VR技術(shù)在藥學教學中的應用研究進展

劉秋爽 蔡本志

近年來，隨著醫(yī)藥行業(yè)的快速發(fā)展和改革，社會對藥學人才能力的需求越來越高。如在新藥研發(fā)過程中，要求工作人員具有極強的空間想象力和動手能力；在以“患者為中心”的藥師服務模式中，要求藥師具有一定的同理心及溝通能力。而目前的教學形式重視理論知識教學，缺乏實踐教學，導致學生實習經(jīng)驗少，難以滿足社會對人才的需求。針對當前的教學現(xiàn)狀，藥學教育工作者已開始突破傳統(tǒng)，尋找新的方式來提高教學。同時，國家發(fā)布的《中國教育現(xiàn)代化2035》中提出：“充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，豐富并創(chuàng)新課程形式”[1]。在這樣的背景下，虛擬現(xiàn)實（virtual realistic，VR）技術(shù)無疑為教師克服當前的障礙，突破目前的教學瓶頸帶來了新希望。本文通過分析VR 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及在藥學教學方面應用的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，并結(jié)合國外對VR 技術(shù)在藥學教學領(lǐng)域應用的先進經(jīng)驗，對我國VR 技術(shù)在藥學教學中應用研究現(xiàn)狀進行綜述，以推動藥學教育的發(fā)展。

1 藥學教育現(xiàn)狀

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)的普及，藥學的課堂已從板書教學轉(zhuǎn)變?yōu)橐訮PT 等多媒體為基礎的優(yōu)化教學方式，但仍基本以傳統(tǒng)的講座式教學為學生傳授知識。同時，隨著信息時代的到來，學生對信息刺激的“滿足域”有所提高，課堂上常出現(xiàn)低出勤率及“低頭族”“沉睡族”的現(xiàn)象?？梢?，學生對教學方式新穎程度有了更高的要求。并且，隨著醫(yī)藥行業(yè)的快速發(fā)展及改革，社會對藥學人才能力的需求越來越高，對具有空間想象力、動手能力、創(chuàng)造創(chuàng)新能力以及一定的同理心及溝通能力的綜合性人才的需求大大增加。而目前重視理論知識教學、缺乏實踐教學的藥學教育現(xiàn)狀導致學生缺乏實踐機會、能力單一，難以滿足社會對人才的需求。

因此，目前藥學教學應側(cè)重對學生積極性的調(diào)動，豐富教育教學方法并為學生提供充足的實踐機會培養(yǎng)學生多方面能力的有效途徑，也是為學生職業(yè)生涯做的最好準備。

2 VR 技術(shù)研究現(xiàn)狀

VR 技術(shù)是利用顯示技術(shù)、計算機圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種技術(shù)創(chuàng)建的一種虛擬環(huán)境，使用戶切身感受真實的環(huán)境，沉浸在這種虛擬環(huán)境中，可通過語言、手勢、感官等與計算機進行實時交互，在該虛擬的環(huán)境中進行操作，有助于啟發(fā)用戶的構(gòu)思[2]。VR 技術(shù)的核心是建模與仿真，其特點有立體感，沉浸感，新穎性，交互自主性等[3]。

隨著技術(shù)的不斷進步，新的VR 設備層出不窮，傳統(tǒng)的VR 的設備包括VR 眼鏡或頭盔、觸覺手套和緊身衣等，目前市面上VR 設備逐漸豐富，如VR 互動椅、VR 自助機、VR 教室等逐漸進入公眾的視野。2020 年2 月20 日，北京-HTC VIVE?發(fā)布了目前最全能的VR系列產(chǎn)品，其激光定位技術(shù)提供精確的追蹤技術(shù)[4]，可以實現(xiàn)用戶在虛擬空間中與現(xiàn)實世界同步的移動；引入高清XR 立體透視攝像頭，首次實現(xiàn)高清晰度的實景畫面采集和三維空間重建，使真實世界和虛擬世界無縫融為一體，為用戶提供了高質(zhì)量的視覺顯示[4]。新的設備為VR 用戶提供了高度沉浸式的體驗和強烈的存在感，也為VR 贏得了廣闊的發(fā)展空間。目前，VR技術(shù)廣泛應用在娛樂、教育、軍事、航空、醫(yī)學、商業(yè)等眾多領(lǐng)域，其中在娛樂，教育方面應用最為廣泛[5]。很多VR 技術(shù)公司可根據(jù)用戶不同的研究目標和應用需求，進行“私人定制”為VR 的發(fā)展和應用帶來了更多的可能。那么當藥學教學發(fā)展的需求與先進的VR 技術(shù)發(fā)生碰撞時，會給藥學教學帶來哪些全新的體驗呢？

3 VR 技術(shù)應用于藥學教學的優(yōu)勢

3.1 教學方面的影響

藥學課程中有些內(nèi)容很難概念化，即使應用視頻和動畫，也很難被學生理解，但通過VR 技術(shù)可以將難理解的概念變得直觀、生動，有助于學生學習理解。例如，學習藥代動力學時，學生利用VR 技術(shù)跟隨藥物通過人體的旅程來學習藥物在體內(nèi)的吸收、分布、代謝、排泄的一系列過程；學習藥理學和藥物化學時，可以應用VR 技術(shù)采用特定的三維（3D）結(jié)構(gòu)結(jié)合來演繹的藥物與靶標（如受體）的分子相互作用。一項實驗研究[6]，將學生分為2D 或3D 演示教學兩組，同學們在學習后通過回答三個學習內(nèi)容相關(guān)的問題來評估學生對學習內(nèi)容的理解及分析問題的能力。結(jié)果顯示3D 演示教學組在測試中的表現(xiàn)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的2D 圖形教學組。研究中，大部分學生都表示喜歡3D 課程，認為3D 課程提高了他們的學習熱情，3D 教學更直觀的演示課程內(nèi)容，提高學習效果。類似的，在藥物設計（如蛋白-配體結(jié)合）方面，藥物設計者可以利用VR 技術(shù)提供的獨特的、現(xiàn)實的3D效果，深入蛋白質(zhì)內(nèi)部，完全沉浸在場景中[7]。綜上所述，VR 的應用可使學生對課程的理解更透徹，分析、運用知識的能力提高。

藥學的教學離不開實驗，機能學實驗，有機化學實驗，無機化學實驗及生物化學實驗等等。但是實驗一旦出錯很難有機會再次重復，對學生掌握所學知識有一定的局限性。實驗耗材也是一筆重大開銷，應用VR 技術(shù)可仿真模擬實驗器材，讓學生在虛擬環(huán)境中重復實驗，這樣可有效地降低實驗成本。并且在虛擬場景中，學生可避免有毒物質(zhì)的危害，和操作失誤帶來的危險。

學習過程中有些內(nèi)容對于學生是枯燥乏味的，VR可以通過互動性甚至游戲化來增添樂趣。例如，對藥品的商品名和通用名的記憶，可以發(fā)展成一種游戲來提高學生的參與度。

3.2 實踐教學的影響

隨著我國藥學服務模式的改變，藥學專業(yè)的學生需要加強與醫(yī)療團隊、病人及其親屬溝通的能力，在校期間獲得較多的實踐機會是對許多職業(yè)最好的準備。VR技術(shù)可解決學生實踐欠缺的問題，VR 技術(shù)的應用程序可以模擬各種病人，在應用虛擬病人交流過程中，有利于建立學生的同理心，為學生提供一個練習溝通的機會。目前，國內(nèi)的藥學教育在學生溝通與服務能力的培養(yǎng)方面重視程度欠佳，而國外更重視學生這方面能力的培養(yǎng)。自20 世紀70 年代初以來，美國、歐洲的一些國家就將虛擬病人應用于藥學本科教育的課堂[8]。

2012 年在蘭格爾藥學院為二年級和三年級的藥學博士學生開發(fā)了一門藥學案例研究的選修課，該選修課使用Second Life?（SL），SL 一個模擬真實世界的交互式三維虛擬環(huán)境，課程探討了SL 在藥學教育和培訓中的應用[9]。教學內(nèi)容是10 個案例場景，主要關(guān)注藥物安全和與患者的有效溝通。教師和同學均為虛擬化身，并在虛擬教室中重現(xiàn)案例場景，學生可以以個人和小組的形式模擬藥師和病人的角色。學生反饋SL 的應用提高學生對于課程內(nèi)容的專注度，增強了對藥學實踐中實際問題的理解[9]。另一項研究中[10]，研究者將VR 用于藥學患者教育，藥師為病人提供如何用藥的咨詢，并提供在虛擬世界中給病人用藥的機會，這一過程明顯增加患者對其健康和藥物知識的了解。

此外，VR 還可以通過提供在現(xiàn)實世界中不可行的體驗來增強教育。如可為學生提供試錯功能，現(xiàn)實中學生不能為了從錯誤中吸取教訓而置病人于危險之中，不可為了學習藥物的毒性作用而讓患者服用過量藥物，VR技術(shù)可使學生有機會從錯誤中學習，使得學生能夠從不同的角度看待問題，識別他們思維中的缺陷，這對于學習用藥安全、藥物錯用等問題特別有利。

3.3 遠程教育的希望

遠程教育越來越受到人們的關(guān)注，2019 至今教師對教學方式有了新的思考，隔離式的教學形式使教育者更加想要發(fā)展一些遠程課程，這也將促進VR 技術(shù)在藥學教學中的應用與實施。一些VR 教育公司正在開發(fā)遠程VR 教育平臺，讓學生和教師可以在任何地點的虛擬教室中見面，對于遠程學習的學生可以提供類似于在校上課的親身體驗[11]。

綜上所述，我們認為VR 在藥物化學、藥理學和藥學實驗教學等課程中增加了學習樂趣，提高了知識理解、運用能力，培養(yǎng)了空間想象力，也降低了教師的教學難度，并能節(jié)省大量教學資源；為學生提供充足的實踐機會；也為一些沒有機會親身參與到課堂的學生提供學習知識的平臺。由此可見，VR 技術(shù)的應用可能為藥學教育帶來無限的可能，值得廣大藥學教育者的開發(fā)與期待。

4 VR 在藥學教學中的應用

4.1 國外藥學教學中的VR 的應用

自20 世紀70 年代初以來，美國、歐洲的一些國家就將虛擬病人應用于藥學本科教育的課堂。一些研究對接受“虛擬病人”教育的學生進行評估，結(jié)果表明，大部分的學生對“虛擬病人”技術(shù)感到滿意，認為它作為教學和學習工具具有良好的效果[12]。

瑞典北部Ume? 大學的藥學院是北歐國家中較早使用3D 虛擬世界（3DVW）進行臨床藥學教學的學校，自2011 年臨床藥學課程開設以來一直在使用3DVW。學生可在模擬病房和3DVW 的病人見面以獲得培訓機會，3DVW 使學生能夠以專業(yè)的方式練習與病人溝通。對于課程的效果，大多數(shù)學生表示，3DVW 環(huán)境給人一種真實的感覺，并對課程的設置、教學內(nèi)容的設計及整體效果給予充分認可[13]。

4.2 VR 技術(shù)在我國藥學教學中應用的現(xiàn)狀

VR 作為健康教育媒介的研究也越來越豐富，主要分布在手術(shù)模擬、管理、精神疾病和解剖可視化等方面。目前，國內(nèi)對VR 教育積極開發(fā)，2014 至2015 年間，國內(nèi)已批準21 項國家級醫(yī)學類虛擬仿真教學平臺的建設。VR 實操系統(tǒng)也在穩(wěn)步發(fā)展，上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院將胸腔穿刺虛擬教學系統(tǒng)應用于臨床教學實踐中，該系統(tǒng)注重細節(jié)的把控，對在局麻過程中的進針角度等有嚴格的規(guī)定，有助于訓練學生規(guī)范化、標準化的操作，且學生可以自行，無次數(shù)限制練習[14]。這些成功將VR 技術(shù)應用于醫(yī)學教學中的案例為VR 技術(shù)應用于藥學教學提供了良好的基礎和寶貴的經(jīng)驗。

近年來，全國高校大力開展實驗教學領(lǐng)域的虛擬仿真項目教學改革，截至2016 年，已建設了300 個國家級虛擬仿真實驗教學中心[15]。西南大學開設的“強心苷藥理學作用虛擬仿真實驗”，將抽象的藥物作用機制直觀化，使Na+-K+-ATP 酶的超微結(jié)構(gòu)清晰可見，也使藥物作用于靶點后產(chǎn)生的細胞內(nèi)信號通路、機體生理功能改變等抽象的藥效學過程一目了然，有利于學生理解掌握[16]。長春醫(yī)學高等?？茖W校結(jié)合其自身醫(yī)療機構(gòu)藥學部的工作場景及“藥學服務”的教學標準要求，通過VR 技術(shù)，搭建藥品倉庫、倉庫辦公室、住院藥房和門診藥房的三維仿真場景，并涵蓋場景中的崗位標準化操作流程、管理控制規(guī)定和設備器械使用方式等內(nèi)容，以游戲的模式引導學生完成學習過程，具有較強的操作性、趣味性和互動性，提高了學生對藥學服務的認識和理解[17]。重慶醫(yī)科大學于2015 年1 月成功獲批國家級醫(yī)學虛擬仿真實驗教學中心，根據(jù)自身科研與教學的需要積極投人虛擬仿真實驗室的建設，教師可充分利用虛擬仿真教學平臺的資源，更新和豐富教學內(nèi)容，此外，還具有實訓系統(tǒng)，在該區(qū)間教師可借助VR 模擬多種實驗教學環(huán)境，充分發(fā)揮學生的實踐能力[18]。上海中醫(yī)藥大學教學實驗中心于2016 年7 月建成中藥學高效液相色譜技術(shù)VR 實驗學習系統(tǒng)，廣泛用于分析化學和中藥學實驗技能操作訓練教學中，對學生的學習成績及調(diào)查問卷分析，結(jié)果顯示該虛擬仿真教學系統(tǒng)已初見成效[19]。除此之外，一些學者也致力于VR 課程設計軟件的開發(fā)，如譚妙娟[20]等人，通過對VR 技術(shù)應用于天然藥化實驗的軟件建立，課程內(nèi)容設置等方面探討，論述了VR 天然藥物的化學實驗課程構(gòu)建的可行性；彭坤[21]等利用VR 技術(shù)構(gòu)建了一套虛擬仿真半自動生化分析儀實訓教學軟件。

由此可見，教育工作者正在大膽的嘗試將VR 技術(shù)應用于藥學教學，這些先進的經(jīng)驗使VR 技術(shù)在藥學教學中的普及成為可能。作為藥學工作者應積極與高校圖書館、高?，F(xiàn)代教育技術(shù)部合作，取得相關(guān)支持；積極與VR 公司聯(lián)系，生產(chǎn)專門用于藥學教學的VR 產(chǎn)品；與學科專家合作，制作新型VR 課程，開展VR 沉浸體驗式學習模式為藥學教學開辟新道路。

5 VR 技術(shù)在藥學教學中應用的挑戰(zhàn)

盡管VR技術(shù)給藥學教學帶來的新模式很令人向往，但仍有一些限制因素需考慮。首先，VR 常見的問題就是長時間應用設備，如佩戴VR 頭盔，會引起使用者不適，包括惡心、出冷汗和臉色蒼白。這與設備的重量、大小、視覺顯示的像素、設備產(chǎn)熱等因素有著密切關(guān)聯(lián)，但隨著技術(shù)的進步，設備的更新?lián)Q代，VR 疾病的發(fā)生風險會不斷降低，不再成為VR 技術(shù)應用的限制因素[22]。

其次，費用的問題。VR 課程的開發(fā)，需要配備高性能計算機、頭盔式屏幕、數(shù)據(jù)手套等高端硬件設備，已保證虛擬場景的影像分辨率、響應速度與沉浸感。一臺VR 臺式電腦的最低售價為650 美元，“空間定位VR”頭盔價格從200 美元到1 600 美元不等，盡管VR設備仍然相對昂貴，但包括頭盔和電腦在內(nèi)的VR 設備的成本自2017 年以來已經(jīng)大幅下降。即便如此，如果一個機構(gòu)為所有的學生購買足夠的VR 設備，它仍然是非常昂貴的。隨著新技術(shù)的發(fā)展，VR 設備價格應該為更多人所接受。

再次，VR 實驗課程的開發(fā)，首先需要腳本設計、三維建模和場景構(gòu)建，這一過程需要藥學專業(yè)人員與建模、動畫人員協(xié)同設計VR 課程的軟件和計算機系統(tǒng)。對大多數(shù)教育工作者來說構(gòu)建自己的VR 教學內(nèi)容需要具備基本的編程專業(yè)知識，對于非開發(fā)者來說仍然是一個挑戰(zhàn)，國內(nèi)學者也正在探索教學課件與VR 技術(shù)的深度融合。這些因素使得VR 課程前期投入大，編寫開發(fā)難度大、周期長，但隨著“國家虛擬仿真實驗教學項目工作網(wǎng)”的構(gòu)建，某些學科領(lǐng)先的專業(yè)院校立項后，針對其優(yōu)勢實驗門類集中開發(fā)，其他醫(yī)學院校便可通過平臺共享利用VR 軟件資源。此外，隨著Unity、Google Cardboard 等免費VR 制作軟件的出現(xiàn)程序編寫成本降低，加之計算機系統(tǒng)和軟件實時更新容易，可以循環(huán)重復實驗，有效地彌補前期投人的不足[20]。VR Education Holdings（VRE）公司聲明可實現(xiàn)教育工作者將自己的3D 模型、幻燈片添加到VR 程序中，這成為教育者很具潛力的合作伙伴[23]。

最后，一些社會心理因素可能會限制VR 在藥學教學中的應用。電子游戲成癮，現(xiàn)已被列入世界衛(wèi)生組織發(fā)布的第11 版《國際疾病分類》[24]，VR 可能有類似的成癮傾向，一些學生可能需要避免使用這種平臺；另外VR的應用會減少原本內(nèi)向的學生與同齡人面對面交流，會讓學生感到自己和現(xiàn)實世界完全脫節(jié)，對其性格發(fā)展產(chǎn)生不利影響。因此，教育者和開發(fā)者還需進一步探索，以充分克服VR 教學帶來的學生身心健康發(fā)展問題。

6 展望

隨著5G 時代來臨，VR 技術(shù)取得巨大突破，融入我們的生活之中。該綜述中，討論了VR 技術(shù)的最新進展，VR 技術(shù)應用于藥學教學的優(yōu)勢、藥學教學中VR 課程開發(fā)的可行性分析及應用過程中可能會面臨的挑戰(zhàn)等問題，可以看到VR 在藥學教學中的巨大潛力，相信隨著信息技術(shù)的進步，VR 可能成為藥學教學不可或缺的一部分，為藥學教學帶來全新的體驗。