虚拟现实技术辅助的野战脊柱外科实践教学

闫 敏，汤 靓，孙璟川

(海军军医大学附属长征医院：A.外科学教研室；B.普外四科；C.脊柱二科，上海 200003)

外科学及野战外科学教学中涉及多种特殊战场环境下的战地急救内容。对于此类内容的教学，存在课程组织周期长、成本高、仿真度差等特点。同时，由于课程的教学对象是军医大学的本科学员，在此课程之前对各类野战救治的环境缺乏基本认识。以上两方面原因共同造成野战外科教学，尤其是其实践课程的教学效果不佳。医学教育本身的特殊性及教学策略现代化的转变为广大医学教育工作者带来了极大的挑战，模拟教学辅助解决了传统临床教学的诸多矛盾，各类仿真模型全方位地应用到临床教学中，如高仿真模拟人、模具等，虚拟现实技术作为最先进的模拟手段，是仿真技术的进一步发展，成为一种新的认知工具和知识载体，虚拟外科手术系统是虚拟现实技术在医学实践训练教学中突出的应用。以计算机技术为基础的虚拟现实模拟(virtual reality simulation，VRS)技术，起初主要运用于美军的作战模拟系统研究领域。随着在各个领域内应用不断受到高度重视，目前作为一种新的医学教学策略，成为继多媒体、计算机网络之后，为医学教育，尤其是为外科学教学带来了最具有应用前景的教学手段的技术革新。虚拟现实(virtual reality)是利用计算机技术生成逼真的三维视觉、听觉、触觉等多种感觉空间。它是一种通过数据的可视化操作与交互，构建仿真的环境，实现人机“交互”作用[1]。虚拟现实具有三个基本特征：想象性(Imagination)、交互性(Interaction)和沉浸性(Immersion)，这三个基本特征也经常被简称为虚拟现实的3I特征[2]。本课程采用虚拟现实技术对行进中的舰艇手术间环境、脊柱脊髓战伤手术操作进行模拟，学员在虚拟现实技术创设的航海战地救治的特殊环境下，演练脊柱脊髓战伤外科手术过程，获得沉浸式技能培训的感受，增强了对本章节知识点和技能的理解和掌握，提高了学习兴趣，解决了教学难点，教学效果满意。

1 对象与方法

1.1 对象

选取在上海长征医院实习的海军军医大学2014级五年制海医系37名学员(均在脊柱外科轮转实习过)为研究对象。37名学员分为A和B两批次进行，两批次教学内容模式等重复进行。所有对象均学习过脊柱脊髓伤相关理论知识，在实习期间均接受过脊柱脊髓伤手术相关理论知识及跟台观摩过手术操作。

1.2 方法

本研究将虚拟教学运用在理论教学中模拟手术案例讲解与模拟手术演练两个阶段。主要实施步骤：①进行教具准备。教学活动需在虚拟现实硬件配套的教室中进行，虚拟现实硬件包括HTC、VIVE 主机和高性能电脑主机(Nvidia GTX 970、AMD FX 8350 equivalent)。②学员使用虚拟设备前，由教员首先对理论课重要知识点再次进行讲解，并对虚拟现实实现战地手术的重点过程进行演示，随后，学员穿戴虚拟现实设备进行模拟手术。在使用VR操作训练整个过程中，教员随堂指导或必要时给予协助操作，每次操作完成后，进行简单小结和点评。具体模拟手术训练方法如下。

(1)实训教学前准备

教员和学员均佩戴虚拟现实设备(头盔或眼镜)，以操作者或观察者的身份进入同一个虚拟教室进行学习。学员可选择教员的视角或自由视角对教学内容进行学习。

(2)教学方式

图1 应用虚拟板书授课

本实践教学首先根据本杰明·布鲁姆的认知领域教学目标分类理论来制定且明确教学目标[3]，将这些目标转化成问题，设置成虚拟现实的特定活动场景，将脊柱脊髓伤此外科疾病的诊治原则、战创伤处理的基本原则的学习设计成结构式或循序式的活动，强调教师与学生的互动及学生彼此间的互动，并在学习活动中提供适当的学习教材或辅助教材。授课过程中，首先由教员进行理论课教学(配合虚拟手术案例)，详细讲解脊柱脊髓的解剖、致伤原因、损伤分类、病理变化和临床表现。期间，配合虚拟板书和虚拟人体解剖模型对重点内容进行展示。讲课过程中，学员可以自主移动和旋转虚拟人体，对课程中的重点内容即脊柱的解剖和病理进行直观观察和学习，加深理解(图1)。

随后进入虚拟舰艇手术舱进行实践教学。进入手术舱后，通过教员的第一视角，可以感受到舰艇行进中的噪声与患者生命体征的提示音交织在背景音效中，手术舱整体模拟海洋中行进的船只进行周期性晃动，令学员沉浸式地感受航海战地救治环境(图2)。

由教员在虚拟现实中进行航海战地脊柱脊髓伤手术救治的演示，术者可以直接看到伤病变及功能结构，学员进行观摩。接下来由学员自行在虚拟现实中进行航海战地救治的操作，教员在旁进行观察并对学员出现错误操作进行实时反馈，最后由教员结合学员操作中的问题进行讲解和总结。课后学员自行安排时间进行模拟手术训练。学员的错误操作系统将自动记录，作为学员形成性考核与终结性考核的依据(图3)。

图2 虚拟舰艇手术舱

图3 学员的错误操作系统将自动记录左图学员违反无菌原则使用透视机，造成自身污染。右图学员操作动作粗暴，易造成神经损伤。

1.3 评估方法

采用自制课程教学评价表无记名对教学效果、整体满意度等问卷调查评估。计算调查量表各选项的人数及百分比；《虚拟现实技术辅助外科实践教学》课程教学质量评价表(教员自评)，计算平均分，对授课教学质量评估。

2 结果

利用虚拟现实技术进行野战外科实践课教学后，学员对课程兴趣明显增加，提高了对知识点和技能的掌握速度和程度，教学效果满意。教学质量评估均分77.5分(表1、表2)。

3 讨论

当前，医学教学中诸多问题，生源充实、课堂学时有限且教学资源短缺、医患关系紧张、临床操作实践机会有限、非解剖性模拟教具难以将教学知识点立体展现、教学内容抽象难懂等为传统医学教育尤其外科实践教学带来了极大的挑战，“灌输式”传统教学模式单一、以内容为中心已不能满足对知识传授的需求。因此，亟待需要改进教学模式解决外科学教学中的诸上问题。

表1 课程教学效果综合评价表[%，n=37]

虚拟现实技术的超强真实性、交互性、经济性、安全性为其在教育教学的广泛应用带来了巨大的潜力，作为虚拟现实技术在医学仿真训练中最重要的应用，虚拟外科手术操作教学在临床外科教学领域尤其如此，非常具有可行性及必要性[4]。虚拟现实技术在高等医学教育中运用，可以模拟真实的患者、解剖区域及临床任务等教学内容，能够让学生综合运用多种感官自主探索和体会，在开放、自主以及交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的学习实践[5]。虚拟现实技术符合医学教育实践性的特点和要求，是推进医学教育信息化的一个重要利器[6]。目前，已有多项应用虚拟现实技术开展外科学教学的研究报道，主要集中在神经外科、骨科、泌尿外科、普外科(甲状腺、乳腺)等领域。且有研究显示，虚拟现实技术符合建构主义学习理论关于学习情境创设的观点，有利于突破教学的重点和难点，培养学习者的实践技能，提高学习者的创造力和想象力[7]。《外科学及野战外科学》课程中涉及野战环境条件下的知识点不仅有很强的实践性，尤其在实践教学中海上脊柱战创伤紧急救治真实环境往往难以模拟。应用虚拟现实技术在医学教学实践中设计教学和组织教学，就是利用信息技术与信息化思维，对教学资源进行重设优化制作，是信息化教学手段辅助课堂教学的一种形式。一方面，把传统教学中难以观察到的脊柱创伤的解剖和病理变化(包括术中深在的手术视野、病变组织的颜色和形态)过程进行真实再现，将抽象的教学过程转变为具象的自体感受，以动态真实的变化呈现在学生的眼前。另一方面，还可以把一些难以感受到和难以实现的环境构建出来，例如在海面行进中的舰艇的摇摆情况、舱室内手术间的空间和噪音环境等，使学员如入野战手术室真实的操作环境，可以更好地探究自己对这些知识的理解。问卷调查结果显示，86.5%学员认为该教学方式对知识掌握的自我满意度较高，89.2%学员认为实施虚拟现实辅助教学对重难点知识的把握、理解与记忆非常有必要，非常有利于提高对相关知识的获取效率。此外，通过虚拟现实技术开展外科实践教学，把教学过程活动化，让学生让学习活动中不断促进其自我显性与隐性知识的建构。调整教学模式，把教学模式由以往的学习模式从“以内容为中心”转换成“以活动为中心”，提升学员的参与度，94.6%学员认为该教学方式灵活、手段多元化、互动性好。同时，调动了学员积极主动性及专业兴趣。提高了学员的学习能力和操作技能，强化操作性知识的熟练程度。有效提高学习的自我效能，能够提高学员对今后参与完成此项操作的信心及自体认同度。

表2 《虚拟现实技术辅助外科实践教学》课程教学质量评价表(均分)(n=2)

备注：每一项目共四个评估等级，最高等级10分，最低等级2.5分，所有项目总计100分。

外科实践教学是培养医学人才一项重要的培训内容之一。研究[8]表明，技能教学训练中80%的失误是人为因素引起的，因此，反复的技能训练极其重要。Thorndike的学习理论认为，学习是一个渐进的、反复尝试的过程，在此过程中个体会随着错误反应逐渐减少、正确反应逐渐增加而最终形成固定的正确的联结[9]。此教学方法符合联结派的学习理论，即学习过程是有机体在一定条件下形成刺激与反应的联系从而获得新的经验的过程[10]。虚拟视频课件具有可重复性，学员可分段、反复练习和实践，练习过程可作为教学的纠错讲解实例，利于教学互动，利于根据学员的学习反馈及时调整教学策略。最后可作为形成性考核的依据，也在终结性考核中采用虚拟现实操作进行评价，了解学生对知识的掌握情况。对授课质量做出科学评估。

虚拟现实技术，有效整合现有的医学教育资源，有助学生获取医学知识、精进临床技术、培养科研思维，促进了医学教育的改革创新[11]。能够改善骨科医学教育训练中的不足[12]。将虚拟现实技术运用到“脊柱脊髓伤”章节的实践课中，合理安排教学活动实践，革新教学观念、内容、方法手段。解决了海上脊柱战创伤紧急救治真实环境的模拟问题以及军校学员军事医学外科手术技能训练不足问题，解决了“五性”，即科学性、实用性、参与性、创新性和融合性；实现了“三化”，即学员自主化、信息化和模拟化。授课质量评分为77.5分，整体教学效果满意度较高，86.5%认为该模拟训练方式具有极大的启发指导自主学习、训练的作用，13.5%认为启发指导自主学习的作用比较明显，所有学员希望今后继续开展此类教学实训。

因此，利用虚拟现实技术辅助脊柱脊髓海战伤野战外科救治的实践课，有助于重设教学模式，提高教学效率与教学质量，为探索建立以学习者为中心的教学新模式提供了策略。达到创新教育的目的，该经验和教学设计可推广性强。