郭黎,許爽,劉金霞,張馨心,謝征,張明娜(首都醫(yī)科大學(xué)護理學(xué)院,北京 100069)
“元宇宙(Meta verse)”一詞源于美國科幻作家尼爾·斯蒂芬森在1992年出版的科幻小說《雪崩》,書中描繪了一個與現(xiàn)實世界相互關(guān)聯(lián)的虛擬世界。2021年被稱為“元宇宙元年”,元宇宙在很多領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用,包括教育、傳媒、圖書館、出版、電影、藝術(shù)、保險、航空、煤礦等領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域,元宇宙的研究成果較多,不僅提出了教育元宇宙范式[1],還提出元宇宙可能是未來教育及在線教育的發(fā)展趨勢[2],作為元宇宙的教育應(yīng)用,教育元宇宙具有很大的應(yīng)用潛力[3]。面對元宇宙帶來的教學(xué)創(chuàng)新改革機遇[4],醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域也開始嘗試構(gòu)建醫(yī)學(xué)教育元宇宙,例如韓國首爾大學(xué)醫(yī)學(xué)院探究基于元宇宙的肺癌手術(shù)培訓(xùn)[5]。醫(yī)學(xué)教育元宇宙具備超時空性、交互性、沉浸性和創(chuàng)造性特征。它突破了物理世界和虛擬世界的邊界,提供了新的學(xué)習視角,可幫助醫(yī)學(xué)生開展知識、技能和情感學(xué)習[6]。傳統(tǒng)一對一手術(shù)教學(xué)實踐模式,受導(dǎo)師、病例、倫理、醫(yī)療安全等多種因素限制,而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用可以讓學(xué)生安全地進行操作訓(xùn)練,提高手術(shù)技能,降低患者安全風險。智慧實驗室以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等新興信息技術(shù)為基礎(chǔ),實現(xiàn)智慧化的教學(xué)科研活動,可以實現(xiàn)實驗室智能、安全、開放和高效運行,是實現(xiàn)教與學(xué)變革的基礎(chǔ),是創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式,提升人才培養(yǎng)質(zhì)量和水平的必然選擇。
我國助產(chǎn)專業(yè)本科教育相比于其他醫(yī)學(xué)專業(yè)起步較晚,但是日趨成熟的信息技術(shù)為助產(chǎn)專業(yè)帶來了很大的發(fā)展空間。在過去的十年里,我國大力發(fā)展助產(chǎn)本科教育,融入了國際助產(chǎn)士聯(lián)合會的先進思想,強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的核心勝任力,保障助產(chǎn)教育的先進性和科學(xué)性[7]。助產(chǎn)實訓(xùn)是培養(yǎng)高質(zhì)量助產(chǎn)人才的重要形式,將信息技術(shù)融入助產(chǎn)教學(xué),在元宇宙視域下構(gòu)建智慧助產(chǎn)實驗室,在實驗實訓(xùn)教學(xué)過程中,構(gòu)建起人與人、人與物、物與物交流互動的智慧化教學(xué)空間,促進人員、環(huán)境、設(shè)備、軟件、資源、技術(shù)等要素的有機融合,實現(xiàn)實驗室全面感知、互聯(lián)互通和智慧化管理[8],現(xiàn)將元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室的特征和實驗室設(shè)計思路報道如下。
元宇宙是整合通信技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實、區(qū)塊鏈等技術(shù)的新一代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,通過用戶自主創(chuàng)作內(nèi)容把現(xiàn)實世界的經(jīng)濟、社交、身份系統(tǒng)帶入虛擬世界中,塑造出虛實融合、虛實共生的新社會形態(tài)。元宇宙具有萬物交互、虛實融合、去中心化等特征[9]。元宇宙視域下構(gòu)建助產(chǎn)智慧實驗室可以創(chuàng)造與真實世界平行的虛擬空間,打破時空限制,為助產(chǎn)實訓(xùn)提供高沉浸感的場景,同時尊重現(xiàn)實世界法律、倫理、道德規(guī)則,不受外界條件束縛地開展學(xué)習、訓(xùn)練、分享等活動,包括開放學(xué)習空間、可視化教學(xué)、在線多元互動、智能安全管理等功能(見圖1)。
圖1 元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室特征與功能
1.1 元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室構(gòu)建開放學(xué)習空間 元宇宙在參與者身份、互動對象、學(xué)習方式、學(xué)習空間、交互方式、教學(xué)資源等方面具有明顯優(yōu)勢,元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室應(yīng)用信息技術(shù)如虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)、混合現(xiàn)實(MR)、全息投影技術(shù)、虛擬數(shù)字人等技術(shù),構(gòu)建元宇宙智慧學(xué)習空間,為學(xué)習者創(chuàng)造情景化學(xué)習體驗,如全息技術(shù)構(gòu)建不同的學(xué)習環(huán)境,學(xué)生可以選擇自己喜歡的虛擬數(shù)字人來講解理論和示教操作,可以選用VR或MR技術(shù)練習助產(chǎn)操作,也可以進行網(wǎng)絡(luò)社交,多人協(xié)作共同完成沉浸式的練習,不受時空限制,在開放學(xué)習空間實現(xiàn)沉浸體驗、虛擬仿真、虛實結(jié)合、溝通交流、虛實共生等多項功能,為學(xué)生提供個性化的學(xué)習環(huán)境。助產(chǎn)智慧實驗室融合了模糊集和云計算的理論,模糊集概念最初由美國Zadeh[10]教授提出,模糊集理論及其后的一系列拓展形式,如猶豫模糊集理論已經(jīng)應(yīng)用于教育領(lǐng)域[11],利用云計算的高效和便利,在模糊集合及相關(guān)拓展理論下,對學(xué)生自主學(xué)習進行偏好設(shè)置和評價。元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室更加科學(xué),為學(xué)生提供了更具個性化的學(xué)習體驗。
1.2 元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室實現(xiàn)可視化教學(xué) 元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室將信息技術(shù)與教育教學(xué)雙向融合,體現(xiàn)“學(xué)生主體、學(xué)習主動、教師主導(dǎo)、內(nèi)容主線”的可視化教學(xué),為學(xué)習者消除獲取信息、處理信息、應(yīng)用信息的障礙,從而實現(xiàn)高效與高質(zhì)的學(xué)與教[12]。助產(chǎn)智慧實驗室應(yīng)用信息技術(shù)將助產(chǎn)技能可視化,學(xué)生可以通過虛實結(jié)合的信息技術(shù)看到操作對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu),佩戴MR眼鏡或者VR操作手柄跟隨標準化的操作流程虛擬影像反復(fù)練習,如分娩機轉(zhuǎn)的學(xué)習和練習,學(xué)生通過佩戴MR眼鏡將不能透視的分娩模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化,通過MR技術(shù)將真實世界的分娩模型與虛擬的圖像相重合,視覺感受胎兒在母體內(nèi)銜接、下降、內(nèi)旋轉(zhuǎn)、俯屈的過程,配合可視化的分娩機轉(zhuǎn),觸覺感受胎兒仰伸、復(fù)位及外旋轉(zhuǎn)及胎肩娩出的過程,通過視覺和觸覺的直觀感受,虛實結(jié)合,將晦澀難懂的分娩機轉(zhuǎn)可視化,易于理解,便于掌握陰道分娩的接生要領(lǐng),同時教師可以通過第三人稱視角看到學(xué)生的練習過程,并進行指導(dǎo)和講解,將整個教學(xué)過程可視化,更直觀、更高效,不但實現(xiàn)高質(zhì)量的教學(xué),而且減輕了教師的教學(xué)負擔,保證了教學(xué)的同質(zhì)化。此外,元宇宙技術(shù)還可以模擬各種分娩情況,讓學(xué)生更好地了解和掌握分娩過程,提高他們的應(yīng)對能力。
1.3 元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室推動在線多元互動 利用元宇宙虛實融合的特性,可以進行不同場景的在線教學(xué),利用先進的技術(shù)和設(shè)備,提高虛擬環(huán)境的真實感和沉浸感,學(xué)生通過智慧實驗室平臺開展學(xué)習,靈活地切換不同場景,進行自主學(xué)習、團隊合作以及科研創(chuàng)新訓(xùn)練提高模擬訓(xùn)練的效果。元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室可以幫助教師根據(jù)教學(xué)需求對課程進行智能化設(shè)計,創(chuàng)設(shè)實驗情境,制定教學(xué)資源,動態(tài)更新教學(xué)方案和策略,優(yōu)化教學(xué)效果,課后進行動態(tài)反饋,共同完成“人機融合”教學(xué)。例如在虛擬課堂上教師和學(xué)生互動授課,學(xué)生也可以選擇虛擬數(shù)字人線上教學(xué),在助產(chǎn)實訓(xùn)中,學(xué)生以不同終端通過AR/VR/MR設(shè)備進行沉浸式一體化的虛擬學(xué)習空間多元互動等,圍繞教學(xué)實訓(xùn)、虛擬實驗、虛擬見習、思政教育等教學(xué)場景,推動多點協(xié)作教學(xué)、遠程互動教學(xué)、課后效果評價等多元互動在線教學(xué),這種模式也能擴展至助產(chǎn)士規(guī)范化培訓(xùn)等。
1.4 元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室智能安全管理 目前國內(nèi)外學(xué)者對實驗室安全評價體系和評價方法已經(jīng)展開了一系列研究和探索,有學(xué)者[13]從不同方面建立了電子實驗室風險評價體系進行風險辨識,并據(jù)此制定了安全檢查表確定實驗室風險等級。元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室通過云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等實現(xiàn)管控智能化,對儀器設(shè)備和實驗室環(huán)境各種信息進行采集、存儲、分析、處理,對實驗室安全風險進行評估和標識,并通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)學(xué)生進入實驗室前的安全培訓(xùn),讓學(xué)生在云端熟悉實驗室的布局,了解實驗室的安全等級;實驗教學(xué)過程中實現(xiàn)全方位“實時感知、動態(tài)控制和智慧管理”,如通過信息化設(shè)備,記錄學(xué)生在課堂上的表現(xiàn),以視頻的形式進行反饋,更加直觀和有針對性,便于學(xué)生理解和接受;實驗室管理人員可以通過終端對實驗室環(huán)境實時監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)異常,保證實驗室安全;實驗室管理人員也可以通過局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)進行智能管理,即便是離開校園也能動態(tài)監(jiān)控,根據(jù)課程需求設(shè)置實驗場景、準備實驗物品、設(shè)定模擬人參數(shù)等。
元宇宙的核心技術(shù)包括區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、通信技術(shù)、云和邊緣計算、高性能計算、物聯(lián)網(wǎng)和機器人技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等技術(shù)[14]。元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室架構(gòu)設(shè)計以GB/T36342-2018《智慧校園總體框架》[15]為參考,綜合基礎(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、硬件配置、數(shù)據(jù)平臺、軟件應(yīng)用、用戶訪問等各要素,設(shè)計統(tǒng)一規(guī)范、開放包容、互聯(lián)互通、共建共享、智能應(yīng)用為一體的新醫(yī)科高校智慧實驗室體系架構(gòu),包括基礎(chǔ)設(shè)備層、互聯(lián)傳輸層、支撐平臺層、應(yīng)用管理層、用戶終端層[16]。本研究結(jié)合元宇宙技術(shù)和助產(chǎn)智慧實驗室建設(shè)需求,將互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等有機融合于實驗室的管理和教學(xué)過程,基于互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建開放、互動、共享的綜合實驗信息平臺,基于智能控制技術(shù)構(gòu)建可視化、智能化的自動化管理和監(jiān)控,基于云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)實驗教學(xué)過程的可視化采集、傳輸、交互、評價、應(yīng)用和服務(wù),基于區(qū)塊鏈去中心化,實現(xiàn)多人協(xié)同、多角色共建的實驗場景。元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室架構(gòu)包括基礎(chǔ)層、平臺層、應(yīng)用層和用戶層,主要架構(gòu)如圖2所示。
圖2 元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室架構(gòu)
2.1 基礎(chǔ)層 該層是助產(chǎn)智慧實驗室基礎(chǔ)部分,由元宇宙環(huán)境和實驗室基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成,元宇宙環(huán)境由區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)共同構(gòu)成,實驗室基礎(chǔ)設(shè)施以實驗設(shè)備為載體,由實驗環(huán)境設(shè)備、實驗教學(xué)設(shè)備、實驗感應(yīng)設(shè)備組成[17],三者間通過信息感知技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集,實現(xiàn)智慧實驗室硬件環(huán)境的搭建。元宇宙環(huán)境與實驗室基礎(chǔ)設(shè)施之間相互交融,通過互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)搭建聯(lián)系通道,共同構(gòu)成助產(chǎn)智慧實驗室的物質(zhì)基礎(chǔ)。
2.2 平臺層 該層由智慧管理平臺、智慧教學(xué)平臺和數(shù)據(jù)運行平臺構(gòu)成,是助產(chǎn)智慧實驗室的核心數(shù)據(jù)支撐平臺。智能管理平臺具備智能管控、智能信息處理、智能信息反饋等功能,設(shè)定管理權(quán)限,執(zhí)行管理指令,將各軟件接口接入,使實驗室達到系統(tǒng)化的智能運行管理。智慧教學(xué)平臺是基于信息技術(shù)融合的專業(yè)知識、專業(yè)技能和多模態(tài)教學(xué)模式虛擬世界,可以進行線上課程開發(fā)與共享,虛擬仿真實驗的運行,以及多模態(tài)人機交互的智慧教學(xué)。數(shù)據(jù)運行平臺獲取數(shù)據(jù),集成數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)交換至智慧實驗平臺,深度整合數(shù)據(jù)資源,統(tǒng)一信息管理,主要包括身份認證、云計算與云存儲、數(shù)據(jù)庫、虛擬桌面、直播和錄播、大數(shù)據(jù)挖掘、服務(wù)器集群等基礎(chǔ)服務(wù),為實驗室的數(shù)據(jù)融合和服務(wù)奠定基礎(chǔ)[18]。數(shù)據(jù)運行平臺基于大數(shù)據(jù)的學(xué)習分析和挖掘,為助產(chǎn)學(xué)習者提供個性化適應(yīng)性內(nèi)容。
2.3 應(yīng)用層 應(yīng)用層包括智慧管理平臺和智慧教學(xué)平臺。智慧平臺基于大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù),對實驗室虛擬映像進行全方位分析,管理儀器設(shè)備、控制設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備以及門禁設(shè)備等,可通過互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)進行管理。校內(nèi)實驗人員可以通過有線局域網(wǎng)和無線局域網(wǎng)訪問應(yīng)用服務(wù)器獲取需要的信息,校外人員可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問,管理系統(tǒng)可以與門禁管理系統(tǒng)結(jié)合,也可以將訪問者身份與校園一卡通對接,實現(xiàn)學(xué)生考勤簽到、教師智能排課、實驗分組進行、實驗過程跟蹤監(jiān)控及實驗信息匯總統(tǒng)計等,實現(xiàn)師生之間、師生與設(shè)備之間、環(huán)境之間的智能交互。智慧教學(xué)平臺通過智慧實驗室建設(shè)支撐智慧教育的目的,開發(fā)沉浸式、靈活化的體驗課程,開發(fā)具象化、情景化的多模態(tài)學(xué)習資源,優(yōu)化教學(xué)資源庫,提升教學(xué)質(zhì)量。
2.4 用戶層 用戶層體現(xiàn)以元宇宙的去中心化的特點為依托的交互形式,用戶以不同身份參與,提供同伴討論與協(xié)作、非角色玩家交流等交互方式。在此基礎(chǔ)上,不同身份訪問者可以根據(jù)自身權(quán)限參與元宇宙助產(chǎn)智慧實驗室,例如有課程建設(shè)權(quán)限的訪問者可以共同參與沉浸式實驗課程建設(shè),多人協(xié)同完成教學(xué)目標、實驗操作流程、評價方式、注意事項等集體備課,利用元宇宙環(huán)境中不受現(xiàn)實世界的條件限制的特點,將臨床中的典型案例虛擬重現(xiàn),使助產(chǎn)教學(xué)更加貼近于臨床;實驗室技術(shù)人員權(quán)限的訪問者可以與供應(yīng)商進行交流,通過云展廳瀏覽供貨種類,查看實驗材料是否符合要求,按照流程進行采購;學(xué)習者身份的訪問者可以選擇角色進行沉浸式學(xué)習,通過單人操作或者是多人協(xié)同完成病例的治療和護理等。
元宇宙改變了現(xiàn)有的學(xué)習空間和教學(xué)模式,醫(yī)學(xué)教育元宇宙是在新醫(yī)科背景下,將信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、5G、區(qū)塊鏈等技術(shù)融入醫(yī)學(xué)教學(xué)。有研究[19]顯示,我國近10年助產(chǎn)領(lǐng)域研究熱點主要包括健康教育、循證護理、心理保健、延續(xù)性助產(chǎn)服務(wù)模式等。將助產(chǎn)領(lǐng)域研究熱點與助產(chǎn)本科教育相結(jié)合,將助產(chǎn)士核心勝任力與助產(chǎn)技能培訓(xùn)相結(jié)合,在元宇宙視域下構(gòu)建助產(chǎn)智慧實驗室,為師生創(chuàng)造安全、智慧、高效的學(xué)習環(huán)境,實現(xiàn)了教學(xué)資源的有效整合,實驗課程的智能安排,教學(xué)資源開放共享,以及大數(shù)據(jù)評價教學(xué)效果,也為師生和生生交流創(chuàng)造了無障礙條件,創(chuàng)設(shè)了沉浸式實驗教學(xué)情境,構(gòu)建了新型智慧教學(xué)空間,有利于提高助產(chǎn)教學(xué)質(zhì)量。同時助產(chǎn)智慧實驗室的構(gòu)建綜合了設(shè)備管理和人員管理等方面,并對實驗室安全風險進行評價。實驗室應(yīng)著重加強安全管理,完善管理規(guī)則和安全檢查系統(tǒng),定期開展安全培訓(xùn),提高應(yīng)急救援能力[20]。但是要注意元宇宙中的倫理道德和職業(yè)規(guī)范,通過助產(chǎn)智慧實驗室的發(fā)展,利用大數(shù)據(jù)對平臺數(shù)據(jù)進行分析和預(yù)測,不斷促進助產(chǎn)醫(yī)教技協(xié)同教學(xué)和產(chǎn)教研學(xué)用融合創(chuàng)新。