醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺的建設

夏正新，吳昊楨，徐 皓

1.南京郵電大學繼續(xù)教育學院，2.醫(yī)療信息工程研究中心，江蘇 南京 210003；3.南京醫(yī)科大學基礎醫(yī)學國家級虛擬仿真實驗教學中心，江蘇 南京 211166；4.南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院普外科，江蘇 南京 210029

醫(yī)學教育具有極其重要的地位，是大國計、大民生、大學科、大專業(yè)，隨著國家醫(yī)療衛(wèi)生體制改革和科學技術的發(fā)展，社會對醫(yī)療服務的需求不斷提升，這也對高層次復合型醫(yī)學人才的培養(yǎng)提出了迫切需求［1］。根據(jù)《教育信息化2.0 行動計劃》和“‘六卓越一拔尖’計劃2.0”等內(nèi)容，教育信息化已成為國家信息化戰(zhàn)略的重要組成部分，在教育教學改革及創(chuàng)新人才培養(yǎng)等諸多方面具有重要意義，也為信息化時代推進新醫(yī)科建設提供契機。

醫(yī)學實驗教學是高等醫(yī)學教育人才培養(yǎng)的核心環(huán)節(jié)。作為學科與信息技術深度融合的產(chǎn)物，醫(yī)學虛擬仿真實驗教學是深化醫(yī)學實驗教學改革，推動醫(yī)學教育全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要舉措。其主要依托虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、人工智能、網(wǎng)絡通信等現(xiàn)代信息技術創(chuàng)建高仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，以實現(xiàn)預期的實驗教學目標［2］，對培養(yǎng)學生基本操作技能、科研思維和創(chuàng)新能力有重要作用?；谔摂M仿真實驗資源，建設醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺，探索新的實驗教學模式與體系，是當前基礎醫(yī)學實驗教學亟待解決的重點與難點。

一、醫(yī)學虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀

虛擬仿真實驗教學與國家高等教育質(zhì)量工程建設密切相關。從教育信息化的角度溯源，在2013 年教育部發(fā)布的《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》中，便提出建設虛擬仿真實驗教學中心，截至2016 年，教育部遴選出300 個國家級虛擬仿真實驗教學中心［3］，其中醫(yī)學類有32 個，占比10.7%?！蛾P于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》倡導，各層次高校結(jié)合課程體系和培養(yǎng)目標積極建設虛擬仿真實驗教學項目［4］，這為醫(yī)學實驗教學的發(fā)展指明了方向。

從虛擬仿真實驗教學的優(yōu)勢特征來看，一方面虛擬的真實學習情境能讓學習者對環(huán)境的感知從想象轉(zhuǎn)變?yōu)閷φ鎸嵤澜绲母兄?，學習者的認知維度會增加，從而加強對知識的建構(gòu)［5］；另一方面，虛擬仿真實驗教學不易受到物理因素的限制，具有安全可靠、實用經(jīng)濟、自主靈活等特點，能夠滿足個性化、多元化實驗教學需要。此外，虛擬仿真實驗教學的構(gòu)成是單元化的知識點，可以有效整合到傳統(tǒng)實驗教學計劃中，形成優(yōu)勢互補，實現(xiàn)實驗內(nèi)容的多元化。因此虛擬仿真實驗逐漸成為醫(yī)學實驗教學的首選方案，虛擬仿真實驗教學項目體系和平臺的建設也迫在眉睫。

基于國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺的數(shù)據(jù)，目前共完成497 項醫(yī)學類虛擬仿真實驗教學一流課程認定，其中國家級188 項、省級171 項、地方院校138 項。涵蓋594 門課程、4 201 個知識點（表1）。

表1 醫(yī)學虛擬仿真實驗項目數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 （n）

從實驗類型看，以基礎練習型和綜合設計型為主，研究探索型較少。從各專業(yè)認定數(shù)量看，排名前三的分別是基礎醫(yī)學類、臨床醫(yī)學類、公共衛(wèi)生與預防醫(yī)學類?；A醫(yī)學類獲得認定127 個項目，占認定項目總數(shù)的25.55%；臨床醫(yī)學類獲得認定105個項目，占21.13%；公共衛(wèi)生與預防醫(yī)學類獲得認定59 個項目，占11.87%?？梢钥闯鲠t(yī)學虛擬仿真實驗項目建設如火如荼，但也存在問題：其一，教學理念滯后，缺乏高階性建設，探索型項目較少，沒有注重學生高階思維訓練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，不利于探究式和個性化學習以及拔尖教育；其二，缺乏頂層規(guī)劃，項目學科分布不合理，沒有完全涵蓋課程大綱；其三，不同高校之間存在交叉建設、重復建設的情況，導致投入成本增加和資源的浪費；其四，脫離教學體系，不能廣泛應用，很多項目在線實驗人次很少，甚至為0，表明其并沒有真正納入專業(yè)實驗教學體系，僅是為了考評或績效等功利性因素建設，那么此類虛擬仿真項目的建設也許并非必要。

二、新醫(yī)科對醫(yī)學虛擬仿真實驗教學的新要求

新醫(yī)科是指在大健康理念的指引下以及以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的背景下，實現(xiàn)醫(yī)、工、理、文科融通，并重塑醫(yī)學專業(yè)新結(jié)構(gòu)［6］。與傳統(tǒng)醫(yī)學人才培養(yǎng)相比，新醫(yī)科的人才培養(yǎng)模式應更為精準，即順應科技趨勢，賦能醫(yī)學發(fā)展，把握時代脈搏，培養(yǎng)精尖人才。新醫(yī)科要求醫(yī)學人才具備復合型、應用型、創(chuàng)新型特征，具備多學科背景和多元交叉的知識儲備，能夠融會貫通、守正創(chuàng)新，適應工業(yè)化、智能化需求。傳統(tǒng)的醫(yī)學實驗教學模式難以滿足新醫(yī)學的人才培養(yǎng)需求，新醫(yī)學的人才培養(yǎng)面臨培養(yǎng)周期長、實驗室資源不足、高質(zhì)量課程資源少、能力評估體系不完善等關鍵問題［7］，這也對醫(yī)學虛擬仿真實驗的平臺建設和教學改革提出了新要求。

（一）更新教學理念，培養(yǎng)學生的高階能力

傳統(tǒng)的醫(yī)學實驗教學難以解決復雜的臨床問題。只有通過理科、工科等多學科與醫(yī)學交叉融合，才能推進新醫(yī)科的發(fā)展，解決實際難題。首先，提升醫(yī)學虛擬仿真實驗教學的高階性設計，堅持知識、能力、素質(zhì)的有機結(jié)合，平衡基礎與前沿，醫(yī)學原理與理、工、文科綜合應用之間的關系，拓寬學生認知的廣度和深度，培養(yǎng)學生深度分析的高級思維和解決實際問題的綜合能力。其次，提升醫(yī)學虛擬仿真實驗教學的創(chuàng)新性設計，堅持原理解析與綜合創(chuàng)新訓練、模塊化習得與研究探索創(chuàng)新相結(jié)合，更新教學方法，推進現(xiàn)代信息技術與醫(yī)學實驗教學深度融合，積極引導學生個性化、探究式學習［8］。最后，提升醫(yī)學虛擬仿真實驗教學設計，根據(jù)“最近發(fā)展區(qū)”理論，在學生培養(yǎng)過程中，增加研究性的跨學科拔尖性知識，培養(yǎng)一批精于技術、富于創(chuàng)新的復合型人才。

（二）整合課程體系，重塑學生的知識結(jié)構(gòu)

新醫(yī)科背景下的專業(yè)課程設置不僅要充分體現(xiàn)多學科的理論交叉融合，還要體現(xiàn)交融后的實踐運用。傳統(tǒng)醫(yī)學實驗課程體系只包含醫(yī)學理論，設置較為單一化，不能適應教學新需求。調(diào)整不同專業(yè)體系結(jié)構(gòu)，能在一定程度上解決多元培養(yǎng)的問題。例如，可以在醫(yī)學影像學、病理學等專業(yè)課程體系中融入大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學習等理工科必修課程，提升學生醫(yī)療數(shù)據(jù)分析和處理的能力，滿足未來醫(yī)療工作的智能化需求；在醫(yī)學專業(yè)基礎課中增加哲學、心理學等人文學科的學習，提高醫(yī)學生的人文素養(yǎng)。

（三）堅持內(nèi)容為王，強化學生的考核評價

醫(yī)學虛擬仿真實驗教學項目的建設應是以教學內(nèi)容為主。在教學內(nèi)容的選擇上，應堅持需求導向和目標導向。緊密結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標和社會發(fā)展需要，選擇高成本、高危險、高消耗、不可逆等現(xiàn)實難以滿足的教學內(nèi)容進行虛擬仿真建設，技術和形式只是教學內(nèi)容的載體和加分項，避免出現(xiàn)本末倒置式的項目建設。除此之外，應加強項目的考核評價體系建設。新醫(yī)科人才的培養(yǎng)考核更應具備應用性、創(chuàng)新性、靈活性特征，從學生進行虛擬仿真實驗學習的全過程進行考核，不僅包含其在項目學習中理論、模型、案例等不同模塊的分數(shù)總和，還應包括學生在虛擬仿真實驗學習過程中的溝通能力、團隊協(xié)作能力、新技術的適應力以及在學習后參與臨床實訓的知識轉(zhuǎn)化能力的考核。這種全過程評價，不僅是對學生學習成績的科學跟蹤，更是對醫(yī)學虛擬仿真實驗教學成果的動態(tài)檢驗和內(nèi)容修正。

（四）聚焦平臺建設，滿足多元化學習需求

醫(yī)學虛擬仿真實驗教學的長期運行需要功能完善的平臺支撐。僅虛擬仿真項目的建設終歸是單一的、分散的，缺乏體系化，不利于信息統(tǒng)計、數(shù)據(jù)同步和學校間的統(tǒng)一集中管理。聚焦虛擬仿真實驗教學平臺建設，充分整合學校信息化虛擬仿真實驗教學資源，通過校級虛擬仿真實驗教學管理平臺實現(xiàn)校院實驗教學統(tǒng)一管理，滿足虛擬實驗、實體實驗、實驗儀器、實驗教學等教學資源的擴展性、兼容性、前瞻性管理和共享，廣泛納入不同專業(yè)課程，實現(xiàn)學習者和教師進行跨專業(yè)學習和合作。平臺資源共享能夠在一定程度上避免項目交叉建設和重復建設，也能最大化利用已有資源。此外，以創(chuàng)新為導向，加強跨專業(yè)合作，納入工、理、文科的優(yōu)質(zhì)實驗資源作為選修課程，實現(xiàn)傳統(tǒng)“狹義”醫(yī)學實驗整合為現(xiàn)代“廣義”新醫(yī)科實驗體系，以滿足新醫(yī)科人才培養(yǎng)的實驗教學支撐要求。

三、醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺建設路徑

（一）教學平臺系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合實際教學需求和能力訓練需要，醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺的開發(fā)與建設總體以“新醫(yī)科特色，新教學理念，新技術前沿”為導向，將平臺劃分為五大運行架構(gòu)和六大功能模塊。

1.平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

平臺的系統(tǒng)架構(gòu)主要為：①數(shù)據(jù)層，包括用戶信息、課程數(shù)據(jù)庫、試題庫、實驗數(shù)據(jù)等的存放和管理；②支撐層，負責整個基礎系統(tǒng)的安全管理、數(shù)據(jù)管理、域管理和服務部署；③通用服務層，為虛擬仿真實驗教學環(huán)境提供實驗教學管理、資源項目管理、實驗報告管理、學習成果評測等通用支持組件，幫助師生順利完成實驗的教與學；④三維仿真層，即利用三維建模技術將知識內(nèi)容可視化；⑤應用層，即平臺具體功能的入口。

2.平臺功能

平臺功能主要包括：①醫(yī)學虛擬仿真實驗中心門戶網(wǎng)站及管理后臺，提供信息發(fā)布和展示窗口，支持后臺管理，如欄目管理、文章管理等；②數(shù)字化資源管理，實現(xiàn)虛擬仿真實驗資源、知識點與案例庫、微課與試題庫管理，便捷學生在線自主學習，構(gòu)建協(xié)作式學習社區(qū)；③實驗教學全過程管理，包括實驗開課管理、實驗項目選擇、實驗預習管理、智慧輔導助手、實驗報告及成績管理等；④虛擬仿真實驗中心數(shù)據(jù)統(tǒng)計，通過多樣化的統(tǒng)計圖表反應虛擬仿真實驗教學中心的在線學習規(guī)模、學生學習效果等，為相關主管部門的教學管理和改革提供數(shù)據(jù)依據(jù)；⑤互動交流通知，提供在線交流管理，實現(xiàn)老師與學生、學生與學生之間的交流，離線交流通過郵件系統(tǒng)或留言系統(tǒng)實現(xiàn)學生離線請求教師指導；⑥虛擬仿真實驗項目開放共享，建立虛擬仿真項目權(quán)限管理通路，實現(xiàn)虛擬仿真資源的示范共享與有償共享多種形態(tài)，用戶注冊成功后即可進行實驗項目訪問，并進行在線實驗學習和查漏補缺。

（二）構(gòu)建虛擬仿真實驗教學體系

以大健康理念為引導，在虛擬仿真實驗和實體教學平臺建設基礎上，秉承“注重綜合素質(zhì)、夯實基礎、循序漸進、跨越發(fā)展”的原則，整合優(yōu)質(zhì)教學科研資源，形成有利于新醫(yī)科人才培養(yǎng)的“進階式綜合性”虛擬仿真實驗教學體系（圖1）。

圖1 醫(yī)學虛擬仿真實驗教學體系

根據(jù)新醫(yī)科人才培養(yǎng)目標，以能力培養(yǎng)為導向，梳理、整合、優(yōu)化虛擬仿真實驗教學項目，組成立體化醫(yī)學虛擬仿真實驗教學體系。在實驗內(nèi)容上，將基礎融會貫通臨床，將模型驗證與研究探索相結(jié)合；在教學方式上，巧用數(shù)字化實驗教學資源，人機協(xié)同、虛實互補；在學習空間上，充分運用知識圖譜、數(shù)字教材、電子講義、功能數(shù)字人訓練系統(tǒng)、虛擬仿真教學資源、多媒體資源等于一體的醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺，實現(xiàn)實驗學習行為記錄、實驗過程記錄、分析處理數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)評價反饋，從單一理論實踐考核向多元化考核轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)具有家國情懷，綜合素養(yǎng)，全球視野，具備廣博的理工人文知識、深厚的生命科學基礎、堅實的醫(yī)學基礎理論、較強的科研創(chuàng)新能力和多向發(fā)展?jié)撃艿男箩t(yī)科人才，服務健康中國戰(zhàn)略。

（三）構(gòu)建教學平臺管理體系

構(gòu)建虛擬仿真實驗教學管理平臺，建設虛擬仿真資源軟件對接規(guī)范標準，實現(xiàn)學校各類虛擬仿真項目統(tǒng)一規(guī)范接入，學生在平臺上進行統(tǒng)一認證開展實驗，通過系統(tǒng)間的無縫連接，整合和部署不同類型的實驗教學軟件，高效管理實驗教學資源，滿足校內(nèi)各院系建設、發(fā)布、管理、運行實驗教學資源的需求，并能實現(xiàn)跨校、跨區(qū)域、跨學科專業(yè)的實驗教學資源的開放共享（圖2）。

圖2 醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺管理體系

1.實驗教學管理

根據(jù)人才培養(yǎng)目標和專業(yè)教學計劃，將課程庫、學期與排課信息數(shù)據(jù)錄入或?qū)胂到y(tǒng)。教師根據(jù)教務處的開課計劃維護典型實驗庫，安排實驗，查看學生實驗進展，批改實驗結(jié)果及實驗報告，統(tǒng)計并發(fā)布實驗成績。學生根據(jù)任課教師的要求，進行實驗預習，通過考核后才能進入實驗室進行實驗，完成后提交實驗報告。

2.理論知識管理

系統(tǒng)將知識點進行整合形成知識網(wǎng)絡，并建立測試題庫，對需要考核的習題進行統(tǒng)籌管理。系統(tǒng)根據(jù)實驗課程內(nèi)容自動生成對應題冊，隨即組成試卷，供學生進行專項練習或階段性考核。

3.智能指導管理

智能指導動態(tài)監(jiān)控學習者的實驗全過程。當學生在實驗過程中遇到問題時可以通過該系統(tǒng)尋求指導和幫助，系統(tǒng)會根據(jù)學生當前的實驗操作，給出引導性的提示，指導學生分步完成實驗操作。

4.自動批改管理

學生提交實驗結(jié)果后，系統(tǒng)對其實驗過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行處理，將篩選出有效學生學習行為數(shù)據(jù)提交評價推理機。數(shù)據(jù)評價推理機利用教師在試題庫中預先錄入的試題及答案和批改規(guī)則對學生的測試結(jié)果進行比對，并進行學情分析。教師可以設置每個實驗不同部分的成績所占權(quán)重，最終統(tǒng)計出實驗成績。

（四）探索虛擬仿真實驗教學新模式

傳統(tǒng)虛擬仿真實驗教學以基礎驗證性實驗為主，實驗流程較為固定，教學形式略顯單一。虛擬仿真實驗教學模式亟待改進以適應新的教學需求。其一，在教學內(nèi)容上適度增加自由探索型實驗和跨學科融合實驗，在夯實醫(yī)學基本操作技能的基礎上，設置科研項目式學習內(nèi)容，將經(jīng)典與前沿相融合。其二，在教學目標確立上更加精準化，既包括對學生學情的精準分析，又包含對相關知識和技能目標的精準制定。其三，在實驗過程中以任務驅(qū)動為導向，注重學生的自由學習和協(xié)作學習，參照科研訓練的程序，加強創(chuàng)新實踐訓練，支撐學生進行拓展學習，完善學生知識鏈系統(tǒng)，并優(yōu)化教學，加強對學生的個性指導。其四，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的學習評價和反饋機制，對學生實驗學習進行全程數(shù)據(jù)監(jiān)控和評估，有效聯(lián)通各類終端設備，采集學生學習數(shù)據(jù)生成形成性評價報告，并進行解析及反饋，便于師生改進教與學，促進學生綜合素質(zhì)提升。

四、醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺共享應用

建設虛擬仿真實驗教學平臺對虛擬仿真資源的應用和可持續(xù)發(fā)展能起到引導和管理作用。從專業(yè)層面構(gòu)建虛擬仿真教學及管理平臺，推動共建共享，利于改善各高校不同專業(yè)資源信息孤島模式的現(xiàn)狀。建立醫(yī)學虛擬仿真實驗教學資源建設標準，統(tǒng)一接口規(guī)范和標準，為不同高校間教學評價、資源對比和學分互認等工作奠定基礎［9］。

（一）項目準入機制

明確資源進入共享平臺的要求和遴選流程，組織專家對資源的質(zhì)量進行評審，確保資源的整體質(zhì)量。納入的虛擬仿真資源應具備一定的可擴展性，便于后期進行內(nèi)容補充和功能優(yōu)化。

（二）統(tǒng)一身份認證

建立統(tǒng)一身份認證接口，平臺賬號可登錄各類虛擬仿真實驗項目、在線開放課程、教學管理平臺等異構(gòu)系統(tǒng)，實現(xiàn)單一身份認證。

（三）資源有償共享

通過現(xiàn)有資源共享獲取收入用于平臺資源的維護和升級，可緩解資源維護和升級經(jīng)費問題。利于形成長效激勵機制，激勵高校開發(fā)更優(yōu)質(zhì)的實驗教學資源。

（四）校企合作機制

校企合作能保障平臺的后續(xù)維護、完善、擴展和改進，是虛擬仿真資源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要保證［10］。共建共享，發(fā)揮各自優(yōu)勢，可保障虛擬仿真項目的建設品質(zhì)。合作模式主體由學校統(tǒng)籌，可以是學校與企業(yè)合作或者學校、醫(yī)療機構(gòu)、企業(yè)三方合作。學校、醫(yī)療機構(gòu)負責虛擬仿真項目的功能與模塊設計、資源素材整理、應用與評估反饋等工作，企業(yè)負責三維建模、動畫制作、功能開發(fā)、運行維護、持續(xù)改進等工作，共同推廣示范。對共享資源提供有償服務，用于平臺資源的維護和升級，可緩解資源維護和升級經(jīng)費問題。

新醫(yī)科建設對醫(yī)學虛擬仿真實驗教學的新要求推動了醫(yī)學實驗教學的發(fā)展。在不久的將來，人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬仿真技術一定會得到突飛猛進的發(fā)展，而基于這些新興技術的虛擬仿真實驗教學平臺也會在眾多高校內(nèi)實現(xiàn)廣泛應用，使教學模式更優(yōu)化，教學方法多元化，教學體系現(xiàn)代化，為新醫(yī)科人才的培養(yǎng)注入力量。