煊