數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用

冒小妹　顧準　郁惠珍　金晨

摘 要：數字孿生系統(tǒng)可以通過建立數字模型模擬實際系統(tǒng)的行為和性能，為生物醫(yī)藥的研究和應用提供更加準確、高效的方法。隨著社會的發(fā)展、時代的更迭，數字孿生系統(tǒng)的應用已經逐漸拓展到眾多領域中，例如生物醫(yī)藥領域。為了更好地發(fā)展生物醫(yī)藥事業(yè)，加強數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用研究具有重要的現實意義。因此，探討數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用，包括教學手段、教學方法和教學效果等方面，并結合實際案例進行闡述，最后提出數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中應用應注意的問題和發(fā)展趨勢，希望能為相關單位及工作人員提供一定的幫助。

關鍵詞：數字孿生系統(tǒng)；生物醫(yī)藥類專業(yè)；教學應用；教學手段；教學方法；教學效果

2019年5月16日，習近平總書記在給“國際人工智能與教育大會”的致賀信中強調中國高度重視人工智能對教育的深刻影響，鼓勵大力發(fā)展智能化、交互式在線教育模式，增強在線教育體驗感，推動線上線下教育融通。

“數字孿生”這一概念是在2011年被提出的，實際上是指通過數字化的方式創(chuàng)建實體的虛擬模型，并對物理實體的空間和時間維度進行數字化表達和動態(tài)表征[1]。隨著我國科技領域事業(yè)的快速發(fā)展和數字化技術的普及，數字孿生系統(tǒng)逐漸成為一個熱門的研究方向。數字孿生系統(tǒng)可以通過建立數字模型模擬實際系統(tǒng)的行為和性能，為各項研究和應用提供更加準確、高效的方法，涵蓋地理學、材料學、生物學等理科、工科和文科領域[2]。當前，數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥領域的應用已經取得了一定的成果，例如在醫(yī)療設備優(yōu)化、手術規(guī)劃和治療方案個性化等方面都有廣泛的應用[3]。近年來，在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學過程中，數字孿生系統(tǒng)成為一種新型教學手段和方法。

1?數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用優(yōu)勢

近年來，我國科技領域事業(yè)不斷邁向新的發(fā)展歷程，各種具有時代特色的科技產品相繼涌現，成為人們生產生活中不可或缺的一部分，不僅提高了人們的生活質量與生產效率，還大幅提升了我國的社會生產力。數字技術是新時期我國大力推廣的一項創(chuàng)新科技。隨著數字化浪潮的興起，各種虛擬仿真技術不斷進入人們的視野，例如虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術，還衍生出增強現實（Augmented Reality，AR）技術、全息投影（也稱虛擬成像技術）等[4-5]。傳統(tǒng)的VR技術具有實時交互和應用廣泛的優(yōu)勢，可以營造出高度逼真的虛擬環(huán)境，使用戶產生身臨其境的感覺；用戶在虛擬環(huán)境中進行自由操作，可以更好地探索和了解所模擬的對象。這一技術被廣泛應用于游戲、教育、醫(yī)療等領域，可以滿足不同類型的需求[6-7]。但是，其局限性也比較明顯，VR技術主要適用于虛擬環(huán)境的建模和仿真，基本依賴于虛擬世界，缺乏與實物的交流。

現階段，我國生物醫(yī)藥類專業(yè)在教育教學事業(yè)發(fā)展過程中的“三高三難”（即高投入、高損耗、高風險，難實施、難觀摩、難再現）問題尤其突出，比如動物實驗[8]。一是院校需要花費大量的人力、物力購買、飼養(yǎng)和照顧實驗動物，二是學生在動物的解剖、給藥等操作難度大的實驗中需要反復練習，并且對實驗場地有高標化要求，以避免病原微生物感染等潛在的危害。普通的VR技術操作以按鍵或鼠標點擊為主，而數字孿生技術可以配備與機器連接的實體動物模型，通過真實地看、摸、做等方式實現學生各個感官功能的有效發(fā)揮，真正做到虛實結合、有效訓練。

2?數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用手段

在新時期背景下，數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用已經十分普遍，加強數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中應用的研究成為生物醫(yī)藥類專業(yè)教育事業(yè)未來發(fā)展歷程中的不可逆趨勢。數字孿生系統(tǒng)可以作為一種全新的教育教學手段，用于生物醫(yī)藥類專業(yè)的教學活動中。利用數字孿生系統(tǒng)，教師可以向學生展示生物醫(yī)藥領域的復雜系統(tǒng)以及具體過程，幫助學生更好地理解和掌握相關知識和技能。數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用手段主要包括以下3種。

（1）數字化仿真實驗。數字孿生系統(tǒng)可以幫助生物醫(yī)藥類專業(yè)教育工作者在課堂教學活動開展過程中進行虛擬化的實驗。在此情況下，生物醫(yī)藥類專業(yè)教育工作者可通過建立數字模型模擬實驗過程，并向學生展示實驗過程和結果。學生了解實驗原理和操作步驟后，可以在系統(tǒng)中通過點擊、按鍵或者移動操作界面等一系列操作，闖關式地完成實驗任務、熟悉實驗的各個流程。此部分應用與普通的VR技術類似。

（2）虛擬手術/解剖模擬。這部分內容是數字孿生系統(tǒng)的一大突出優(yōu)勢，數字孿生系統(tǒng)可以開發(fā)出與虛擬界面連接的實物模型，教師以此模擬手術/解剖過程，并向學生展示手術過程以及操作技巧，學生也能切實提高手術操作能力和手術風險評估能力。新西蘭兔是生物學中研究心血管及消化道疾病的常用動物模型，以此為例，通過虛實結合的方式構建新西蘭兔的生理系統(tǒng)。其中，外置的智能傳感兔全身覆蓋真實柔軟的毛發(fā)，具有仿真的肌肉組織、手感真實有彈性的仿真皮膚和完整的仿真骨骼結構，配備真實針具用來模擬扎針、抽血操作，另有專業(yè)的三維解剖系統(tǒng)以滿足教師教學和學生訓練對解剖的需求。

（3）智能輔助診斷。教師通過建立數字模型模擬疾病治療的過程，并向學生展示診斷過程以及診斷技巧。學生能借此深入了解疾病原理和診斷技巧，從而提高診斷能力和診斷準確率。

以上3種應用手段都可以通過數字孿生系統(tǒng)實現，有效提高生物醫(yī)藥類專業(yè)教育教學活動開展的效率和質量。加強數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用不僅可以幫助相關教育工作者更好地傳授知識，還可以幫助生物醫(yī)藥類專業(yè)學生更好地掌握相關方面的知識和技能，為生物醫(yī)藥領域的健康穩(wěn)定發(fā)展培養(yǎng)出更多專業(yè)水平達標的高素質人才。

3?數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用方法

3.1? 教師演示法

生物醫(yī)藥類專業(yè)教育工作者在教學活動開展過程中可以通過數字孿生系統(tǒng)為學生進行相應的演示并作出詳細講解，充分發(fā)揮數字孿生系統(tǒng)的可視化功能，向學生展示生物醫(yī)藥領域的復雜系統(tǒng)和過程，幫助學生更好地理解和掌握相關知識和技能。以新西蘭兔系統(tǒng)的透明/可視化功能為例，該系統(tǒng)支持一鍵皮透明、骨透明、肌肉透明，漸進式控制整體透視，模擬表皮、肌肉、骨骼、血管等全部組織結構從微透到全透的過程變化，通過這些妙趣橫生的演示，學生能更加輕松地掌握相關方面的理論知識，提升學生的學習水平，豐富學生的知識儲備，為學生未來的職業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎。

3.2? 學生操作法

在運用學生操作法開展生物醫(yī)藥類專業(yè)教學活動時，教師可以在課堂上為學生分配相應的任務，要求學生利用數字孿生系統(tǒng)開展模擬實驗、虛擬手術模擬或者智能輔助診斷等操作，提高學生的實踐能力和應用能力。例如學生在開展兔類實驗的過程中，可以選擇不同類型的鉗、針，用于縫合內臟、血管、內部組織、肌肉等部位。系統(tǒng)具有進針路徑記錄功能，學生能更好地了解器械手術解剖點、插入位置。

3.3? 個性化學習法

數字孿生系統(tǒng)可以充分結合學生的不同需求和能力，為學生提供個性化的學習資源以及學習路徑。教師可充分利用數字孿生系統(tǒng)的數據分析和人工智能功能，對學生的學習情況進行監(jiān)測和分析，并根據學生自身的特點以及實際需求，為學生提供相應的學習資源以及學習建議，有效提高學生的學習效果和學習滿意度，為后續(xù)教學工作的開展提供助力。

3.4? 團隊合作法

在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學活動中，教師可以將學生分成不同的小組，要求他們利用數字孿生系統(tǒng)進行團隊合作以及項目實踐，有效提高學生的團隊合作能力以及項目管理能力。

3.5? 小結

數字孿生系統(tǒng)的應用方法可以根據具體的教學目標和學生需求進行選擇和組合，相關教育工作者也可以根據自己的教學經驗以及學生反饋選擇合適的應用方法，提高生物醫(yī)藥類專業(yè)教學效率和質量。

4?數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用效果

4.1? 提高學生的學習興趣和學習積極性

數字孿生系統(tǒng)有外置的實物模型，如人體骨骼、肌肉系統(tǒng)或者實驗鼠、兔、犬、猴模型，給學生強大的視覺沖擊，緩解學生對真實操作的恐懼，通過豐富的教學內容和互動式學習方式吸引學生的注意力，提高學生的學習興趣和積極性。

4.2? 提高學生的學習效果和學習質量

學生通過模擬實驗、虛擬手術和智能輔助診斷等應用手段不斷練習，通過增加練習次數、提高操作難度和精度提高實踐能力和應用能力，實現學習效果和學習質量的大幅度提升。

4.3? 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力

數字孿生系統(tǒng)可以通過個性化學習和團隊合作等應用手段，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力，從而為生物醫(yī)藥領域的發(fā)展培養(yǎng)更多的人才。根據學生的不同需求和能力，數字孿生系統(tǒng)可以提供相應的學習資源和學習建議，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力，促進學生之間的互動和交流，提高學生的團隊協(xié)作和溝通能力，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力。

4.4? 提高教師的教學效率和教學質量

數字孿生系統(tǒng)可以為教師提供更豐富、更直觀、更準確的教學資源和工具，從而提高教師的教學效率和教學質量。

5?存在的問題和挑戰(zhàn)

數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用也面臨一些問題和挑戰(zhàn)，主要包括以下4個方面。

5.1? 技術支持不足

數字孿生系統(tǒng)需要強大的技術支持和數據支持，以保證其在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用效果。然而，目前國內數字孿生系統(tǒng)的技術水平較低，需要加強研發(fā)和技術創(chuàng)新，以更好地應用于生物醫(yī)藥類專業(yè)教學。

5.2? 應用場景單一

目前，數字孿生系統(tǒng)的應用場景主要集中在實驗模擬和手術模擬等方面，缺乏其他方面的應用和創(chuàng)新。因此，需要加強對數字孿生系統(tǒng)的研究和探索，擴大其應用場景和領域，更好地支持生物醫(yī)藥類專業(yè)教學的發(fā)展。

5.3? 數據質量不穩(wěn)定

數字孿生系統(tǒng)需要大量的數據支持，以更好地模擬和仿真動物體內的生理和病理過程。然而，由于數據來源和數據質量不穩(wěn)定，數字孿生系統(tǒng)的應用效果和準確性存在一定的局限性。相關人員需要加強對數據來源和數據質量的監(jiān)管，提高數字孿生系統(tǒng)的應用效果和準確性。

5.4? 人才缺乏

數字孿生系統(tǒng)的應用需要具備一定的計算機技術和醫(yī)學知識，因此，需要培養(yǎng)一批具備跨學科背景和綜合能力的人才，以支持數字孿生系統(tǒng)的應用和發(fā)展。

6?結語

數字孿生系統(tǒng)是一種新型教學模式，能更好地支持生物醫(yī)藥類專業(yè)教學的發(fā)展。數字孿生系統(tǒng)可以提高學生的學習興趣和學習效果，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力，同時可以提高教師的教學效率和教學質量。然而，數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用也面臨一些問題和挑戰(zhàn)，需要加強技術研發(fā)和數據支持，擴大應用場景和領域，提高數據質量和人才培養(yǎng)水平，從而更好地支持生物醫(yī)藥類專業(yè)教學的發(fā)展。隨著技術和教育的不斷發(fā)展，數字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學中的應用前景會越來越廣闊。

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