虚拟仿真技术在胃管置入术教学中的应用

龚 洁，阮满真，杨 闻，彭 妙，王 真，杨光耀

华中科技大学同济医学院第一临床学院， 武汉 430022

在临床医学教育中，临床实践是培养医学生动手能力重要的教学方式，加强实践技能训练已成为医学教育改革的重点[1]。将虚拟仿真技术引入医学临床实践教学是非常行之有效的教学方式[2],它顺应了高等医学教育体制改革，是高等医学教育信息化的必然产物，为医学教育的临床技能教学提供了一个新的教学模式[3]。

虚拟仿真技术是采用计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术以及高度并行的计算机技术为核心的现代高科技，生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，使人产生身临其境的感觉。虚拟仿真技术彻底打破了传统、枯燥的教学模式，通过信息技术实现教育资源共享，能将抽象的内容具体化、形象化，能反复、多次地模拟临床诊疗场景，给学生留下深刻的记忆，给教师提供方便的教学，提高学生学习的积极性与主动性，从而极大地提高了教学质量[4-5]。

虚拟仿真技术的快速发展开创了医学教学的新模式，已应用于医学实践教学的模拟仿真训练系统，如虚拟手术、虚拟内窥镜术、虚拟静脉注射法等，利用虚拟仿真技术进行临床技能教学，可以使学生全身心地投入到虚拟环境中，更深入地学习所学课程。文章以胃管置入术虚拟仿真实验为例，介绍该院临床技能虚拟仿真实验的建设经验。

1 虚拟仿真实验设计

1.1 实验设计背景

胃管置入术是医学生必须掌握的临床基本操作技能之一，也是国家执业医师资格考试的内容。经鼻胃管置入术是经过一侧鼻孔将胃管置入胃内，可经胃肠减压管引流出胃肠道内容物、进行洗胃及为腹部手术做术前准备，还能对不能经口进食的患者从胃管注入流质食物，以保证患者摄入足够的营养、水分和药物。因此，经鼻胃管置入术在疾病的诊治中起着重要的作用，直接影响患者的治疗效果和康复时间。然而，对于清醒的患者行胃管置入术，如插管操作不当可能引起咽部不适的感觉，甚至有恶心、呕吐的现象。因此，寻找一种安全且可重复的虚拟仿真训练方法，对于医学生掌握这项操作技能具有重要的意义。胃管置入术“虚实结合”教学模式(如图1所示)。

图1 胃管置入术“虚实结合”教学模式

1.2 实验内容

胃管置入术实验教学由课前网络平台自主学习、集中面授、实验分组(传统模拟设备和虚拟仿真设备训练结合)3个部分组成。

1.2.1课前网络平台自主学习课前网络自主学习主要基于该院“华科协和教学”微信公众平台。实验开始之前的两周，学生在网络平台进行自主学习，内容包括胃管置入术的课件、观看视频、胃管置入术在线虚拟训练(屏幕交互式模拟)、在线答题、讨论交流等。使学生了解整个操作流程和重点、难点，促进学生养成自主学习的习惯(如图2所示)。

图2 华中科技大学同济医学院第一临床学院在线虚拟训练平台与胃管置入术在线虚拟仿真网络课程展示

1.2.2集中面授在教师的引导下，采用线上、线下混合的翻转课堂模式进行集中授课。根据课前预习情况，教师解答学生在自主测试和练习中所遇到的问题。授课中，学生自愿报名或随机抽选进行操作、学生之间相互点评操作者的亮点和不足，然后学生或教师再做操作、学生再次互相点评和讨论，最后教师重点做指导性点评或以病例引导学生反思和总结。

1.2.3实验分组利用传统模拟设备和虚拟仿真设备相结合的“虚实结合”教学模式。首先，学生在传统模拟设备上反复进行胃管置入术操作，学生之间互相讨论，教师实时指导。学生还可以利用手机扫描二维码获取该项操作的评分表，进行同伴相互测评。最后，学生在虚拟仿真设备上进行胃管置入术的虚拟仿真操作练习或考试。虚拟仿真训练系统提供了胃管置入术的临床案例情景、操作物品的准备、操作流程、工作场景等内容，尽可能地再现临床真实场景。学生从中可以掌握操作的适应证和禁忌证、实验步骤、操作的重点和难点，以及注意事项。操作时，采用3D动画和Flash技术，呈现操作步骤和解剖结构的动画演示，并提示学生操作正确才能进入下一步操作。最后，系统自动根据学生操作情况评分，标记学生操作中所存在的问题。虚拟仿真训练系统还设计了课后答题环节，将实验涉及的相关知识点设计成选择题，理论与实践融合在一起，增加了学习的趣味性(如图3所示)。

图3 胃管置入虚拟仿真设备操作

2 虚拟仿真实验项目应用效果评价

在华中科技大学同济医学院第一临床学院的临床技能教学改革中，将虚拟仿真实验技术应用于胃管置入术的教学，获得了较好的反响。我们针对实施虚拟仿真技术的华中科技大学同济医学院第一临床学院2014级五年制临床医学专业的学生进行相关调查，发出调查问卷111份，回收有效问卷110份，有效问卷的回收率99%。问卷调查结果显示，94.6%(105/111)的学生认为虚拟仿真技术打破了学习时间和地点的局限性；92.8%(103/111)的学生认为自由控制学习进度和频度，达到个性化教学的目的；95.5%(106/111)的学生认为虚实结合的教学模式形式新颖，激发了学习兴趣；临床技能方面收获很大，显著地提高了学习效率90.0%(100/111)。鉴于虚拟仿真技术应用于临床技能教学还不普遍，89.2%(99/111)的学生认为规范组织和管理后，可继续实施虚实结合的教学模式，利大于弊。仅10.8%(12/111)的学生认为传统的教学方式好，要求回归传统教学方法。

3 讨论

3.1 虚拟仿真技术提高学生的自主学习能力

研究结果显示，学生认为虚拟仿真技术能提高学生的自主学习能力，自我掌控学习的进度和提高学习兴趣。在传统教学中，学生学习往往缺乏主动性，多是被动地接受知识，探索精神不足。课后学生对教学内容也很少去查漏补缺，造成不明白的知识点越来越多，进而影响学生的学习兴趣。在线虚拟训练(屏幕交互式模拟)不受课堂时间、实验室安排和教师等因素的制约，学生可利用自己的碎片化时间进行“先学、先练”，从而提高学生自主学习的能力。虚拟仿真技术模拟3D虚拟病房，操作器械、患者及操作者。学生进入电脑虚拟系统后，选择项目，完成后续操作过程，包括体位、操作器械的选择、润滑胃管、插入插管、核对胃管是否在胃内、固定等。在线虚拟网络学习和虚拟仿真训练系统涵盖临床病例的适应证和禁忌证、整个操作步骤和随堂测试等多个环节。操作结束后，系统自动生成评分表和形成性评价，便于学生发现不足，不断提升自己。

3.2 虚拟仿真技术可有效地提高教学效果

在线虚拟训练(屏幕交互式模拟)与虚拟仿真设备具备三种不同的模式，包括教学模式、练习模式和考试模式。教师和学生可根据不同学习和考核需求进行选择，多样化的形式便于教学活动的开展，提高教学效率。同时，虚实结合的教学模式为学生提供了生动、逼真的学习情境，沉浸感强、交互性好，能够产生与实际操作基本一致的真实感受[6]。在传统模拟设备和虚拟仿真设备上反复操作练习，学生可更好地理解操作步骤，激发了其学习兴趣和参与度，从而提高教学效果。理论与实践融合使学生能全方位地掌握和理解所学的知识。多项研究推荐，教学中可将虚拟仿真训练系统与传统模拟设备练习相结合，两者取长补短，共同发挥作用[7-8]。此外，利用虚拟仿真技术进行胃管置入术操作安全，重复性好，大大地提高了学生动手操作的机会。在临床实践过程中，由于医疗纠纷和患者的配合度差，学生操作机会少，传统模型穿刺学习成本高，多次穿刺模型损耗大。然而，虚拟仿真技术操作安全，可反复无限次的操作，手感与临床实际操作类似，极大地提高了学生动手操作的机会。

3.3 虚拟仿真技术需要改进的方面

在应用的过程中我们发现，虚拟仿真技术存在以下不足：①医患沟通交流欠缺。虽然虚拟仿真技术能高度地模拟真实的临床场景，但虚拟患者与真实患者相比仍然存在一定差距。虚拟患者无法将其所有的感受都告知学生，不利于学生与患者进行沟通。鉴于虚拟仿真技术缺乏医患沟通和危机事件处理的培养，因此，只能作为床旁教学的辅助教学手段，而不能完全取代床旁教学。②虚拟仿真技术开发困难。由于医学的特殊性，现阶段虚拟仿真操作系统、软件、模型开发的种类及数量都有限，开发难度较大，需要开发技术人员以及授课教师的密切配合；而且已开发的系统、软件、模型品质均有待进一步提升，特别是在仿真度、准确度、生物特性等方面仍有待改进和完善[1]。③缺乏难易区分度。目前，国内应用于临床技能教学的虚拟仿真实验技术，仅仅将临床技能操作书本上的操作步骤搬到屏幕上，学生只需要记住操作流程，在电脑上拖拽鼠标或在虚拟设备上用仿真用物即可完成，缺乏对专业知识的分析与应用。操作的案例缺乏难易度，至今还无法大范围地应用于临床技能考核中。

4 结语

虚拟仿真技术是一种学科专业与信息技术深度结合的现代产物，它克服了传统实验教学的局限性，提高了信息的传播与利用率，具有传统实验教学方法不可比拟的优越性[9]。在临床技能教学中，科学地将翻转课堂、传统模拟设备、虚拟仿真训练系统等多元化教学模式结合，实现虚实结合、优势互补，真正提高医学生的临床技能操作水平，激发学生的自主学习能力，才能培养更多高质量的医学人才。