基于虛擬現(xiàn)實(shí)的醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量保障研究

王岳 陳晨 王錦秀 沙琨

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.031

摘 要 隨著VR技術(shù)的快速發(fā)展以及VR使教學(xué)有效性不斷提升，VR被更廣泛地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)高等教育領(lǐng)域以提高醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量。如何在醫(yī)學(xué)教學(xué)中有效地應(yīng)用VR，評(píng)估教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)VR與課程的融合，成為醫(yī)學(xué)教育者關(guān)注的重點(diǎn)。醫(yī)學(xué)教育專(zhuān)家應(yīng)參與VR醫(yī)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、評(píng)估全過(guò)程，以期有效開(kāi)展VR教學(xué)，保障基于VR教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)；醫(yī)學(xué)高等教育；教學(xué)質(zhì)量保障

中圖分類(lèi)號(hào)：E251.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）04-0031-04

Research on Quality Assurance of Medical Teaching Based

on Virtual Reality//WANG Yue， CHEN Chen， WANG Jinxiu，

SHA Kun

Abstract With the development of VR technology and the

growing effectiveness of teaching based on VR， VR is more

and more widely used in higher medical education to improve

the quality of medical teaching. How to effectively apply VR in medical teaching， evaluate the teaching effect and realize the integration of VR and curriculum gain the attention of me-

dical educators. Medical education experts should participate fully in VR teaching design， application and evaluation to obtain a better effect of VR teaching.

Key words virtual reality; higher medical education; tea-ching quality assurance

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）的多感知性、強(qiáng)交互性和沉浸感為醫(yī)學(xué)教學(xué)創(chuàng)新變革提供了有力支撐，技術(shù)的進(jìn)步提高了VR醫(yī)學(xué)教學(xué)的可及性和可負(fù)擔(dān)性。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)教育工作者正在積極探索將VR引入醫(yī)學(xué)教育課程，如西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)利用VR開(kāi)展人體解剖教學(xué)[1]，美國(guó)克利夫蘭大學(xué)利用VR幫助醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)神經(jīng)外科手術(shù)技能[2]，辛辛那提大學(xué)醫(yī)學(xué)生利用VR學(xué)習(xí)嬰兒呼吸窘迫臨床評(píng)估[3]。

現(xiàn)有研究證實(shí)了VR作為學(xué)習(xí)工具的有效性，學(xué)習(xí)者利用VR可以獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)結(jié)果[4]；探究了學(xué)習(xí)者基于VR的學(xué)習(xí)過(guò)程，VR提供的刺激會(huì)激發(fā)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知和情感變化，進(jìn)而引起學(xué)習(xí)結(jié)果的變化[5]。但是，隨著VR在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用不斷深入，確保基于VR的醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量成為高等醫(yī)學(xué)教育者面臨的首要問(wèn)題。教師、教學(xué)設(shè)計(jì)師、學(xué)習(xí)者、內(nèi)容專(zhuān)家、技術(shù)人員等VR教學(xué)過(guò)程參與者需要基于正確的教學(xué)理論，從資源設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施、學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)維度出發(fā)，確保VR教學(xué)的有效性。

1 教學(xué)理論基礎(chǔ)

相較于其他媒體，VR的本質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景有效替代真實(shí)的感官刺激，學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生身處某一虛擬地方，相信虛擬環(huán)境中發(fā)生的事情，認(rèn)為與他人共處一處并與之接觸的心理感受。具身認(rèn)知理論、體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論、情境學(xué)習(xí)理論、游戲化學(xué)習(xí)理論等為VR教育應(yīng)用提供了理論依據(jù)，為VR醫(yī)學(xué)教學(xué)應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的空間。沉浸式、交互式的虛擬情境可以為學(xué)習(xí)者提供視、聽(tīng)、觸、嗅等刺激，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)，有效觸發(fā)身體、認(rèn)知和環(huán)境的有效互動(dòng)。在VR環(huán)境中，學(xué)習(xí)者可以獲得真實(shí)的社會(huì)情境和文化情境體驗(yàn)，應(yīng)用新知識(shí)與技能，進(jìn)行“順應(yīng)、同化和遷移”等認(rèn)知過(guò)程，完成知識(shí)建構(gòu)。

2 資源設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

2.1 內(nèi)容設(shè)計(jì)

VR教學(xué)資源直接影響教學(xué)效果，設(shè)計(jì)者要確保內(nèi)容的有用性、適用性和有效性。資源的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)需要不同領(lǐng)域?qū)＜夜餐瑓⑴c[6]，跨學(xué)科專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)包括臨床專(zhuān)家、教學(xué)設(shè)計(jì)師、教師、學(xué)習(xí)者、VR技術(shù)人員等應(yīng)參與資源的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證、評(píng)估、優(yōu)化、實(shí)踐等過(guò)程，保障資源質(zhì)量。資源的創(chuàng)建包括內(nèi)容的視覺(jué)可視化、功能可視化和操作可視化，專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)要確保資源與現(xiàn)實(shí)保持視覺(jué)一致、功能一致、情境一致，為醫(yī)學(xué)生提供沉浸式體驗(yàn)。

VR資源建設(shè)需要臨床專(zhuān)家的支持，保障資源內(nèi)容的真實(shí)性和科學(xué)性。臨床專(zhuān)家為VR技術(shù)人員進(jìn)行器官、醫(yī)療設(shè)備等建模提供專(zhuān)業(yè)的內(nèi)容指導(dǎo)，確保呈現(xiàn)的組織、器官、設(shè)備等與現(xiàn)實(shí)保持一致；提供臨床數(shù)據(jù)，為技術(shù)人員模擬標(biāo)準(zhǔn)化病人、再現(xiàn)臨床反應(yīng)、可視化病因病理、創(chuàng)建臨床場(chǎng)景等提供指導(dǎo)；對(duì)資源質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，針對(duì)資源存在的問(wèn)題提出建議，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化與迭代。

為確保資源有助于醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)，教學(xué)設(shè)計(jì)師應(yīng)基于教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、醫(yī)學(xué)生特征選擇或設(shè)計(jì)資源。教學(xué)設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)基于不同的教學(xué)需求確定資源的保真度，如解剖教學(xué)資源仿真度越高越有利于知識(shí)理解，手術(shù)操作資源逼真度越高越有利于技能掌握，情境模擬資源越真實(shí)越有利于情感獲得；選擇合適的資源交互、反饋元素，幫助醫(yī)學(xué)生進(jìn)行操作與反思，如器官的選擇、放大、縮小，手術(shù)操作的角度、深度、力度，問(wèn)診時(shí)與虛擬病人的交流、儀器檢測(cè)操作等；內(nèi)置評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行客觀的自動(dòng)化分析，提供形成性和總結(jié)性評(píng)價(jià)；內(nèi)嵌導(dǎo)航功能，為醫(yī)學(xué)生提供學(xué)習(xí)指導(dǎo)，降低外在認(rèn)知負(fù)荷；設(shè)置暫停或退出機(jī)制，允許醫(yī)學(xué)生個(gè)性化控制資源體驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)。

資源的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以用戶(hù)為中心，避免以技術(shù)為導(dǎo)向造成資源無(wú)效。VR醫(yī)學(xué)教學(xué)應(yīng)用的最終對(duì)象是教師和醫(yī)學(xué)生，資源的設(shè)計(jì)需要充分考慮用戶(hù)體驗(yàn)和教學(xué)效果。除了積極參與資源的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)過(guò)程外，授課教師和醫(yī)學(xué)生應(yīng)在正式推廣前試用資源，提供意見(jiàn)和反饋，確保教學(xué)資源與教學(xué)目標(biāo)的一致性和資源的有效性。

技術(shù)人員基于知識(shí)內(nèi)容、臨床數(shù)據(jù)、教學(xué)需求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行3D建模、角色動(dòng)畫(huà)和編程等，構(gòu)建沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，并基于評(píng)估意見(jiàn)和反饋對(duì)資源進(jìn)行修改，最終構(gòu)建允許醫(yī)學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的情感反應(yīng)和行為的沉浸式的、動(dòng)態(tài)的、自適應(yīng)的交互式資源，幫助醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)、練習(xí)技能、培養(yǎng)情感態(tài)度，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

為確保醫(yī)學(xué)生獲得有效的視、聽(tīng)、觸等刺激，VR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)必須基于一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[7]。VR系統(tǒng)本身應(yīng)當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)模型、接口等創(chuàng)建虛擬環(huán)境，以便在異構(gòu)計(jì)算環(huán)境中創(chuàng)建、管理虛擬對(duì)象；采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)壓縮、渲染格式，實(shí)現(xiàn)跨異構(gòu)計(jì)算環(huán)境傳輸數(shù)據(jù)信息；提供標(biāo)準(zhǔn)化的用戶(hù)友好界面，兼容多種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和功能的應(yīng)用程序，允許醫(yī)學(xué)生控制、操作虛擬對(duì)象；通過(guò)傳感器在虛擬環(huán)境中可視化和交互式地模擬真實(shí)的信息，實(shí)現(xiàn)教師、醫(yī)學(xué)生與虛擬場(chǎng)景的信息交互。

VR系統(tǒng)傳遞教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)遵循人機(jī)交互原則，利用高分辨率、低延時(shí)的畫(huà)面和聲音，追蹤器，觸覺(jué)輸入和反饋設(shè)備，創(chuàng)建逼真的、交互式的虛擬環(huán)境，為醫(yī)學(xué)生提供真實(shí)的體驗(yàn)，允許醫(yī)學(xué)生以自然的方式最大限度地實(shí)現(xiàn)感知。教師應(yīng)當(dāng)提高VR系統(tǒng)的易用性，降低對(duì)醫(yī)學(xué)生注意力的分散；保障系統(tǒng)的安全性，避免對(duì)醫(yī)學(xué)生造成傷害。同時(shí)，由于VR伴有暈屏、定向障礙、記憶混淆、成癮性等潛在副作用，教師應(yīng)試用VR設(shè)備保障系統(tǒng)的安全性，有效降低VR系統(tǒng)本身對(duì)學(xué)習(xí)者造成的負(fù)面影響。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

作為以醫(yī)學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)工具，VR提供了新的醫(yī)學(xué)教學(xué)方式，將給醫(yī)學(xué)教學(xué)模式創(chuàng)新帶來(lái)重大變革[8]。然而，VR醫(yī)學(xué)教學(xué)應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，教育工作者需要進(jìn)一步探索如何將VR納入課程，實(shí)現(xiàn)VR與課堂的有機(jī)融合，從而有效促進(jìn)醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)，提高教學(xué)質(zhì)量。

3.1 教學(xué)應(yīng)用情境

VR創(chuàng)建不同的醫(yī)療場(chǎng)景，允許醫(yī)學(xué)生安全地體驗(yàn)放射診療室、傳染性疾病、戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)等；允許醫(yī)學(xué)生扮演醫(yī)生、護(hù)士等不同角色，了解醫(yī)院工作人員及其職責(zé)，從而提高協(xié)作和溝通技能；呈現(xiàn)病人、家屬視角的情境，幫助醫(yī)學(xué)生感受病人、家屬的反應(yīng)和態(tài)度，增加同理心，從而建立良好的信任關(guān)系、降低醫(yī)患沖突，更好地治療、護(hù)理、服務(wù)病人。

VR可以三維呈現(xiàn)解剖學(xué)知識(shí)，包括內(nèi)臟器官結(jié)構(gòu)分布、病因病理，幫助醫(yī)學(xué)生內(nèi)化知識(shí)[9]。醫(yī)學(xué)生利用VR提供的臨床技能實(shí)踐環(huán)境，通過(guò)觸覺(jué)反饋系統(tǒng)真實(shí)感受切割組織與器官時(shí)的壓力、觸感等，系統(tǒng)地提升運(yùn)動(dòng)認(rèn)知；反復(fù)練習(xí)，體驗(yàn)操作失誤的后果，提升操作和決策技能。VR還可以提供真實(shí)、復(fù)雜的臨床病例，幫助醫(yī)學(xué)生進(jìn)行臨床診斷決策，溝通和制訂治療方案。

VR還可被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生評(píng)價(jià)，內(nèi)嵌評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的VR系統(tǒng)可以通過(guò)分析醫(yī)學(xué)生在虛擬情境中的行為及臨床結(jié)果進(jìn)行即時(shí)、客觀的評(píng)估；教師通過(guò)觀察醫(yī)學(xué)生與VR系統(tǒng)的交互，判斷醫(yī)學(xué)生的掌握程

度[10]；醫(yī)學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)記錄回顧自我表現(xiàn)，開(kāi)展自我評(píng)價(jià)。

3.2 教學(xué)模式

VR可以作為課堂教學(xué)的補(bǔ)充，輔助醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)。在這種情境中，VR作為一種學(xué)習(xí)技術(shù)，以多感官刺激、強(qiáng)交互的方式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。教師利用基于VR的教學(xué)活動(dòng)增強(qiáng)醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)機(jī)，增加醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)參與度，促進(jìn)醫(yī)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

VR可以成為課堂學(xué)習(xí)與臨床應(yīng)用的橋梁，彌補(bǔ)理論與臨床技能之間的差距。雖然VR還無(wú)法呈現(xiàn)真實(shí)或標(biāo)準(zhǔn)化病人反應(yīng)，反映技能操作熟練度和精準(zhǔn)度，但是VR提供了新的技能習(xí)得方法，允許醫(yī)學(xué)生進(jìn)行安全、可重復(fù)、標(biāo)準(zhǔn)化的練習(xí)[11]，提高實(shí)踐技能，從而更好地實(shí)現(xiàn)課堂學(xué)習(xí)到臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。

VR可以替代課堂教學(xué)，允許醫(yī)學(xué)生開(kāi)展個(gè)性化的主動(dòng)、協(xié)作、探究學(xué)習(xí)，這為在線學(xué)習(xí)和混合式學(xué)習(xí)提供了可能。這種情境下，教師可以基于教學(xué)目標(biāo)和個(gè)性化學(xué)習(xí)需求創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，利用系統(tǒng)記錄的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)提供相適應(yīng)的學(xué)習(xí)資源，幫助醫(yī)學(xué)生進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)。醫(yī)學(xué)生自定學(xué)習(xí)步調(diào)，選擇合適的時(shí)間和地點(diǎn)訪問(wèn)或回顧學(xué)習(xí)資源；獲得客觀的即時(shí)反饋，進(jìn)行學(xué)習(xí)反思，主動(dòng)采取措施提高技能。多用戶(hù)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境支持不同專(zhuān)業(yè)醫(yī)學(xué)生協(xié)同完成學(xué)習(xí)任務(wù)，醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)束后還可以與同伴或教師進(jìn)行分享討論，獲得協(xié)作式學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

4 質(zhì)量評(píng)估

評(píng)估者需要利用定性和定量的方法，在不同教育情境中對(duì)VR系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)、完整的科學(xué)評(píng)價(jià)，確保VR系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)有效性。評(píng)估者可以從表面效度、內(nèi)容效度、教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)體驗(yàn)、學(xué)習(xí)效果、成本效益維度驗(yàn)證系統(tǒng)質(zhì)量。

表面效度層面，技術(shù)專(zhuān)家可依照VR教育系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)查驗(yàn)系統(tǒng)是否遵循技術(shù)指標(biāo)，用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)沉浸感（包括畫(huà)面的仿真度、交互等）提供主觀的反饋，對(duì)系統(tǒng)的可用性（包括有用性、易用性）進(jìn)行主觀判斷。

內(nèi)容效度層面，臨床專(zhuān)家、教學(xué)設(shè)計(jì)師、教師等基于知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等對(duì)內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括內(nèi)容呈現(xiàn)科學(xué)性、合理性以及內(nèi)容的難易度。當(dāng)VR系統(tǒng)作為評(píng)價(jià)工具時(shí)，專(zhuān)家需要對(duì)比VR與其他評(píng)估工具的評(píng)估結(jié)果是否一致。

教學(xué)設(shè)計(jì)層面，教學(xué)設(shè)計(jì)者應(yīng)確保VR是最佳的教學(xué)媒體，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)活動(dòng)、教學(xué)評(píng)價(jià)的一致性。

學(xué)習(xí)體驗(yàn)層面，教師可以利用相關(guān)量表測(cè)量醫(yī)學(xué)生使用VR系統(tǒng)的認(rèn)知效益、反思性思維、存在感、動(dòng)機(jī)、愉悅感、控制與主動(dòng)學(xué)習(xí)的變化以及使用VR產(chǎn)生的副作用。

學(xué)習(xí)效果層面，教師通過(guò)測(cè)試醫(yī)學(xué)生知識(shí)、技能、態(tài)度的保留和遷移以及學(xué)習(xí)曲線的加速程度，檢測(cè)學(xué)習(xí)的有效性。

成本效益層面，相關(guān)專(zhuān)家需要對(duì)VR的成本進(jìn)行評(píng)估，幫助機(jī)構(gòu)以最低的成本實(shí)現(xiàn)最佳的教育效益。

其中，利用VR開(kāi)展醫(yī)學(xué)高等教育的目的是增強(qiáng)教學(xué)效果，學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果是檢驗(yàn)資源是否達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果的核心因素。教師可以利用準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究法對(duì)比使用和不使用VR學(xué)習(xí)、使用VR和其他媒體學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)與學(xué)習(xí)效果，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性。學(xué)習(xí)體驗(yàn)一般采用主觀量表進(jìn)行測(cè)量，學(xué)習(xí)效果可以采用客觀和主觀的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。教師可以利用標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試評(píng)估醫(yī)學(xué)生對(duì)解剖知識(shí)、病因病理等的記憶與理解；利用系統(tǒng)記錄醫(yī)學(xué)生關(guān)鍵行為，對(duì)手術(shù)操作的精準(zhǔn)度和操作時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)，或在真實(shí)臨床情境中評(píng)估手術(shù)技能以及團(tuán)隊(duì)合作、溝通、態(tài)勢(shì)感知和決策技能等非技術(shù)技能，測(cè)量技能在真實(shí)情境中的遷移與保留度；可以通過(guò)醫(yī)學(xué)生的主觀反饋評(píng)估同理心等情感習(xí)得以及使用態(tài)度、意向與滿(mǎn)意度。

5 結(jié)束語(yǔ)

VR醫(yī)學(xué)教學(xué)應(yīng)用雖然處于起步階段，但已成為高校醫(yī)學(xué)教育發(fā)展必然趨勢(shì)。制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、創(chuàng)建內(nèi)容、探究教學(xué)應(yīng)用與評(píng)價(jià)有助于VR與醫(yī)學(xué)教育深度融合，提高學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)質(zhì)量。醫(yī)學(xué)教育者需提高醫(yī)學(xué)信息素養(yǎng)，形成以包括VR的現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以醫(yī)學(xué)生為中心、教師為輔助的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教學(xué)模式，促進(jìn)醫(yī)學(xué)高等教育現(xiàn)代化。

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作者：王岳，海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍衛(wèi)生信息中心，助教，研究方向?yàn)樾旅襟w醫(yī)學(xué)教育應(yīng)用；陳晨、王錦秀，海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍衛(wèi)生信息中心；沙琨，通信作者，海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍衛(wèi)生信息中心，副教授，研究方向?yàn)楦叩冉逃畔⒒?00433）。