信息化巧解醫(yī)學(xué)實驗難題

■本期關(guān)注：虛擬仿真教學(xué)

編者按

虛擬仿真教學(xué)是信息化背景下出現(xiàn)的新教學(xué)模式，推動了教學(xué)改革，提升了教育質(zhì)量。虛擬仿真教學(xué)資源有哪些特點？如何開發(fā)？如何助力教師教學(xué)創(chuàng)新？本期?？l(fā)記者采訪報道，并邀請專家就上述問題進(jìn)行研討。

近10個月，訪問量過2.3萬人次，實驗人次過0.5萬，評價2200多條……新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院副教授趙俊強(qiáng)打開國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺網(wǎng)頁，向記者展示了他帶領(lǐng)團(tuán)隊研發(fā)的“植入式心臟起搏器構(gòu)造及工作原理虛擬仿真實驗”教學(xué)系統(tǒng)的使用和評價情況?！爸踩胧叫呐K起搏器價格昂貴，在教學(xué)實驗中一次毀壞性教學(xué)成本太高，目前國內(nèi)還沒有高校購買實物開展實驗教學(xué)。我們團(tuán)隊研發(fā)的這項系統(tǒng)能夠有效解決這個堵點問題，也填補(bǔ)了國內(nèi)心臟起搏器虛擬仿真教學(xué)實驗的空白。”趙俊強(qiáng)說。

2022年4月，河南省高等教育教學(xué)成果獎揭曉，趙俊強(qiáng)主持的“新醫(yī)科建設(shè)背景下虛擬仿真‘金課’資源共建共享模式研究”獲特等獎，而“植入式心臟起搏器構(gòu)造及工作原理虛擬仿真實驗”教學(xué)系統(tǒng)便是在這一共建共享模式指導(dǎo)下產(chǎn)生的應(yīng)用成果之一。

校企聯(lián)合研發(fā)

解決實驗教學(xué)“堵點”問題

在實驗教學(xué)中，由于時間固定、空間受限、資源不足等問題，大量醫(yī)學(xué)實驗“做不了”“做不好”“做不上”，虛擬仿真實驗教學(xué)能夠以真實的體驗有效解決這一問題。

早在2018年，趙俊強(qiáng)團(tuán)隊就開始嘗試心臟、關(guān)節(jié)等虛擬仿真的建模工作。隨著新醫(yī)科、新工科融合發(fā)展的建設(shè)要求，團(tuán)隊圍繞服務(wù)醫(yī)學(xué)專業(yè)和醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)工作的目標(biāo)，投入大量精力到虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)研發(fā)中去。虛擬仿真資源建設(shè)的核心和難點在于研發(fā)，同時需要虛擬仿真技術(shù)團(tuán)隊、課程專業(yè)師資隊伍以及大量資金支持等。趙俊強(qiáng)團(tuán)隊將思路轉(zhuǎn)移到“校企聯(lián)合研發(fā)”上，與一家實力雄厚的虛擬仿真技術(shù)單位聯(lián)手進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)工作。

“醫(yī)學(xué)儀器原理”是生物醫(yī)學(xué)工程本科專業(yè)的核心課程，趙俊強(qiáng)團(tuán)隊貢獻(xiàn)心臟解剖圖、起搏器電路圖等，以及醫(yī)學(xué)和工學(xué)相關(guān)專業(yè)理念和設(shè)計，基于CDIO工程教育模式設(shè)計出豐富的實驗內(nèi)容、精準(zhǔn)的實驗路徑；由技術(shù)公司將理念和設(shè)計采用UE4虛擬引擎+Web3D等技術(shù)，1:1模擬當(dāng)前先進(jìn)的單腔和雙腔心臟起搏器，將抽象的電路用動畫呈現(xiàn)、將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)用3D模型呈現(xiàn)，清晰地展示其內(nèi)部構(gòu)造和工作原理，并設(shè)計了操作積分環(huán)節(jié)、游戲通關(guān)環(huán)節(jié)讓實驗更加生動有趣。經(jīng)過2年的研發(fā)和試應(yīng)用工作，終于完成了“植入式心臟起搏器構(gòu)造及工作原理虛擬仿真實驗”這一虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。

這一系統(tǒng)包括在線實訓(xùn)和考核兩個環(huán)節(jié)，分為系統(tǒng)認(rèn)知、數(shù)據(jù)制作、模型構(gòu)建、模型訓(xùn)練和模型驗證五大模塊，每一模塊又分為若干實驗操作，模塊之間有機(jī)銜接、功能遞進(jìn)又可形成閉環(huán)反饋；系統(tǒng)提供手機(jī)端和電腦端，在應(yīng)用中可以有效輔助人體心臟解剖、心臟手術(shù)實驗教學(xué)等相結(jié)合，充分體現(xiàn)了高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，為臨床醫(yī)學(xué)及醫(yī)工類的學(xué)生提供了便捷的實驗機(jī)會。

目前，該教學(xué)系統(tǒng)，在新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院、西南醫(yī)科大學(xué)、廣西開放大學(xué)、河南工學(xué)院等院校投入使用。“我們連續(xù)兩年用這一虛擬仿真系統(tǒng)開展教學(xué)，不僅受到學(xué)生的歡迎，也解決了實驗‘做不了’的困擾?！毙锣l(xiāng)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教師秦鑫說。西南醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院在教學(xué)中使用這個系統(tǒng)，提高了教學(xué)效果，促進(jìn)了教學(xué)形式的創(chuàng)新。

建教產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟

推廣虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用

“實驗教學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)成本投入非常高，而在疫情防控之下，網(wǎng)上教學(xué)新常態(tài)的背景下，這一研發(fā)領(lǐng)域的現(xiàn)實需求非常大。只有更多的高校和企業(yè)加入到研發(fā)和使用中來，形成聯(lián)盟、加速產(chǎn)業(yè)化，才能夠全面盤活這一研發(fā)和建設(shè)工作。”趙俊強(qiáng)說。

幾年前，虛擬仿真還僅是一個概念，很多教師由于不了解而不容易接受和深度參與其中。趙俊強(qiáng)團(tuán)隊和國內(nèi)多股虛擬仿真建設(shè)力量攜手，從推廣理念做起，鋪開了“大棋盤”。自2018年起，團(tuán)隊參與舉辦了線上線下全國虛擬現(xiàn)實與增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)培訓(xùn)班與研討工作坊16場，近2萬名教師參與學(xué)習(xí)。團(tuán)隊還聘請中科院院士10余人、教育信息化和醫(yī)學(xué)教育專家50余人為河南相關(guān)領(lǐng)域教師、管理人員與學(xué)生開展講座近200場；2019年起主要參與籌備舉辦三屆全國大學(xué)生智能技術(shù)應(yīng)用大賽，參賽師生5000余人……積極在全國高校師生中推廣信息技術(shù)融合智慧教育和虛擬仿真教學(xué)資源共享共建新理念、新技術(shù)。

隨后，趙俊強(qiáng)團(tuán)隊代表新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院主要參與并聯(lián)合北京大學(xué)等216家單位成立高等學(xué)校智能醫(yī)學(xué)教產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，組織86家單位成立河南省醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，為新成果和資源的推廣應(yīng)用、共建共享搭建了寬廣平臺，促進(jìn)產(chǎn)教新合作、加速產(chǎn)業(yè)化。

趙俊強(qiáng)團(tuán)隊還首批加入全國虛擬仿真實驗教學(xué)創(chuàng)新聯(lián)盟，與清華大學(xué)、北京大學(xué)等國內(nèi)一流高校共同制定《虛擬仿真實驗教學(xué)課程建設(shè)與共享應(yīng)用規(guī)范》，統(tǒng)一了新標(biāo)準(zhǔn)。

目前，河南省虛擬現(xiàn)實醫(yī)學(xué)仿真院士工作站、河南省虛擬仿真實驗教學(xué)中心、河南省醫(yī)學(xué)VR工程技術(shù)研究中心先后落戶新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院。一個個新平臺的打造，也為趙俊強(qiáng)團(tuán)隊研發(fā)和推廣應(yīng)用新成果提供了新契機(jī)。團(tuán)隊負(fù)責(zé)人及成員獲批教育部虛擬現(xiàn)實協(xié)同育人項目4項，獲得各級各類教學(xué)成果獎項17項，指導(dǎo)大學(xué)生完成國家級和省級競賽項目及獲獎總數(shù)在全國參賽高校中位居前五名，育人成效顯著。

校政企攜手

凝練虛擬仿真共建共享模式

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新醫(yī)科建設(shè)和教育信息化2.0行動計劃的不斷推進(jìn)，虛擬仿真相關(guān)理念及其在教學(xué)在高等醫(yī)學(xué)教育實踐中的應(yīng)用以一日千里的速度突飛猛進(jìn)。

全國多所高校投入人力、物力和智力在交流借鑒中，研發(fā)建設(shè)了醫(yī)學(xué)虛擬仿真實踐教學(xué)資源416個，這些教學(xué)資源涉及醫(yī)科、理科及工科類相關(guān)課程。在西南醫(yī)科大學(xué)等100多所學(xué)校得到了不同程度的應(yīng)用，受益師生達(dá)3萬多人。

然而，實驗教學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用實踐中，仍存在高?！皢未颡?dú)斗”“從頭研發(fā)”的情況，不僅浪費(fèi)人力物力，不利于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，還帶來了推廣應(yīng)用的諸多問題。因此，各高校需聯(lián)合起來，攜手政府、企業(yè)，集滴水而成河、聚沙礫而成塔，形成一種共建共享模式。趙俊強(qiáng)告訴記者：“在虛擬仿真系統(tǒng)的研發(fā)和推廣工作中，從實踐中總結(jié)出經(jīng)驗并形成研發(fā)模式，比進(jìn)行實驗教學(xué)系統(tǒng)研發(fā)更重要。”

其實，2021年，趙俊強(qiáng)團(tuán)隊聯(lián)合中國醫(yī)科大學(xué)、西南醫(yī)科大學(xué)等高校、技術(shù)公司等多家單位，以400多個虛擬仿真資源為樣本，針對其研發(fā)、推廣實踐和教學(xué)效果評價等環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，通過多次研討交流和科學(xué)的統(tǒng)計分析，總結(jié)經(jīng)驗、查找問題并針對問題進(jìn)行建設(shè)性的修正，最終凝練出了“新醫(yī)科建設(shè)背景下虛擬仿真‘金課’資源共建共享模式研究”。而這一模式是國內(nèi)第一個政校企合作、多維共建的虛擬仿真教學(xué)資源共享共建模式，為虛擬仿真教學(xué)資源共建共享的推廣提供了可參考的路徑。

中國工程院院士趙沁平認(rèn)為，研究成果針對我國高等醫(yī)學(xué)教育虛擬仿真資源建設(shè)難題，提出了醫(yī)學(xué)仿真教學(xué)資源建設(shè)新理念，首創(chuàng)醫(yī)學(xué)虛擬仿真教學(xué)資源 “五位一體”共建+“一三六”共享新模式，該模式對全國醫(yī)科高校具有積極的借鑒價值和引領(lǐng)示范作用。

《中國教育報》2022年10月25日第4版