醫(yī)學(xué)生理學(xué)虛擬仿真項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白曉潔,封啟龍,燕 子,王 瑾

(山西醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)系, 太原 030001)

生理學(xué)是醫(yī)學(xué)生一門(mén)重要的基礎(chǔ)課程。該課程實(shí)踐性很強(qiáng),幾乎每一個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)都有科學(xué)實(shí)驗(yàn)的支撐。同時(shí),生理學(xué)教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)涵豐富,可以拓展的方向很多。如何更好地延伸課堂教學(xué),呈現(xiàn)給學(xué)生不同方式的課程體驗(yàn),與教學(xué)輔助技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。最初,知識(shí)的獲取主要依靠教師的語(yǔ)言描述,輔以?huà)靾D、投影、教具等。隨著多媒體技術(shù)進(jìn)入課堂,教師可以在教學(xué)過(guò)程中引入動(dòng)畫(huà)、視頻、音頻等,讓課本上枯燥的文字、圖片可視化、可聽(tīng)化,變得生動(dòng)起來(lái)。但是這些視聽(tīng)資料多源于網(wǎng)絡(luò),不能完全匹配教學(xué)要求。對(duì)學(xué)生而言,也是被動(dòng)觀看,缺少參與度,教學(xué)效果仍然欠佳。

虛擬仿真技術(shù)又稱(chēng)靈境技術(shù)或人工環(huán)境,是一種由計(jì)算機(jī)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng),旨在利用計(jì)算機(jī)生成關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬人為環(huán)境,并能與之“交互”[1]。在生理學(xué)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù),將部分授課內(nèi)容情境化、可視化,并且實(shí)現(xiàn)人機(jī)交融和互動(dòng),對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式將是重要的補(bǔ)充和進(jìn)階,對(duì)于“早臨床,早科研,早社會(huì)”教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也具有非常重要的意義。但是,虛擬仿真只是一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù),教師想要充分地、有意義地將其應(yīng)用于實(shí)際工作,需要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行精心構(gòu)思和合理設(shè)計(jì)。本文以“心功能的評(píng)價(jià)”項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和建設(shè)為例,對(duì)生理學(xué)虛擬仿真項(xiàng)目的選題、設(shè)計(jì)方案以及技術(shù)應(yīng)用等方面進(jìn)行探討,為虛擬仿真技術(shù)更好地服務(wù)于生理學(xué)教學(xué)提供借鑒和參考。

1 生理學(xué)虛擬仿真項(xiàng)目要基于實(shí)際教學(xué)需求,不做“科技秀”

虛擬仿真項(xiàng)目制作成本較高、需要特定的平臺(tái)和技術(shù)支持,不可能應(yīng)用于每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。因此,教師在教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù),要以服務(wù)于人才培養(yǎng)為目的,而不是簡(jiǎn)單的追求“科技秀”。項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要確定的第一個(gè)重要因素就是該項(xiàng)目的主旨內(nèi)容及使用虛擬仿真技術(shù)的必要性。

以血液循環(huán)一章為例,這一章在授課過(guò)程中重點(diǎn)、難點(diǎn)較多,也有很多與科研實(shí)驗(yàn)、臨床診斷、治療的交融點(diǎn),單純靠教師講授很難達(dá)到最佳教學(xué)效果?！靶墓δ艿脑u(píng)價(jià)”部分是在結(jié)束心臟泵血功能基礎(chǔ)知識(shí)講授后,向?qū)W生介紹臨床和科研實(shí)際工作中心功能評(píng)價(jià)的常用方法和技術(shù)指標(biāo)。受場(chǎng)地、環(huán)境以及其他條件限制,真實(shí)場(chǎng)景教學(xué)不可能完全實(shí)現(xiàn)。因此,我們以該知識(shí)點(diǎn)為虛擬仿真項(xiàng)目的選題,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“心功能的評(píng)價(jià)-基礎(chǔ)與臨床整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要包括臨床心功能評(píng)價(jià)技術(shù)心導(dǎo)管術(shù)和超聲心動(dòng)圖以及基礎(chǔ)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)經(jīng)頸總動(dòng)脈心室內(nèi)壓力測(cè)定技術(shù),結(jié)合基礎(chǔ)知識(shí)的虛擬仿真展示和人機(jī)互動(dòng)的進(jìn)階式引導(dǎo)和測(cè)試,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,以提升教學(xué)效果。

2 生理學(xué)虛擬仿真項(xiàng)目不是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的替代品,項(xiàng)目設(shè)計(jì)要避免重操作、輕思考

生理學(xué)的教學(xué)任務(wù)包含理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要對(duì)象是動(dòng)物,如蛙類(lèi)和家兔。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖紫仁亲寣W(xué)生掌握一些經(jīng)典的生理功能檢測(cè)方法,實(shí)際操作必不可少,虛擬仿真技術(shù)不能完全替代。所以,實(shí)驗(yàn)條件具備的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和部分人體無(wú)創(chuàng)生理功能實(shí)驗(yàn)本著能實(shí)不虛的原則,無(wú)需進(jìn)行虛擬仿真項(xiàng)目的建設(shè)?？梢?jiàn),生理學(xué)虛擬仿真項(xiàng)目不是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的替代品。充分利用虛擬仿真技術(shù)服務(wù)于生理學(xué)教學(xué),精心設(shè)計(jì)非常重要[2]。

在我們?cè)O(shè)計(jì)的“心功能的評(píng)價(jià)”虛擬仿真項(xiàng)目中,引入了兩項(xiàng)臨床心功能檢查的技術(shù):心導(dǎo)管術(shù)和超聲心動(dòng)圖。從專(zhuān)業(yè)技能角度,這兩項(xiàng)技術(shù)知識(shí)點(diǎn)非常多,從適應(yīng)證,到操作流程、技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)設(shè)置等,非常復(fù)雜,這些內(nèi)容大多不屬于生理學(xué)教學(xué)范疇。所以,在虛擬仿真項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí),我們把握生理學(xué)“心功能的評(píng)價(jià)”部分的教學(xué)重點(diǎn),結(jié)合這兩項(xiàng)技術(shù)的特征,心導(dǎo)管術(shù)主要選擇心血管各部位的壓力測(cè)定,獲取壓力曲線評(píng)價(jià)心臟功能。超聲心動(dòng)圖選擇了兩個(gè)心功能評(píng)價(jià)的常用指標(biāo),即評(píng)價(jià)收縮功能的EF值和評(píng)價(jià)舒張功能的E/A比值,簡(jiǎn)要介紹了獲取這兩個(gè)數(shù)值的基本過(guò)程。同時(shí),在項(xiàng)目中融入課程思政和醫(yī)學(xué)倫理教育,每個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)背后都隱含著教學(xué)目標(biāo),啟發(fā)學(xué)生積極思考。如心導(dǎo)管術(shù)開(kāi)篇介紹時(shí),我們給學(xué)生講述了“心導(dǎo)管之父福斯曼”在自己身上進(jìn)行心導(dǎo)管試驗(yàn)的故事,希望學(xué)生了解科學(xué)的每一個(gè)進(jìn)步都來(lái)之不易,需要為科學(xué)獻(xiàn)身的精神、對(duì)科學(xué)的無(wú)比熱愛(ài)以及過(guò)人的勇氣、膽識(shí)和堅(jiān)強(qiáng)的意志。心導(dǎo)管術(shù)是一項(xiàng)有創(chuàng)性檢查,在術(shù)前需要與患者或家屬進(jìn)行談話(huà)。我們?cè)谔摂M仿真項(xiàng)目里通過(guò)選擇題的方式讓學(xué)生思考與患者溝通的內(nèi)容,初步進(jìn)行臨床思維的培養(yǎng)。

3 生理學(xué)虛擬仿真項(xiàng)目盡可能做到“虛實(shí)結(jié)合”

虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)上的應(yīng)用要把握能實(shí)不虛、以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合的原則,著力解決教學(xué)目標(biāo)要求但現(xiàn)實(shí)條件不具備,或涉及高危、極端環(huán)境(醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)涉及倫理問(wèn)題)、高成本、高消耗等問(wèn)題[3]。因此,能以真實(shí)情境實(shí)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容盡量采用線下形式,虛擬仿真技術(shù)只是真實(shí)教學(xué)的補(bǔ)充和輔助。這是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基本理念。另外,一些虛擬仿真項(xiàng)目是基于某些實(shí)驗(yàn)或技術(shù)一次性操作成功概率不高,需要反復(fù)練習(xí),不斷糾錯(cuò)糾偏才能完成,這種類(lèi)型的項(xiàng)目可以采取虛實(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì),既節(jié)約了實(shí)驗(yàn)材料(如實(shí)驗(yàn)動(dòng)物),打破了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制,允許學(xué)生反復(fù)練習(xí),也可以讓學(xué)生有在真實(shí)環(huán)境中學(xué)習(xí)技能的機(jī)會(huì)。

在“心功能的評(píng)價(jià)”項(xiàng)目中,臨床心功能評(píng)價(jià)技術(shù)(心導(dǎo)管術(shù)和超聲心動(dòng)圖)需要專(zhuān)業(yè)人員方可操作,檢查現(xiàn)場(chǎng)也不適合大批量人員觀摩。因此,該部分內(nèi)容設(shè)計(jì)為完全虛擬仿真,并且緊扣生理學(xué)教學(xué)目標(biāo),選擇與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的指標(biāo)測(cè)定為學(xué)習(xí)內(nèi)容。而動(dòng)物心功能評(píng)價(jià)部分,我們采用虛實(shí)結(jié)合的方式。經(jīng)頸總動(dòng)脈左心室插管術(shù)需要一定的手術(shù)技巧,在有限的實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)中完成困難。因此,我們利用虛擬仿真技術(shù),設(shè)置實(shí)驗(yàn)步驟提醒,引導(dǎo)學(xué)生在線上完成實(shí)驗(yàn),記錄到左心室壓力曲線,完成指標(biāo)測(cè)定。學(xué)生完成線上學(xué)習(xí)后,可申請(qǐng)和預(yù)約線下真實(shí)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。在這部分內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí),我們給學(xué)生提供錄制好的真實(shí)實(shí)驗(yàn)小視頻,有助于學(xué)生更好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

4 生理學(xué)虛擬仿真項(xiàng)目可以充分利用三維可視化技術(shù),助力學(xué)生化難為易

與技能實(shí)訓(xùn)課不同,生理學(xué)教學(xué)中引入某些臨床診療技術(shù)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的目的是為了更好地幫助學(xué)習(xí)特定的理論知識(shí),其操作的具體過(guò)程和細(xì)節(jié)并不是教學(xué)重點(diǎn)。技術(shù)或?qū)嶒?yàn)的設(shè)計(jì)原理、獲得指標(biāo)的意義等才是我們應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注的問(wèn)題。而這些知識(shí)點(diǎn)即使是到現(xiàn)場(chǎng)觀摩實(shí)習(xí),多數(shù)也只能依靠講解來(lái)完成,教學(xué)效果一般。

三維(3D)可視化是一種高級(jí)圖像處理和數(shù)據(jù)顯示技術(shù),通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件,將多組相關(guān)二維數(shù)據(jù)重建為三維立體化模型,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)特點(diǎn)和內(nèi)涵更直觀、更深入的理解[4]。在生理學(xué)虛擬仿真項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中,我們可以充分借助三維可視化技術(shù),將某些在真實(shí)情境下無(wú)法直觀看到的界面展示給學(xué)生,幫助學(xué)生理解和掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。從這個(gè)角度可以說(shuō),虛擬仿真項(xiàng)目不僅是真實(shí)教學(xué)的有力補(bǔ)充和輔助,一些先進(jìn)技術(shù)手段(如三維可視化)的應(yīng)用也使虛擬仿真教學(xué)在某些方面擁有了真實(shí)教學(xué)不具備的教學(xué)功能。

如前所述,心導(dǎo)管術(shù)是我們?cè)O(shè)計(jì)的“心功能的評(píng)價(jià)”虛擬仿真項(xiàng)目中的臨床技術(shù)之一,包括右心導(dǎo)管術(shù)和左心導(dǎo)管術(shù),具有不同的臨床適應(yīng)證、穿刺部位和導(dǎo)管路徑。我們采用了三維可視化技術(shù),可以清楚地看到導(dǎo)管從穿刺部位進(jìn)入后在心血管的走行路徑,特別是進(jìn)入心臟后,在收縮和舒張狀態(tài)下同步顯示導(dǎo)管進(jìn)入的位置和記錄到的壓力曲線,對(duì)于學(xué)生理解心導(dǎo)管術(shù)的過(guò)程和記錄指標(biāo)的臨床意義非常有幫助。在另一種臨床技術(shù):超聲心動(dòng)圖的設(shè)計(jì)中,我們同樣采用三維可視化技術(shù)顯示胸骨旁左心室長(zhǎng)軸切面和心尖四腔切面的探頭位置和切面對(duì)應(yīng)的心臟解剖區(qū)域。這樣的設(shè)計(jì),直觀、清晰、簡(jiǎn)單明了地詮釋了抽象的知識(shí),顯著提高了教學(xué)效率。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真設(shè)計(jì)中,三維可視化技術(shù)同樣清楚顯示了插管經(jīng)頸總動(dòng)脈插入心室的路徑。而在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中,這個(gè)過(guò)程完全是盲插,依靠操作人員的手感進(jìn)行。通過(guò)可視化技術(shù),學(xué)生了解了插管在行進(jìn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)的結(jié)構(gòu)和位置,建立“手感”時(shí)更具理論基礎(chǔ),有助于真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)更快速、更準(zhǔn)確地完成。

虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn),使教學(xué)形式多了一種新的選擇。合理利用虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目,能夠優(yōu)化教學(xué)過(guò)程,幫助學(xué)生快速掌握教學(xué)內(nèi)容。但是,先進(jìn)的技術(shù)需要賦予其有價(jià)值的內(nèi)涵,設(shè)計(jì)是虛擬仿真項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。生理學(xué)作為一門(mén)與臨床密切相關(guān)、又是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的課程,需要更多途徑充實(shí)實(shí)踐教學(xué),虛擬仿真是一種可行的方式。教師作為項(xiàng)目設(shè)計(jì)的主要人員,要以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向,貼合教學(xué)內(nèi)容,注重思維培養(yǎng),合理利用先進(jìn)的多媒體技術(shù),虛實(shí)結(jié)合,使虛擬仿真項(xiàng)目更好地為教學(xué)服務(wù)。