基于虛擬仿真實驗的醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)教學(xué)新模式的探索與思考

吳 翊,杜欣雨 綜述,吳立翔,張 陽△ 審校

重慶大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院:1.財務(wù)科;2.檢驗科,重慶 400000

醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)是一門強調(diào)實踐性、操作性和專業(yè)性的學(xué)科,其實驗課程復(fù)雜多樣,理論課程晦澀難解。在現(xiàn)如今提倡精準醫(yī)療的時代背景下,科技不斷創(chuàng)新發(fā)展,聚合酶鏈反應(yīng)、質(zhì)譜分析、微流控芯片等新技術(shù)層出不窮,臨床實驗室質(zhì)量管理工作及其體系建設(shè)也迅速開展起來,醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)正大跨步邁向標準化、數(shù)字化和智能化的新時代[1],因此醫(yī)療領(lǐng)域?qū)︶t(yī)學(xué)檢驗技術(shù)及其教育有更高的要求,培養(yǎng)更多、更高專業(yè)水準的醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)學(xué)生也是我國建成現(xiàn)代化醫(yī)療體系的需要。此次新型冠狀病毒感染疫情爆發(fā)對全球整個經(jīng)濟和教育體系帶來了前所未有的沖擊,加速了探索醫(yī)學(xué)教學(xué)模式創(chuàng)新與改革的進程。本文通過剖析虛擬仿真實驗教學(xué)概念特征及發(fā)展情況,對醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)教學(xué)模式創(chuàng)新與改革及開展虛擬仿真實驗教學(xué)提供參考依據(jù)。

1 醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)教學(xué)的難點

醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)屬于實驗室醫(yī)學(xué),十分強調(diào)學(xué)生的實踐操作能力和儀器操控能力。其中形態(tài)學(xué)檢驗相關(guān)教學(xué)是醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)教學(xué)課程難點和重點內(nèi)容,該課程在醫(yī)學(xué)檢驗各專業(yè)課中首先開設(shè)[2]。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天,還沒有相關(guān)儀器設(shè)備可以取代顯微鏡對骨髓細胞、脫落細胞、外周血細胞、細菌、寄生蟲等進行形態(tài)學(xué)檢查,形態(tài)學(xué)檢查目前仍是許多疾病診斷的“金標準”[3]。

由于長期以來醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)教育資源不均衡,傳統(tǒng)教育模式的局限性導(dǎo)致檢驗專業(yè)技能人才的培養(yǎng)緩慢,其次醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)教學(xué)的現(xiàn)實困難是長期客觀存在的,具體表現(xiàn)如下。(1)重理論、輕實踐。例如學(xué)生用顯微鏡觀察,缺乏師生互動,學(xué)生較難辨認顯微鏡下的形態(tài)結(jié)構(gòu),但又無法與教師及時溝通,導(dǎo)致實驗教學(xué)質(zhì)量不高,學(xué)生不能充分重視實驗操作、形態(tài)學(xué)讀片[4]。其次實驗項目多以傳統(tǒng)經(jīng)典、驗證性實驗為主,缺乏對學(xué)生創(chuàng)新性思維和能力的培養(yǎng)。(2)實驗操作課程生物安全隱患大、病原體形態(tài)教學(xué)難度大。醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)實驗教學(xué)多涉及患者體液,存在感染風(fēng)險和危險生物材料,同時形態(tài)學(xué)抽象難以理解[5],初學(xué)者需要大量時間學(xué)習(xí)和練習(xí)[6],并且大部分醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)實驗課的操作為了避免可能存在病原體感染及實驗室污染的隱患[7],多采用課本教學(xué),讓學(xué)生脫離實物,使得學(xué)生幾乎不能夠認識患病樣本。(3)相關(guān)教學(xué)設(shè)備設(shè)施價格昂貴怕?lián)p壞、運營維護消耗高,因此學(xué)生缺乏動手的機會,最終造成學(xué)生實操動手能力差[8]。昂貴的價格、較高的折舊率及更新迭代的速度使得檢驗試驗教學(xué)的采用老舊儀器設(shè)備。(4)教學(xué)內(nèi)容受限,臨床樣本獲取困難,尤其是臨床基礎(chǔ)檢驗學(xué)、臨床血液學(xué)的形態(tài)學(xué)資源缺乏,臨床病原微生物學(xué)的疑難罕見樣本短缺,導(dǎo)致有新的知識點而無圖片加以說明[4],與臨床實際應(yīng)用存在明顯的脫節(jié)。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)模式

2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過采用以電子計算機技術(shù)為核心生成的一個特定范圍內(nèi)的虛擬三維空間世界,以讓使用者在此范圍內(nèi)對視覺、聽覺、觸覺等感官產(chǎn)生如同身臨其境一般的感受及體驗,可及時、有效、無限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。該技術(shù)能夠很好地解決教學(xué)資源不平衡、教學(xué)內(nèi)容抽象復(fù)雜等主要學(xué)習(xí)困難[9]。

2.2虛擬仿真實驗教學(xué)及其獨特優(yōu)勢 根據(jù)教育部發(fā)布的《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高司函[2013]94號)的規(guī)定,虛擬仿真實驗教學(xué)中心的本質(zhì)特征包括信息化技術(shù)特征 、高度仿真的實驗環(huán)境和對象及滿足本科教學(xué)要求這三個方面[10]。由此,虛擬仿真實驗教學(xué)即是實驗教學(xué)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)高度結(jié)合的教學(xué)模式。

該教學(xué)模式在醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)教學(xué)領(lǐng)域中擁有以下獨特優(yōu)勢:(1)彌補高校因無法購買或長期更新高緊密儀器的問題,虛擬設(shè)備相較于現(xiàn)實的高精密儀器,成本及維護十分低廉,不會出現(xiàn)儀器原件老化問題,可以反復(fù)不斷使用[11];(2)虛擬仿真實驗?zāi)軌驗閷W(xué)生提供各種場景及設(shè)備儀器操作的豐富教學(xué)內(nèi)容[12],知識擴展能力及認知擴展能力強,激發(fā)創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)興趣[13];(3)積極推進學(xué)生自主學(xué)習(xí)性,虛擬現(xiàn)實技術(shù)摒棄傳統(tǒng)教育的被動性,取而代之的高互動性、高沉浸性及多感官協(xié)同,使學(xué)習(xí)趣味度顯著增加,增強學(xué)生記憶,交互性能充分發(fā)揮主體能動作用,主動探索學(xué)習(xí)[14],有效減少技能訓(xùn)練所需時間[15];(4)有效避免實驗操作帶來的生物安全隱患。

系統(tǒng)全面的虛擬仿真實驗教學(xué)模式還能進一步加強醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)教學(xué)效果,即構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺,將資源庫、大型儀器、診斷流程相銜接,形成科學(xué)連貫的學(xué)習(xí)體系[16],科學(xué)且連貫的學(xué)習(xí)流程在降低學(xué)習(xí)難度,提高學(xué)習(xí)效率方面具有顯著效果。

2.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的發(fā)展情況 教育部于2015年全面開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作,期間誕生了許多優(yōu)質(zhì)教學(xué)項目,如教育部認定的國家級醫(yī)學(xué)類虛擬仿真實驗教學(xué)項目,北京大學(xué)的“視聽觸多感覺反饋口腔虛擬仿真系統(tǒng)在牙周操作培訓(xùn)中的應(yīng)用”,中國醫(yī)科大學(xué)的“基于智能化的漸進式導(dǎo)尿術(shù)技能訓(xùn)練項目”等共計25項虛擬仿真實驗教學(xué)項目,還有部分院校憑借雄厚的實力開發(fā)出走在時代前列的虛擬仿真實驗教學(xué)項目(見圖1),例如圖1A所展示的為昆明醫(yī)科大學(xué)搭建的臨床技能虛擬仿真實驗教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)[17],圖1B為成都醫(yī)學(xué)院搭建的大葉性肺炎及其診療虛擬仿真實驗項目[18],圖1C為南方醫(yī)科大學(xué)搭建的實驗室流水線的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)3D展示[19]。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)教育的應(yīng)用

3.1醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)的具體應(yīng)用 醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)作為醫(yī)學(xué)教育的一個重要分支,實驗教學(xué)內(nèi)容相對較多,但在虛擬仿真實驗教學(xué)項目的構(gòu)建數(shù)量在整個醫(yī)學(xué)類教學(xué)項目中占比極少,優(yōu)質(zhì)的教學(xué)項目更是鳳毛麟角。近年來僅有少數(shù)高校構(gòu)建了虛擬仿真項目,其中以南方醫(yī)科大學(xué)、四川大學(xué)等高校提供的優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗教學(xué)項目為示例。(1)結(jié)核分枝桿菌實驗室檢測的虛擬仿真項目。該項目是由四川大學(xué)創(chuàng)建的結(jié)核分枝桿菌的染色、培養(yǎng)、鑒定、藥敏、分子檢測等操作的虛擬仿真實驗教學(xué)項目,包括形態(tài)學(xué)觀察、分離培養(yǎng)、重要鑒定試驗、特殊鑒定試驗和藥敏試驗。形態(tài)學(xué)觀察包括抗酸染色、金胺“O”熒光染色;分離培養(yǎng)包括標本處理、接種培養(yǎng)和連續(xù)觀察。藥敏試驗如氧化還原試驗。擴展試驗包括分子PCR和測序鑒定試驗、多位點數(shù)量可變串聯(lián)重復(fù)序列分析試驗和耐藥基因檢測試驗[20]。(2)不明原因發(fā)熱病原菌檢驗思路與質(zhì)量保證的虛擬仿真實驗項目。該項目是由南方醫(yī)科大學(xué)創(chuàng)建的主要以臨床常見的不明原因發(fā)熱案例入手,虛擬仿真模擬臨床檢驗過程,其教學(xué)以引導(dǎo)式案例學(xué)習(xí),以臨床常見的不明原因發(fā)熱案例入手,虛擬仿真模擬臨床檢驗過程,包括標本采集、血培養(yǎng)儀器操作、標本涂片染色、細菌接種、全自動微生物鑒定藥敏儀使用、質(zhì)譜儀的快速鑒定等操作流程[21]。(3)布魯菌實驗室診斷的虛擬仿真實驗。該項目由哈爾濱醫(yī)科大學(xué)構(gòu)建的以布魯菌感染實驗室診斷為主線,綜合臨床檢驗、免疫學(xué)檢驗和微生物學(xué)檢測技術(shù)構(gòu)建的綜合性虛擬仿真檢測平臺。項目包含實驗室生物安全、血常規(guī)、血象、血沉、細菌分離和生化鑒定、虎紅平板凝集試驗、試管凝集實驗等7種實驗[22]。(4)人巨細胞病毒核酸定量檢測虛擬仿真實驗。該項目由大連大學(xué)創(chuàng)建臨床分子生物學(xué)檢驗技術(shù)教學(xué)實驗課程,該項目通過3D建模、動畫、語音播放、人工交互等技術(shù),高度仿真了人巨細胞病毒核酸檢測的熒光定量PCR實驗全過程[23]。

3.2醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)類型分類總結(jié) 從現(xiàn)有的國家級醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)類虛擬仿真實驗教學(xué)項目中看,虛擬仿真實驗教學(xué)項目可以分為三類,一是以臨床大型自動化儀器為模型,研發(fā)的虛擬自動化儀器仿真實訓(xùn)系統(tǒng),該模擬系統(tǒng)只針對特定的儀器創(chuàng)造出一個類似的模型機,能夠模擬檢驗過程與結(jié)果的模擬系統(tǒng)。二是通過計算機設(shè)備進行簡易交互,人機交互模擬技術(shù)是通過計算機輸入、輸出設(shè)備,實現(xiàn)人與計算機對話的技術(shù)[24],通常通過簡單點擊鼠標、按鍵盤等方式來完成實驗教學(xué)。三是通過編程搭建一個虛擬的實驗平臺,對各種儀器進行建模創(chuàng)設(shè),學(xué)生佩戴頭戴式顯示設(shè)備觀察儀器及病例樣本,通過操作桿進行實驗操作。

4 醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)存問題及發(fā)展建議

4.1醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)存問題 醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)課程資源少且質(zhì)量參差不齊是現(xiàn)存最主要問題,課程資源少進而導(dǎo)致無法構(gòu)建整體性、連貫性的教學(xué)資源庫,造成課程之間無法聯(lián)動起來,處于孤島的狀態(tài),學(xué)生僅能學(xué)習(xí)零星的知識點,學(xué)習(xí)效果大打折扣。且隨著醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不斷進步,教學(xué)課程也會隨之變化,而大多數(shù)教學(xué)項目缺乏后續(xù)更新、維護及管理,因為醫(yī)學(xué)教育很難通過建設(shè)教學(xué)項目資源庫本身從人才培養(yǎng)及知識產(chǎn)權(quán)中獲得紅利,社會企業(yè)資本投入積極性低[25]。

4.2醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)領(lǐng)域虛擬仿真建設(shè)思路

4.2.1校企聯(lián)合構(gòu)建教學(xué)資源庫 校企聯(lián)合是建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺及資源庫的有效手段,例如“虛擬仿真實驗教學(xué)創(chuàng)新聯(lián)盟”,該聯(lián)盟是由教育部高教司指導(dǎo)下開展虛擬仿真實驗教學(xué)研究、咨詢、指導(dǎo)、評估和服務(wù)的非盈利社會團體。通過為高校和產(chǎn)業(yè)界搭建平臺,依托產(chǎn)業(yè)發(fā)展,促進將前沿技術(shù)、最新理論和研究成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)應(yīng)用,實現(xiàn)產(chǎn)教協(xié)同發(fā)展[26]。

4.2.2系統(tǒng)性分類虛擬仿真實驗教學(xué)課程 醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)作為臨床醫(yī)學(xué)的二級學(xué)科,其中包含內(nèi)容眾多,如臨床檢驗基礎(chǔ)、微生物檢驗、血液學(xué)檢驗、生物化學(xué)檢驗、分子生物學(xué)檢驗、免疫學(xué)檢驗等多個三級學(xué)科,需要知識廣且兼顧技能操作,具備全方面體系學(xué)習(xí)。醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容可以通過形態(tài)學(xué)檢驗項目、檢驗儀器法項目和檢驗技能項目等三個方面構(gòu)建學(xué)習(xí)平臺[16]。見圖2。不同類型的模擬設(shè)備針對不同類型的學(xué)習(xí)內(nèi)容“對癥下藥”,達到虛擬仿真實驗教學(xué)資源花費與學(xué)習(xí)效果的動態(tài)平衡。三個項目的具體內(nèi)容如下:(1)形態(tài)學(xué)檢驗項目。該項目主要為血細胞、微生物的實驗室閱片工作,形態(tài)學(xué)理論內(nèi)容是描述顯微鏡下的一些特性,十分枯燥乏味,現(xiàn)實中的病例標本也難以長久保存,并且疑難案例可遇不可求。可以通過虛擬電子顯微鏡模擬閱片的整個過程,再根據(jù)模塊或者疾病分類,利用數(shù)字切片系統(tǒng),建立形態(tài)學(xué)圖片數(shù)據(jù)資源庫[27],存儲大量的病例標本。虛擬電子顯微鏡能夠讓學(xué)生觀察一些形態(tài)比較復(fù)雜、辨認難度大平常無法接觸的標本,讓學(xué)生能夠更好的掌握細胞形態(tài)學(xué)內(nèi)容。(2)檢驗儀器法項目,主要包括流式細胞儀,細胞分析儀,全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀等操作儀器使用教學(xué)內(nèi)容,可通過制作模型機或搭建虛擬實驗室進行虛擬仿真實驗教學(xué),讓學(xué)生能夠直觀的了解儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行原理,提高學(xué)生理解能力[28]。簡易儀器的操作可以只通過以桌面式系統(tǒng)為主的交互式模擬設(shè)備進行教學(xué),降低虛擬仿真實驗教學(xué)成本。(3)檢驗技能項目,主要包括血涂片制作與染色、血型鑒定及交叉配血、體液檢驗等教學(xué)內(nèi)容,學(xué)生從實驗前的準備(如試劑和培養(yǎng)基的配制)開始,到標本采集、選擇檢驗方法、開展實驗、分析實驗結(jié)果、最后發(fā)出報告等,全程獨立完成實驗[29],避免實驗者僅通過點擊鼠標、按鍵盤等方式來完成實驗全過程,省略了實驗器材的具體操作步驟,從而降低了實驗者的實際動手能力帶來的弊端。

圖2 醫(yī)學(xué)檢驗教學(xué)項目

5 展 望

建成教育強國、科技強國、人才強國是我國新時代的前進方向,構(gòu)建全面現(xiàn)代化醫(yī)療體系需要高新科技和高技術(shù)人才的支持與保障,傳統(tǒng)教育無法滿足新時代醫(yī)學(xué)技術(shù)人才培養(yǎng)需求,教學(xué)模式改革是大勢所趨[30]。將醫(yī)學(xué)教育與象征新時代高新技術(shù)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深度融合,準確把握時代的發(fā)展潮流,是探索教育改革創(chuàng)新的有效路徑,也是順應(yīng)時代發(fā)展的必然選擇,也是提升我國醫(yī)學(xué)教育綜合實力和國際競爭力的有力支撐。