元宇宙時(shí)代下神經(jīng)病學(xué)教學(xué)模式創(chuàng)新初探

王共強(qiáng),馬心鋒,金 平,李 波,韓詠竹

(1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)神經(jīng)病學(xué)研究所,安徽 合肥 230038;2.安徽中醫(yī)藥大學(xué)神經(jīng)病學(xué)研究所附屬醫(yī)院,安徽 合肥 230061)

隨著人口的老齡化,神經(jīng)系統(tǒng)疾病的社會(huì)負(fù)擔(dān)也隨著發(fā)病率的日益增加而加重,神經(jīng)科醫(yī)生的職業(yè)需求與日俱增。元宇宙是一個(gè)融合真實(shí)世界和虛擬世界的三維(three dimensions, 3D)數(shù)字空間,被認(rèn)為是未來教育的一種新趨勢。以人工智能技術(shù)驅(qū)動(dòng)的自然語言處理工具為代表的新一代人工智能技術(shù)給全球高等教育帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn),加速了高等教育的變革。筆者嘗試對(duì)元宇宙時(shí)代下的臨床神經(jīng)病學(xué)教學(xué)模式的變革及體系構(gòu)建作一初步探索,以期為臨床神經(jīng)病學(xué)專業(yè)的高等教育創(chuàng)新提供新思路。

1 神經(jīng)病學(xué)教育現(xiàn)狀

人口老齡化的發(fā)展趨勢使帕金森病、阿爾茨海默病、腦卒中后遺癥等復(fù)雜難治性神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病率越來越高,已成為日益嚴(yán)重的醫(yī)療負(fù)擔(dān)和社會(huì)問題,這也給神經(jīng)科臨床醫(yī)療帶來新的挑戰(zhàn)。盡管致殘和致命的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的終生風(fēng)險(xiǎn)不斷增高,但攻讀神經(jīng)病學(xué)臨床專業(yè)的醫(yī)學(xué)生人數(shù)仍然在減少。在美國和歐洲,與其他臨床專業(yè)相比,新入職神經(jīng)科醫(yī)生的數(shù)量增長速度要慢得多。有研究[1]表明,預(yù)計(jì)到2025年,神經(jīng)科醫(yī)生的缺口將達(dá)到19%。為了彌補(bǔ)這一不足,并增加醫(yī)學(xué)生對(duì)從事神經(jīng)病學(xué)臨床醫(yī)療職業(yè)的興趣,有必要對(duì)神經(jīng)病學(xué)教育體系進(jìn)行評(píng)估和創(chuàng)新。神經(jīng)病學(xué)課程概念多、邏輯性強(qiáng),對(duì)教師和學(xué)生都具有挑戰(zhàn)性[2]。在過去的10年里,神經(jīng)病學(xué)教育也發(fā)生部分轉(zhuǎn)變,教育角色的分化越來越明顯,每個(gè)角色都有個(gè)性化的支持和期望模式。如在神經(jīng)解剖學(xué)教學(xué)中,由于缺少足夠的臨床前課程,學(xué)生無法及時(shí)適應(yīng)和熟悉新的術(shù)語,其感知知識(shí)的狀態(tài)大幅降低?；谂R床案例的教學(xué)方法對(duì)學(xué)生具有一定的吸引力,但需要教師耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備,這就造成在許多資源匱乏的教學(xué)環(huán)境中難以展開[3]。此外,對(duì)部分視覺空間能力較低的學(xué)生而言,從二維(two dimensions, 2D)空間轉(zhuǎn)換至3D空間也具有一定的難度。研究[4]發(fā)現(xiàn),使用網(wǎng)絡(luò)資源和計(jì)算機(jī)輔助學(xué)習(xí)可以有效增強(qiáng)醫(yī)學(xué)生對(duì)臨床神經(jīng)解剖學(xué)的理解,可作為神經(jīng)解剖學(xué)課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。教師還可通過移動(dòng)平臺(tái)將神經(jīng)解剖學(xué)教學(xué)課程內(nèi)容提前分發(fā)至學(xué)生,包括3D教程、臨床插圖、注釋圖像和工作表等,并引導(dǎo)學(xué)生展開積極的討論。

2 元宇宙與數(shù)字教學(xué)

目前,神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和治療正在發(fā)生巨大的轉(zhuǎn)變,基因療法、細(xì)胞療法等新型治療方法已經(jīng)出現(xiàn),神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用范圍正在擴(kuò)大,并且有更廣泛的治療方法可用于以前無法治療的疾病。數(shù)字醫(yī)學(xué)的成果已經(jīng)接近成熟,并將在現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中占據(jù)顯著地位。數(shù)字醫(yī)學(xué)在神經(jīng)病學(xué)的臨床診斷方面將發(fā)揮重要作用,如先進(jìn)的腦血管成像、復(fù)雜神經(jīng)系統(tǒng)疾病的遺傳學(xué)臨床轉(zhuǎn)化以及疾病治療相關(guān)信息檔案的自動(dòng)化。2022年2月中國首個(gè)“元宇宙醫(yī)學(xué)聯(lián)盟”在上海成立,元宇宙所帶來的的沉浸式體驗(yàn)受到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的極大關(guān)注。元宇宙可為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中眾多環(huán)節(jié),如手術(shù)前的模擬、手術(shù)預(yù)案的制定等提供有效和快速的診斷數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析,從而有利于醫(yī)生采取最佳治療策略。新型人工智能、可穿戴設(shè)備和傳感器可以顯著提高臨床診療的質(zhì)量。人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)軟件處理的大規(guī)模全基因組測序數(shù)據(jù)陣列推動(dòng)著臨床神經(jīng)病學(xué)向精準(zhǔn)醫(yī)療的模式轉(zhuǎn)變。成熟的數(shù)字醫(yī)學(xué)平臺(tái)可以推進(jìn)生物醫(yī)學(xué)研究,改善醫(yī)療保健系統(tǒng),降低公共衛(wèi)生相關(guān)成本,滿足患者對(duì)更快和更個(gè)性化醫(yī)療的需求,從而降低發(fā)病率,并為延長壽命和提高生活質(zhì)量以及降低死亡率創(chuàng)造先決條件[5]。

3 元宇宙教育模式的構(gòu)建

元宇宙不是單一技術(shù)的成果,而是多種先進(jìn)技術(shù)的融合所呈現(xiàn)的平行于現(xiàn)實(shí)世界且高度互通的虛擬世界。構(gòu)建元宇宙離不開虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality,AR)、數(shù)字孿生(digital twin,DT)、人工智能(artificial intelligence,AI)、第5代移動(dòng)通信技術(shù)(5th-generation mobile communication techonology, 5G)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的支持。目前,元宇宙被廣泛認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)的下一次發(fā)展,能夠全面提升高等教育的整體質(zhì)量,集中探索和積極應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、VR/AR、5G應(yīng)用等新型信息科技在教學(xué)場景的應(yīng)用,全方位賦能教育綜合改革[6]。在教育環(huán)境中,VR是元宇宙最常用的技術(shù),通過加強(qiáng)VR實(shí)驗(yàn)室與教育資源庫建設(shè)力度、創(chuàng)建前沿的VR實(shí)訓(xùn)室及體驗(yàn)中心,從而推進(jìn)沉浸式教育模式在日常教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。例如,其在外科手術(shù)、心臟病學(xué)和神經(jīng)病學(xué)中的應(yīng)用[7]。一些研究使用擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建解剖結(jié)構(gòu)的全息博物館,如眼球、腦靜脈系統(tǒng)、腦動(dòng)脈系統(tǒng)、腦神經(jīng)和大腦的各個(gè)部分,使其成為臨床教學(xué)的有用工具。采用VR可以為醫(yī)療保健專業(yè)人員提供解剖學(xué)指導(dǎo)和外科手術(shù)模擬方面的廣泛培訓(xùn),這些培訓(xùn)可以模擬和控制現(xiàn)實(shí)生活中難以復(fù)制的不同情況。與VR一樣,AR技術(shù)也可以用于臨床神經(jīng)病學(xué)教學(xué),與傳統(tǒng)神經(jīng)解剖教學(xué)相比,AR可以提供更完整的虛擬環(huán)境,在神經(jīng)解剖教學(xué)中可以實(shí)時(shí)顯示3D渲染圖像,同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)觸覺反饋等其他感官體驗(yàn)。AR系統(tǒng)的可視化實(shí)時(shí)操作和對(duì)學(xué)生的直接反饋,符合傳統(tǒng)解剖課技能訓(xùn)練的要求,有助于幫助學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí),且不受時(shí)間和空間的限制。元宇宙是一個(gè)多功能平臺(tái),近年來技術(shù)飛速發(fā)展使得知識(shí)的傳播更為快捷便利,包括基于視頻的講座、音頻課件、在線模塊、評(píng)估材料,甚至整個(gè)課程[8]。但目前在神經(jīng)病學(xué)教育創(chuàng)新方面大都還處于“較低層次”,包括側(cè)重于特定病例體驗(yàn)的教學(xué),更多強(qiáng)調(diào)問題解決和個(gè)人責(zé)任,而不是特定知識(shí)的學(xué)習(xí)過程。因此,神經(jīng)病學(xué)元宇宙教學(xué)模式體系構(gòu)建可以嘗試從以下兩個(gè)方面入手。

3.1 游戲化教學(xué) 游戲化教學(xué)讓學(xué)生在元宇宙中的神經(jīng)病學(xué)學(xué)習(xí)變得更加有趣,在元宇宙中創(chuàng)設(shè)的虛擬教學(xué)場景設(shè)置通關(guān)游戲,讓學(xué)生有強(qiáng)烈的參與感和成就感。游戲的復(fù)雜訓(xùn)練環(huán)境能夠改善大腦的可塑性及認(rèn)知能力的發(fā)展,并促進(jìn)學(xué)習(xí)。游戲促進(jìn)學(xué)習(xí)的機(jī)制被理解為游戲能夠增強(qiáng)人的學(xué)習(xí)能力,即學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的能力。如研究者將講授耳鼻喉科概念的游戲化模塊與傳統(tǒng)的幻燈片演示進(jìn)行對(duì)比測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于游戲的教育滿意度得分更高[9]。一種簡單有趣的教育方法——帽子游戲已被應(yīng)用于補(bǔ)充以教師為中心的課程,有研究通過“神經(jīng)病學(xué)帽子游戲”教學(xué)法向107名醫(yī)學(xué)生講授神經(jīng)病學(xué)的癥狀學(xué)課程,首先向?qū)W生發(fā)放寫有不同神經(jīng)病學(xué)癥狀或體征名稱的卡片,然后讓學(xué)生相互之間根據(jù)卡片上的癥狀或體征進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作描繪讓對(duì)方判斷。結(jié)果顯示,醫(yī)學(xué)生對(duì)這種教學(xué)方法滿意度較高,這樣的游戲互動(dòng)教學(xué)方法既能提高學(xué)習(xí)成績,又能激發(fā)積極性[10]。此外,還有研究者運(yùn)用在線多人角色扮演的游戲平臺(tái),通過交互式任務(wù),使虛擬角色參與基于臨床案例和健康相關(guān)的虛擬冒險(xiǎn)。這一教學(xué)方法特色在于讓學(xué)生嘗試在游戲中培養(yǎng)解決問題的技術(shù)因素能力,同時(shí)也讓教師思考在教學(xué)上如何利用好學(xué)生的感知挑戰(zhàn),如何通過把握游戲互動(dòng)中的靈活性來增加學(xué)生的知識(shí)體驗(yàn)。例如,玩探險(xiǎn)游戲可以增加與工作記憶能力對(duì)應(yīng)腦區(qū)的大腦灰質(zhì),而玩第一人稱射擊游戲能夠改變注意力的神經(jīng)認(rèn)知加工過程。通過游戲化教學(xué)和開發(fā)成功的共享資源,跨項(xiàng)目合作評(píng)估新的教學(xué)和學(xué)習(xí)方法,有助于快速推進(jìn)神經(jīng)病學(xué)教育改革。

3.2 虛擬講座與仿真化實(shí)踐 傳統(tǒng)的講座一直是醫(yī)學(xué)教學(xué)的核心方法。在許多現(xiàn)代醫(yī)學(xué)課程中,講座已經(jīng)逐漸被自主學(xué)習(xí)形式所取代,包括基于視頻的講座、基于計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)模塊和其他自主學(xué)習(xí),這些方法可能特別有利于神經(jīng)病學(xué)的教學(xué)。研究[11]表明,成本低廉、重點(diǎn)突出的神經(jīng)病學(xué)虛擬講座,因其互動(dòng)式和可視化的教學(xué)場景對(duì)醫(yī)學(xué)生評(píng)估和管理神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的知識(shí)和信心產(chǎn)生積極影響,可以進(jìn)一步增加學(xué)生對(duì)神經(jīng)病學(xué)的興趣,從而增強(qiáng)其治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的信心,促進(jìn)患者的康復(fù)。VR系統(tǒng)已經(jīng)被運(yùn)用于監(jiān)控疾病的康復(fù)過程。如運(yùn)用軟件系統(tǒng)提供骨科領(lǐng)域的VR培訓(xùn)和教學(xué)模塊,接受培訓(xùn)的學(xué)生可以在3D圖像中看到一系列外科手術(shù)演示,由于這一教學(xué)過程是虛擬的,學(xué)生可親自嘗試,并能得到指導(dǎo)教師的即時(shí)反饋以便再次嘗試和糾正[12-13]?？梢?新技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用將徹底改變醫(yī)學(xué)教學(xué)的諸多方面,也將解決現(xiàn)代教育的一些重要困局。翻轉(zhuǎn)課堂是一種新的混合學(xué)習(xí)教學(xué)模式,通過在課堂之外提供在線教學(xué)內(nèi)容來扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境,學(xué)生翻轉(zhuǎn)成為學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者,而教師的作用是教會(huì)學(xué)生如何去學(xué)習(xí)。如在翻轉(zhuǎn)課堂上讓學(xué)生主導(dǎo)神經(jīng)病學(xué)教學(xué)中的課程演示,例如,Babinski征、Lhermitte征等查體方法及臨床定位意義,以及帕金森病、阿爾茨海默病等疾病的發(fā)現(xiàn)過程及臨床特征,或者讓學(xué)生觀看在線講座,共同在線討論或在課堂外進(jìn)行研究,并在教師的指導(dǎo)下運(yùn)用所學(xué)的概念和技能。如今,翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法正逐漸在醫(yī)學(xué)教育中占據(jù)中心位置。如美國神經(jīng)病學(xué)學(xué)會(huì)開發(fā)的“共享課程生態(tài)系統(tǒng)”,內(nèi)容包括各種教學(xué)模塊、課程和評(píng)估工具等,這些高質(zhì)量的資源可以被學(xué)習(xí)者快速分類和搜索,以便可以獲得最佳的課程學(xué)習(xí)選項(xiàng),打破傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)界限。但是,目前翻轉(zhuǎn)課堂這種教育模式的實(shí)施對(duì)學(xué)生和教師來說仍然是一種挑戰(zhàn)[14]。

高度仿真的數(shù)字化虛擬教學(xué)設(shè)備能對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的自然規(guī)律及疾病發(fā)生進(jìn)行仿真模擬,讓學(xué)生通過操作這些教學(xué)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn),掌握所需知識(shí)和技能,為后期臨床實(shí)踐技能做準(zhǔn)備。學(xué)生只要戴上智能眼鏡,眼前就能夠投射出神經(jīng)系統(tǒng)的解剖網(wǎng)絡(luò),還可以用手勢調(diào)出每個(gè)部位的詳細(xì)信息,或者將圖像進(jìn)一步放大進(jìn)行細(xì)致地觀察。混合體驗(yàn)平臺(tái)允許不同地點(diǎn)的學(xué)生在包括混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備、VR頭盔、智能手機(jī)、個(gè)人電腦等各種設(shè)備中加入3D全息體驗(yàn),可以全方位沉浸式展示醫(yī)學(xué)生的“數(shù)字化身”聚集在一個(gè)全息模型周圍學(xué)習(xí)人體解剖學(xué),剝離肌肉層探求下面的組織結(jié)構(gòu)[15-16]。另外,神經(jīng)科學(xué)在人工智能方面具有關(guān)鍵作用,構(gòu)建了人工智能的靈感來源,包括模擬人類的智力和大腦結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),有助于理解人腦的工作原理。機(jī)器學(xué)習(xí)在涉及分析人類的思維時(shí),能夠識(shí)別復(fù)雜數(shù)據(jù)中的模式,破解數(shù)十億個(gè)大腦神經(jīng)元協(xié)同工作的秘密。目前,關(guān)于神經(jīng)病學(xué)家對(duì)基于人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)的感知和準(zhǔn)備的文獻(xiàn)很少,臨床醫(yī)生尤其是神經(jīng)科醫(yī)生很少有機(jī)會(huì)系統(tǒng)學(xué)習(xí)基于人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)方面的技術(shù)[17]。因此,需要開發(fā)一門實(shí)用的人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)課程,內(nèi)容包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器識(shí)別(情緒、語音、運(yùn)動(dòng))、神經(jīng)擬態(tài)視覺、大數(shù)據(jù)輔助診斷臨床決策支持與質(zhì)控管理等,以提高神經(jīng)病學(xué)臨床醫(yī)生在這些新技術(shù)方面的應(yīng)用能力。

4 總結(jié)與展望

良好醫(yī)學(xué)教育的未來才是臨床醫(yī)療健康發(fā)展的未來。數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步使神經(jīng)病學(xué)臨床教育實(shí)踐正在經(jīng)歷著模式的轉(zhuǎn)變。為了確保臨床醫(yī)療和教學(xué)質(zhì)量的平穩(wěn)過渡,神經(jīng)病學(xué)授課教師必須具備在臨床實(shí)踐中應(yīng)用這些新技術(shù)的知識(shí)和能力。隨著教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新,教師還必須考慮這些模式的變化會(huì)對(duì)每一位患者產(chǎn)生什么樣的影響。雖然在今后的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式以及教師如何參與這一教學(xué)創(chuàng)新過程方面會(huì)發(fā)生一些重大變化,但在充分運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革的同時(shí),應(yīng)該明確以人為本這一根本核心教學(xué)改革和教學(xué)創(chuàng)新的核心。元宇宙的發(fā)展雖然對(duì)神經(jīng)病學(xué)教育有著深遠(yuǎn)的影響,但更為重要的是處理好教師和學(xué)生、導(dǎo)師和被指導(dǎo)者、教育項(xiàng)目和社會(huì),尤其是醫(yī)生和患者之間的關(guān)系。