虚拟仿真技术应用于开放教育医学实践的思考

李静然

（辽宁开放大学，辽宁沈阳 110034）

0 引言

医学专业作为一门实践性很强的学科，专业人才培养中强调理论与实践并重，除了要求专业教学中开展扎实的理论知识教学，还必须开展丰富的临床实践练习[1]。可以说，强化和培养学生临床实践能力是巩固和加深理论知识最有效的途径，是国家培养高素质医学人才的必要之举。

2017年，中共中央、国务院联合印发《中国教育现代化2035》。此后，中共十九大提出：“必须把教育事业放在优先位置，深化教育改革，加快教育现代化，办好人民满意的教育。[2]”从此，大数据、人工智能、5G和虚拟仿真等现代化信息技术在教育、教学领域得到了普遍应用。

虚拟现实技术以现实为基础创设虚拟环境，借助现代化传感装置，让体验者在虚拟和现实的交互作用中获得亲临真实环境的感受和体验，进而达到提升学习兴趣和教学实效的目的[3]。近年来，因虚拟仿真技术能为学生提供感官模拟，进而使学生将所学的理论知识进行融会贯通，故其在医学专业实践教学过程中得到了空前推广。

本文从教学实际出发，详细介绍虚拟仿真技术在开放教育医学实践教学应用的背景和现实意义，以期为开放教育医学实践教学改革提出具有创新性的建设目标和思路。

1 虚拟仿真技术应用背景介绍

1.1 技术背景

1965年，“虚拟仿真之父”苏泽兰提出由计算机构建虚拟世界的设想，开启了虚拟仿真技术的研究[4]。1987年，James.D.Foley对虚拟仿真的含义、应用、未来前景进行了全面的论述，虚拟仿真技术的基本理论开始形成[5]。进入21世纪，随着各类信息技术的不断发展成熟，特别是计算机软、硬件的快速发展，基于不同应用场景的虚拟仿真设备开始出现。

2014年，教育部印发文件明确指出“国家级虚拟仿真实验教学中心是高等教育信息化的重要组成部分”，标志着虚拟仿真技术开始在教育领域进行推广应用[6]。随后，全国各医学高校陆续开展基于虚拟仿真技术的实践教学探索与应用，并在全国启动了国家级虚拟仿真实验教学中心遴选工作，共遴选出300个国家级虚拟仿真实验教学中心。

2016年，教育部《关于办好开放大学的意见》指出，“探索开发多种适合学生网络学习的工具和软件，增强自主学习的交互性和有效性”[7]。从此，各级开放大学（原广播电视大学）开始探索开放教育虚拟仿真技术应用。到2020年，《国家开放大学综合改革方案》明确指出，“依靠5G、人工智能、虚拟现实、云计算等新技术，支撑信息技术与教育教学的深度融合，提高教育现代化水平”[8]。我国开放教育开始驶入“虚拟仿真技术应用”的快车道。

1.2 教学背景

医学作为一门强调实践的专业学科，专业的课程实践、专业实验及临床实习是知识体系构建的重要组成部分，其学习成果直接影响着未来工作水平，但受制于成人教育实践教学资源的缺少和临床实训的特殊性，学生很难实地开展实践学习，大大降低学习实效[9]。

在实践教学过程中存在难点和问题，主要体现在以下几个方面：例如医药课程专业性强，所需仪器设备多，实践实操必须在实验室进行；个别实践实验风险大，对实验条件要求非常高，学生要求必须在教师指导下方能开展练习，开放教育较难实现；生理学、药理学、病理生理学等课程实践教学需要实验动物，既增加教育成本，又不符合动物伦理学要求；同时实践教学的不可复制且成功率低的问题也会大大降低学生开展实践学习的兴趣，以上作为医学专业实践教学的共性问题，在开放教育中表现得更加突出[10]。

2 虚拟仿真技术应用现实意义

2.1 解决成人学生的工学矛盾

开放教育不同于传统的全日制教育，学生的工学矛盾问题严重，尤其是医学专业学生大多从事临床工作，很难有时间去学校开展实地实践学习[11]。依靠虚拟仿真技术打造成集医学教学、实践、培训等功能于一体的综合性实践实训平台，既保证24小时全天服务，又保证远程学习访问，打破了传统实践教学时间、地点、空间的限制，满足学生“随时、随地、随式”的学习需求，从而提高实践教学学生学习的积极性。

2.2 解决实践教学“三高三难”

虚拟仿真平台以平台软件仿真为核心，允许操作者反复测试，并且不造成动物、器材和试剂的实际消耗，无论开设多少次实验都不增加额外的投资，大大压缩实验经费[12]。通过构建与实际职业情境对接的虚拟仿真实训环境，提高实践教学的感知性、沉浸性、交互性、智能性，能有效解决资源稀缺、临床真实场景难复原等问题，进而解决实践教学过程中高投入、高损耗、高风险以及难实施、难观摩、难再现的问题[13]。

2.3 提升实践教学效率与效果

虚拟仿真技术能够打破传统实践教学内容枯燥、形式单一的弊端，因其内容丰富、体验逼真大大激发学生学习兴趣[14]。例如，通过模拟医疗行业的各种真实场景，如门诊、病房、药房、急救等，帮助医学专业学生更直观、快速地进入临床实践情景；同时，采用仿真化的网络学习模式，降低时间与空间的限制，确保学生在模拟空间里，能够思考与实践相关的深层次问题，提高了学生学习的热情。

2.4 共建共享与社会服务需要

虚拟仿真平台的设计大多从医学职业、岗位、技能3个维度开展，同时兼顾行业领域最新需求，实现学生培养与行业技能培训兼顾、学历证书与职业技能等级证书兼修的目的[15]。既能够满足开放教育学历教学需要，满足终身教育社会培训需求，又能实现开放教育终身化的目标。

3 虚拟仿真技术应用建设目标

3.1 总体目标

紧紧围绕立德树人根本任务，遵循“医药结合、虚实互补、实践创新、资源共享”的建设理念，适应新时代社会发展对医学专业人才培养的要求、顺应开放教育教学的规律，以及成人医学专业学生的自身特点，以现代信息技术为依托，通过平台建设、资源建设、师资建设、教学建设等途径，构建“网络化、系统化、开放化”的虚拟仿真实验教学平台[16]。

3.2 具体目标

吸收职业教育产教融合、工学结合等特点，通过建设医学虚拟仿真实训平台，以全新的实训体验推动人才培养模式的创新，着眼医疗行业人才技能需求，真正落实以能力培养为主的应用型人才培养模式[17]。通过引入与虚拟现实、数字孪生等先进技术配套的教学资源，为师生带来全新的沉浸式教学体验，高度还原搭建的全新实训教学环境。

深化教师队伍培养方式改革，为教师搭建创新教学实践平台，提供教师创新技术培训，提升教师的虚拟资源开发能力和信息化教学能力，面向专业高端人才培养，制定教师人才培养规划，搭建一套完善的开放教育医学专业教师培训体系[18]。

通过虚拟仿真平台，对专业理论内容进行有针对性的训练和巩固，加深其对知识的理解，提高学生的学习兴趣，对于一些综合型、不易现场实施的实践在平台中不断反复练习，达到提高学生实操能力的效果[19]。

4 虚拟仿真技术应用建设思路

4.1 强化校企结合

建立校企合作长效机制，与医疗企业、行业协作、共建。建设基于网络的虚拟仿真平台，以学校自身特色、优势的课程为基础，结合地方社会经济发展需要，基于开放教育和医学实践的特点，紧贴市场、紧贴产业、紧贴职业，以实践能力培养为中心、以职业需求为核心、以产、学、研、用结合为路径，积极创新探索开放教育医学实践教育的新模式、新方法，培养具有完善的知识和职业技能的应用型医学人才。

4.2 坚持虚实结合

职业性和实践性是医学实践教育的两大显著特点[20]。实践教学是培养开发能力、创新能力、独立思考与分析解决问题的能力，是提高学生素质的重要手段。根据“立德树人是根本、理论教学是基础、能力培养是关键、实践教学是重点”的人才培养思路，在保留原有医学线下实习基础上，依托虚拟现实和人工智能等新一代信息技术，以实带虚、以虚助实、虚实结合，强化课程实践和综合实践环节的虚拟练习。

4.3 实现育训共享

根据《国家开放大学综合改革方案》文件精神，开放大学作为区域终身教育的主要力量，承担区域产业技术人才培训和继续教育任务。因此，开放教育医学虚拟仿真实训平台应面向医疗行业和企业开设各种相关的临床医学培训课程，为各类医学专业学习者搭建便捷、灵活、有效、个性化的数字化学习环境，依托平台实现师资、课程、设施、数据等全方位共享，搭建学历教育与非学历培训之间融会贯通的“立交桥”。

5 虚拟仿真技术应用核心内容

5.1 遴选虚拟仿真实践课程

医学虚拟仿真实践平台应有一系列与职业技能密切相关的课程组成，而这些课程的遴选要重点考虑那些在线下教学中真实实验条件不具备或实际运行困难，或涉及高危、高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等难题的实践课程。

同时，要确保课程设计能够还原实践的教学要求、实验原理、操作环境及互动感受，达到培养学生理论联系实际，通过实践提高自主解决问题的能力，不断激发学生学习兴趣。

5.2 建设虚拟仿真实验资源

为了提高学生的实践动手能力，针对医学课程教学需求，建设开发虚拟仿真实验项目及相关教学辅助资源，课程资源设计坚持虚拟仿真—现场实践为主线，配合3D模型、平面图像、动画、音频视频等，将专业理论知识、方法运用和实操训练相结合，为学生提供一个直观、形象、逼真、方便和可重复操作的实践环境，激发学生的学习兴趣。

在虚拟实践环境中，综合运用案例启发、情景模拟和自主学习等多种教学方法与手段，通过VR头盔、3D追踪眼镜、沉浸式VR大屏等设备增加实践的沉浸感、临场感和交互性，使学生仿佛置身在真正的临床实践场所，并通过视、听等感官刺激，帮助学生深刻理解知识的重点和难点。

开展人机交互式操作设计，配备多种流程化操作，采用虚拟现实技术逼真呈现实验实训的场景、设备、用品工具等。3D动画演示操作流程，学生可随意选择每个步骤进行任务操作演示。针对不同职业设计不同的虚拟实训，例如、手术、护理、制药等，熟悉强化技能。

5.3 搭建教学反馈分析系统

搭建标准一体化“教、学、练、考、评”反馈分析系统，实现实践课程、教学资源、实践过程、实践结果、教学评价于一体的综合管理模式，根据面向人群的不同，设为学生端和教师端。其中，学生端包含作业管理模块和考试管理模块。学生通过作业管理模块可以完成教师下发的作业，作业完成后系统通过作业管理模块自动为作业判分；通过考试管理模块可以完成教师下发的试卷，完成试卷后系统通过考试管理模块自动为试卷判分。

教师端包含作业管理模块、考试管理模块、实验过程管理模块以及统计分析模块。教师通过作业管理模块可以下发作业，还可以按专业、科目、学生来查看作业的完成情况。通过考试管理模块可以设置组卷规则，由系统自动组卷，教师可以按专业、科目、学生来统计考试成绩。通过实验过程管理模块教师可以查看学生的实验过程回放，便于教师掌握学生在实验环节出现的错误。通过统计分析模块，可以按专业、科目、学生来查询统计作业成绩情况、考试成绩情况以及系统通过该模块自动化统计学生知识点掌握情况，真正实现实践教学流程化、智能化、精细化和数据化。

6 结束语

虚拟仿真与实践教学融合发展已成为教育改革中的热门话题。虚拟仿真因其独特的技术优势，在我国高校的医学专业教学中得到了普遍应用。时下，开放教育领域虚拟仿真技术还处于起步阶段，但通过研究可以看出，对其应用推广能有效打破开放教育实践教学“形式化”这一积弊。期望在不久的将来，在开放教育领域也能看到虚拟仿真技术“遍地生花”。