新工科背景下醫(yī)學(xué)院校虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)方法探究

摘 要：為適應(yīng)新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程建設(shè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，培養(yǎng)綜合型工科人才，對(duì)當(dāng)前醫(yī)學(xué)院校工科教學(xué)建設(shè)中存在的問題進(jìn)行研究。虛擬仿真教學(xué)作為新型教學(xué)方法，在提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的同時(shí)，起到專業(yè)課課程個(gè)性化的效果。結(jié)合蚌埠醫(yī)科大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程教學(xué)實(shí)踐，重點(diǎn)探討虛擬仿真教學(xué)在嵌入式課程中的體系建設(shè)，為醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程的虛擬仿真教學(xué)提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：新工科；醫(yī)學(xué)院校；教學(xué)實(shí)踐；虛擬仿真教學(xué)；物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)；輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-0-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)已經(jīng)成為了現(xiàn)代高等教育領(lǐng)域中的熱門專業(yè)之一[1]。在醫(yī)學(xué)院校中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于智慧醫(yī)療健康、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域，成為醫(yī)學(xué)院校中一個(gè)重要的學(xué)科方向[2-3]。如何有效進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)，培養(yǎng)醫(yī)學(xué)院校學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用能力，成為了當(dāng)前新工科下教育教學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。醫(yī)學(xué)院校學(xué)生需要掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子信息技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，還需要掌握醫(yī)學(xué)概論和醫(yī)學(xué)圖像處理等方面的知識(shí)。其知識(shí)領(lǐng)域跨越較大，涉及計(jì)算機(jī)、電子信息工程和智能醫(yī)學(xué)等學(xué)科，教學(xué)模式亟待改進(jìn)。

虛擬仿真技術(shù)作為一種新型教學(xué)手段，在現(xiàn)代高等教育中得到了廣泛應(yīng)用，通過建立虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，將現(xiàn)實(shí)中的傳感器和執(zhí)行器等物理設(shè)備進(jìn)行虛擬表示，并完成不同場(chǎng)景下的開發(fā)測(cè)試，從而幫助學(xué)生更加深入地理解和掌握課程內(nèi)容，提高學(xué)生的實(shí)踐能力、合作能力和創(chuàng)新能力。同時(shí)，還可以有效幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域中的原理與應(yīng)用。

因此，研究新工科背景下的虛擬仿真教學(xué)方法，對(duì)于提高醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程教學(xué)效果，培養(yǎng)醫(yī)學(xué)院校綜合型工科人才具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課堂理論與實(shí)踐脫節(jié)

傳統(tǒng)課堂教學(xué)只注重理論知識(shí)的傳授，對(duì)實(shí)踐教學(xué)往往重視不足，存在理論與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象，這樣學(xué)生無法真正理解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際醫(yī)學(xué)場(chǎng)景中的應(yīng)用。具體表現(xiàn)在教師在授課中只是系統(tǒng)講解課本理論知識(shí)，而沒有為學(xué)生提供充足的實(shí)踐機(jī)會(huì)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，涉及領(lǐng)域眾多，理論知識(shí)本身很難涵蓋所有實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。只有通過實(shí)踐教學(xué)才能真正掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)方式。在醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)中，實(shí)踐教學(xué)存在以下問題：

（1）缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器，難以提供足夠的實(shí)踐環(huán)境；

（2）缺少系統(tǒng)性的實(shí)踐課程培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)中缺乏相關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，無法有效完成實(shí)踐任務(wù)，難以掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用；

（3）教師在實(shí)踐教學(xué)中指導(dǎo)不足，影響了學(xué)生的實(shí)踐效果。

因此，醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程需要加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，提供足夠的實(shí)踐機(jī)會(huì)和環(huán)境，并引導(dǎo)學(xué)生深入實(shí)踐，進(jìn)而加強(qiáng)課堂理論和實(shí)踐的深度融合。

1.2 項(xiàng)目實(shí)踐少

課程中缺少對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的案例分析和實(shí)踐操作，學(xué)生缺乏相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和解決問題的能力。在醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程教學(xué)中，綜合項(xiàng)目實(shí)踐較少，即缺少將理論知識(shí)應(yīng)用到具體項(xiàng)目中的機(jī)會(huì)[4]。具體表現(xiàn)在學(xué)生只是被要求完成課本上一些簡單的實(shí)驗(yàn)或者編寫一些小程序，而缺乏更具挑戰(zhàn)性和實(shí)際應(yīng)用性的項(xiàng)目實(shí)踐。這種情況可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生只是單純地理解理論知識(shí)，卻無法將其應(yīng)用到實(shí)際中。長此以往，學(xué)生對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的理解和掌握就不夠深入和全面，很難達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平。此外，缺乏項(xiàng)目實(shí)踐也可能導(dǎo)致學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)際應(yīng)用需求認(rèn)識(shí)不足，難以充分了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用價(jià)值和創(chuàng)新空間。

因此，在專業(yè)課教學(xué)中，應(yīng)該加強(qiáng)項(xiàng)目實(shí)踐的內(nèi)容，設(shè)計(jì)更加具有挑戰(zhàn)性和實(shí)際應(yīng)用性的項(xiàng)目，并提供充足的實(shí)踐機(jī)會(huì)和教學(xué)資源[5-6]。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，促進(jìn)他們更好地理解和掌握嵌入式技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)其對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新意識(shí)和能力。

1.3 缺乏跨學(xué)科融合

醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程的教學(xué)往往缺乏跨學(xué)科融合，無法滿足醫(yī)學(xué)院校復(fù)合型人才的需求。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)和技能，如計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子工程、通信工程等，因此跨學(xué)科融合的重要性不可忽視。當(dāng)前醫(yī)學(xué)院校嵌入式課程教學(xué)中，跨學(xué)科融合存在一些問題，如跨學(xué)科融合意識(shí)缺乏，教師在課堂教學(xué)過程中往往只強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的傳授，而忽略了與其他學(xué)科的交叉融合，這使得學(xué)生難以從多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的角度去理解和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[7]；缺乏跨學(xué)科融合的教學(xué)內(nèi)容，在專業(yè)課程教學(xué)中，教師往往只考慮到計(jì)算機(jī)科學(xué)和電子工程等單一學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，忽略了其他學(xué)科領(lǐng)域的重要性，這導(dǎo)致學(xué)生缺乏對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與多學(xué)科融合的全面理解；缺乏跨學(xué)科融合的實(shí)踐機(jī)會(huì)。在課程實(shí)踐中，缺少其他學(xué)科領(lǐng)域的教師或?qū)I(yè)人員的參與，這限制了學(xué)生跨學(xué)科交流和協(xié)作的機(jī)會(huì)，難以體驗(yàn)多學(xué)科融合的工程實(shí)踐過程。為加強(qiáng)跨學(xué)科融合，醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程教學(xué)需要設(shè)計(jì)跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的教師或?qū)I(yè)人員參與課程實(shí)踐教學(xué)，并在實(shí)踐中提供多學(xué)科協(xié)作機(jī)會(huì)，促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科融合能力的提升。

1.4 缺少個(gè)性化教學(xué)

在課程教學(xué)過程中，個(gè)性化教學(xué)的重要性不容忽視，個(gè)性化教學(xué)可以針對(duì)每個(gè)學(xué)生的不同需求和特點(diǎn)，提供不同的教學(xué)方式和資源，進(jìn)而幫助學(xué)生更好地理解和掌握物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)知識(shí)[8]。然而醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程缺乏個(gè)性化教學(xué)，無法滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和差異化發(fā)展。如缺乏針對(duì)性的評(píng)估和診斷機(jī)制，在專業(yè)課程教學(xué)過程中，沒有對(duì)學(xué)生的個(gè)性化需求和水平進(jìn)行全面評(píng)估和診斷，導(dǎo)致教學(xué)方法和資源無法針對(duì)性匹配學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。其次，多樣化的教學(xué)方式和資源缺乏，傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法針對(duì)不同學(xué)生的需求和特點(diǎn)提供多樣化的教學(xué)方式和資源。缺乏有效的反饋和跟蹤機(jī)制，無法及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和問題，無法針對(duì)性調(diào)整教學(xué)策略和資源。為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)，醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程教學(xué)需要建立全面的評(píng)估和診斷機(jī)制，提供多樣化的教學(xué)方式和資源，建立有效的反饋和跟蹤機(jī)制，從而提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

1.5 教學(xué)資源匱乏

由于醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程教學(xué)資源相對(duì)匱乏，缺少先進(jìn)的嵌入式實(shí)驗(yàn)設(shè)備，會(huì)影響學(xué)生的實(shí)踐能力和實(shí)驗(yàn)水

平[9]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，相關(guān)教材和參考書籍也需要及時(shí)更新。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展需要全球化的資源共享和交流，如果醫(yī)學(xué)院校無法提供足夠的在線資源，學(xué)生將無法及時(shí)了解最新的技術(shù)發(fā)展和趨勢(shì)，影響學(xué)習(xí)效果。醫(yī)學(xué)院校需要積極探索多種途徑，尋求外部資源支持，提升教學(xué)水平和質(zhì)量。例如，建立產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，引入企業(yè)和行業(yè)資源，或者通過在線課程平臺(tái)和資源庫等方式提供優(yōu)秀的在線資源，以充實(shí)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程的教學(xué)資源庫。

2 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式探索與實(shí)踐

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是學(xué)科與信息技術(shù)深度結(jié)合的產(chǎn)物，其利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)硬件建立虛擬教學(xué)環(huán)境，從而完成輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)[10]。其主要特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：

（1）互動(dòng)性強(qiáng)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式一般采用教師教、學(xué)生學(xué)的模式。在這種模式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)往往過于被動(dòng)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)到較少和不全面的知識(shí)，這對(duì)學(xué)生的全面發(fā)展有一定的障礙。在虛擬模擬教學(xué)系統(tǒng)下，教與學(xué)雙向互動(dòng)的教學(xué)模式更加注重教學(xué)內(nèi)容，有利于學(xué)生和教師自主表達(dá)學(xué)習(xí)意見和觀點(diǎn)，從而進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)課程的興趣與學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

（2）興趣度高。在平時(shí)的課程教學(xué)中，教師可以向?qū)W生展示模擬示例，引導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)踐，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，幫助學(xué)生充分理解和掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，或激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)作動(dòng)機(jī)。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有更多的優(yōu)勢(shì)。

（3）安全性高。虛擬模擬實(shí)驗(yàn)涵蓋了各方面使用的設(shè)備和知識(shí)，例如有毒和有害物質(zhì)，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中完成高破壞性的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)確保實(shí)驗(yàn)者的安全，同時(shí)也可以獲得所需的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 嵌入式虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

嵌入式課程是一個(gè)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，而虛擬仿真技術(shù)可以提供一種更加安全、便捷、經(jīng)濟(jì)的實(shí)踐方式。通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行實(shí)踐操作，增強(qiáng)實(shí)踐能力，提高技能水平。具有以下特點(diǎn)：

（1）提高課程的教學(xué)質(zhì)量：虛擬仿真技術(shù)可以模擬真實(shí)的場(chǎng)景和情況，使學(xué)生更好地理解和掌握課程內(nèi)容。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)可以隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)和鞏固知識(shí)點(diǎn)。

（2）提高教學(xué)效率：虛擬仿真技術(shù)可以節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)設(shè)備和人力資源，同時(shí)可以在不受時(shí)間、空間等限制的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從而提高教學(xué)效率。

（3）適應(yīng)嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展：虛擬仿真技術(shù)可以隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展不斷更新，與時(shí)俱進(jìn)。因此，通過虛擬仿真教學(xué)可以更好地適應(yīng)嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展和變化。

如圖1所示，嵌入式虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，感知層主要對(duì)相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的嵌入式設(shè)備進(jìn)行管理和分類；網(wǎng)絡(luò)層則將這些協(xié)同工作的物理組件進(jìn)行硬件虛擬化，模擬出對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下物理執(zhí)行器的行為并采用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬數(shù)據(jù)，然后傳輸至中心服務(wù)器；應(yīng)用層模塊主要由系統(tǒng)管理模塊、教師Web端模塊和學(xué)生客戶端模塊組成，學(xué)生客戶端模塊主要用于開發(fā)和測(cè)試物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，利用可視化和分析模擬系統(tǒng)完成相關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)。

綜上所述，醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程虛擬仿真教學(xué)具有較強(qiáng)的必要性，可以提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力以及課程的教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)也適應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)的快速發(fā)展。嵌入式虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容體系設(shè)計(jì)見表1所列。

3 結(jié) 語

文中探究了在新工科背景下，醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程教學(xué)存在的不足，提出了以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的教學(xué)模式，并詳細(xì)闡述了該模式在“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)”課程中的應(yīng)用，得出在實(shí)踐教學(xué)過程中使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)際操作能力的結(jié)論，使實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間限制，解決了設(shè)備不足等問題，進(jìn)一步提高了醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]祝玉軍，何昕，方群，等.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)模式研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（5）：157-158.

[2]冉鵬，謝金潔.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022，12（8）：88-89.

[3]陳芝宜，劉家紅，方俞文.醫(yī)療健康物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)探討[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2023，18（3）：35-41.

[4]殷華.新工科背景下地方院校物聯(lián)網(wǎng)工程人才培養(yǎng)探索[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（52）：29-32.

[5]徐學(xué)紅，郭秀峰.新工科背景下地方高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)探索[J].信息系統(tǒng)工程，2021，34（1）：167-168.

[6]雷用敏，吳勁蕓.新工科背景下醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（5）：121-122.

[7]孫謙，朱文婕.新工科背景下“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐[J].長春師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，40（12）：150-153.

[8]孔曉榮，孔祥斌.新工科背景下醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新探索[J].醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志，2020，41（8）：89-92.

[9]楊飛，王常青，彭振皖，等.新工科背景下醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)實(shí)踐探索[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2022，39（2）：73-76.

[10]高彬，王洪峰.新工科背景下非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革研究[J].大學(xué)教育，2022，11（12）：109-112.

基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程教學(xué)研究項(xiàng)目（2022 jyxm979）；安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程教學(xué)研究項(xiàng)目（2020jyxm1814）

作者簡介：楊大禹（1990—），男，博士，講師，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療信息系統(tǒng)、云計(jì)算。