基于虚拟现实的医学教学质量保障研究

王岳 陈晨 王锦秀 沙琨

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.031

摘 要 随着VR技术的快速发展以及VR使教学有效性不断提升，VR被更广泛地应用在医学高等教育领域以提高医学教学质量。如何在医学教学中有效地应用VR，评估教学效果，实现VR与课程的融合，成为医学教育者关注的重点。医学教育专家应参与VR医学教学设计、开发、应用、评估全过程，以期有效开展VR教学，保障基于VR教学的质量。

关键词 虚拟现实；医学高等教育；教学质量保障

中图分类号：E251.3 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）04-0031-04

Research on Quality Assurance of Medical Teaching Based

on Virtual Reality//WANG Yue， CHEN Chen， WANG Jinxiu，

SHA Kun

Abstract With the development of VR technology and the

growing effectiveness of teaching based on VR， VR is more

and more widely used in higher medical education to improve

the quality of medical teaching. How to effectively apply VR in medical teaching， evaluate the teaching effect and realize the integration of VR and curriculum gain the attention of me-

dical educators. Medical education experts should participate fully in VR teaching design， application and evaluation to obtain a better effect of VR teaching.

Key words virtual reality; higher medical education; tea-ching quality assurance

0 引言

虚拟现实（Virtual Reality，VR）的多感知性、强交互性和沉浸感为医学教学创新变革提供了有力支撑，技术的进步提高了VR医学教学的可及性和可负担性。当前，国内外医学教育工作者正在积极探索将VR引入医学教育课程，如西班牙加泰罗尼亚理工大学利用VR开展人体解剖教学[1]，美国克利夫兰大学利用VR帮助医学生学习神经外科手术技能[2]，辛辛那提大学医学生利用VR学习婴儿呼吸窘迫临床评估[3]。

现有研究证实了VR作为学习工具的有效性，学习者利用VR可以获得更好的学习体验和学习结果[4]；探究了学习者基于VR的学习过程，VR提供的刺激会激发学习者的认知和情感变化，进而引起学习结果的变化[5]。但是，随着VR在医学教育中的应用不断深入，确保基于VR的医学教学质量成为高等医学教育者面临的首要问题。教师、教学设计师、学习者、内容专家、技术人员等VR教学过程参与者需要基于正确的教学理论，从资源设计与开发、教学设计与实施、学习效果评价维度出发，确保VR教学的有效性。

1 教学理论基础

相较于其他媒体，VR的本质是利用计算机生成的虚拟场景有效替代真实的感官刺激，学习者在虚拟环境中会产生身处某一虚拟地方，相信虚拟环境中发生的事情，认为与他人共处一处并与之接触的心理感受。具身认知理论、体验学习理论、情境学习理论、游戏化学习理论等为VR教育应用提供了理论依据，为VR医学教学应用开辟了广阔的空间。沉浸式、交互式的虚拟情境可以为学习者提供视、听、触、嗅等刺激，激发学习者的学习兴趣和动机，有效触发身体、认知和环境的有效互动。在VR环境中，学习者可以获得真实的社会情境和文化情境体验，应用新知识与技能，进行“顺应、同化和迁移”等认知过程，完成知识建构。

2 资源设计与开发

2.1 内容设计

VR教学资源直接影响教学效果，设计者要确保内容的有用性、适用性和有效性。资源的设计与开发需要不同领域专家共同参与[6]，跨学科专家团队包括临床专家、教学设计师、教师、学习者、VR技术人员等应参与资源的设计、开发、验证、评估、优化、实践等过程，保障资源质量。资源的创建包括内容的视觉可视化、功能可视化和操作可视化，专家团队要确保资源与现实保持视觉一致、功能一致、情境一致，为医学生提供沉浸式体验。

VR资源建设需要临床专家的支持，保障资源内容的真实性和科学性。临床专家为VR技术人员进行器官、医疗设备等建模提供专业的内容指导，确保呈现的组织、器官、设备等与现实保持一致；提供临床数据，为技术人员模拟标准化病人、再现临床反应、可视化病因病理、创建临床场景等提供指导；对资源质量进行把关，针对资源存在的问题提出建议，实现资源的优化与迭代。

为确保资源有助于医学生学习，教学设计师应基于教学目标、教学内容、医学生特征选择或设计资源。教学设计师应当基于不同的教学需求确定资源的保真度，如解剖教学资源仿真度越高越有利于知识理解，手术操作资源逼真度越高越有利于技能掌握，情境模拟资源越真实越有利于情感获得；选择合适的资源交互、反馈元素，帮助医学生进行操作与反思，如器官的选择、放大、缩小，手术操作的角度、深度、力度，问诊时与虚拟病人的交流、仪器检测操作等；内置评价标准，对医学生的学习行为进行客观的自动化分析，提供形成性和总结性评价；内嵌导航功能，为医学生提供学习指导，降低外在认知负荷；设置暂停或退出机制，允许医学生个性化控制资源体验时长。

资源的设计应当以用户为中心，避免以技术为导向造成资源无效。VR医学教学应用的最终对象是教师和医学生，资源的设计需要充分考虑用户体验和教学效果。除了积极参与资源的设计、开发过程外，授课教师和医学生应在正式推广前试用资源，提供意见和反馈，确保教学资源与教学目标的一致性和资源的有效性。

技术人员基于知识内容、临床数据、教学需求、技术标准进行3D建模、角色动画和编程等，构建沉浸式的学习环境，并基于评估意见和反馈对资源进行修改，最终构建允许医学生体验真实的情感反应和行为的沉浸式的、动态的、自适应的交互式资源，帮助医学生学习知识、练习技能、培养情感态度，提高教学质量。

2.2 技术标准

为确保医学生获得有效的视、听、触等刺激，VR系统的设计与开发必须基于一定的技术标准进行[7]。VR系统本身应当采用标准化的数据模型、接口等创建虚拟环境，以便在异构计算环境中创建、管理虚拟对象；采用标准化的数据压缩、渲染格式，实现跨异构计算环境传输数据信息；提供标准化的用户友好界面，兼容多种数据标准和功能的应用程序，允许医学生控制、操作虚拟对象；通过传感器在虚拟环境中可视化和交互式地模拟真实的信息，实现教师、医学生与虚拟场景的信息交互。

VR系统传递教学内容时应遵循人机交互原则，利用高分辨率、低延时的画面和声音，追踪器，触觉输入和反馈设备，创建逼真的、交互式的虚拟环境，为医学生提供真实的体验，允许医学生以自然的方式最大限度地实现感知。教师应当提高VR系统的易用性，降低对医学生注意力的分散；保障系统的安全性，避免对医学生造成伤害。同时，由于VR伴有晕屏、定向障碍、记忆混淆、成瘾性等潜在副作用，教师应试用VR设备保障系统的安全性，有效降低VR系统本身对学习者造成的负面影响。

3 教学设计与实施

作为以医学生为中心的学习工具，VR提供了新的医学教学方式，将给医学教学模式创新带来重大变革[8]。然而，VR医学教学应用仍处于初级阶段，教育工作者需要进一步探索如何将VR纳入课程，实现VR与课堂的有机融合，从而有效促进医学生学习，提高教学质量。

3.1 教学应用情境

VR创建不同的医疗场景，允许医学生安全地体验放射诊疗室、传染性疾病、战场救护等；允许医学生扮演医生、护士等不同角色，了解医院工作人员及其职责，从而提高协作和沟通技能；呈现病人、家属视角的情境，帮助医学生感受病人、家属的反应和态度，增加同理心，从而建立良好的信任关系、降低医患冲突，更好地治疗、护理、服务病人。

VR可以三维呈现解剖学知识，包括内脏器官结构分布、病因病理，帮助医学生内化知识[9]。医学生利用VR提供的临床技能实践环境，通过触觉反馈系统真实感受切割组织与器官时的压力、触感等，系统地提升运动认知；反复练习，体验操作失误的后果，提升操作和决策技能。VR还可以提供真实、复杂的临床病例，帮助医学生进行临床诊断决策，沟通和制订治疗方案。

VR还可被应用于医学生评价，内嵌评价标准的VR系统可以通过分析医学生在虚拟情境中的行为及临床结果进行即时、客观的评估；教师通过观察医学生与VR系统的交互，判断医学生的掌握程

度[10]；医学生通过系统记录回顾自我表现，开展自我评价。

3.2 教学模式

VR可以作为课堂教学的补充，辅助医学生学习。在这种情境中，VR作为一种学习技术，以多感官刺激、强交互的方式呈现学习内容。教师利用基于VR的教学活动增强医学生的学习兴趣与动机，增加医学生学习参与度，促进医学生对知识的理解。

VR可以成为课堂学习与临床应用的桥梁，弥补理论与临床技能之间的差距。虽然VR还无法呈现真实或标准化病人反应，反映技能操作熟练度和精准度，但是VR提供了新的技能习得方法，允许医学生进行安全、可重复、标准化的练习[11]，提高实践技能，从而更好地实现课堂学习到临床应用的转变。

VR可以替代课堂教学，允许医学生开展个性化的主动、协作、探究学习，这为在线学习和混合式学习提供了可能。这种情境下，教师可以基于教学目标和个性化学习需求创建虚拟学习环境，利用系统记录的学习数据提供相适应的学习资源，帮助医学生进行自适应学习。医学生自定学习步调，选择合适的时间和地点访问或回顾学习资源；获得客观的即时反馈，进行学习反思，主动采取措施提高技能。多用户虚拟学习环境支持不同专业医学生协同完成学习任务，医学生学习结束后还可以与同伴或教师进行分享讨论，获得协作式学习体验。

4 质量评估

评估者需要利用定性和定量的方法，在不同教育情境中对VR系统进行连续、系统、完整的科学评价，确保VR系统的医学教学有效性。评估者可以从表面效度、内容效度、教学设计、学习体验、学习效果、成本效益维度验证系统质量。

表面效度层面，技术专家可依照VR教育系统设计技术标准查验系统是否遵循技术指标，用户对系统沉浸感（包括画面的仿真度、交互等）提供主观的反馈，对系统的可用性（包括有用性、易用性）进行主观判断。

内容效度层面，临床专家、教学设计师、教师等基于知识、经验等对内容进行评价，包括内容呈现科学性、合理性以及内容的难易度。当VR系统作为评价工具时，专家需要对比VR与其他评估工具的评估结果是否一致。

教学设计层面，教学设计者应确保VR是最佳的教学媒体，实现教学目标、教学活动、教学评价的一致性。

学习体验层面，教师可以利用相关量表测量医学生使用VR系统的认知效益、反思性思维、存在感、动机、愉悦感、控制与主动学习的变化以及使用VR产生的副作用。

学习效果层面，教师通过测试医学生知识、技能、态度的保留和迁移以及学习曲线的加速程度，检测学习的有效性。

成本效益层面，相关专家需要对VR的成本进行评估，帮助机构以最低的成本实现最佳的教育效益。

其中，利用VR开展医学高等教育的目的是增强教学效果，学习体验和学习效果是检验资源是否达到预期教学效果的核心因素。教师可以利用准实验研究法对比使用和不使用VR学习、使用VR和其他媒体学习的学习体验与学习效果，验证系统的有效性和优越性。学习体验一般采用主观量表进行测量，学习效果可以采用客观和主观的方式进行统计。教师可以利用标准化的测试评估医学生对解剖知识、病因病理等的记忆与理解；利用系统记录医学生关键行为，对手术操作的精准度和操作时间进行评价，或在真实临床情境中评估手术技能以及团队合作、沟通、态势感知和决策技能等非技术技能，测量技能在真实情境中的迁移与保留度；可以通过医学生的主观反馈评估同理心等情感习得以及使用态度、意向与满意度。

5 结束语

VR医学教学应用虽然处于起步阶段，但已成为高校医学教育发展必然趋势。制定技术标准、创建内容、探究教学应用与评价有助于VR与医学教育深度融合，提高学习体验和教学质量。医学教育者需提高医学信息素养，形成以包括VR的现代信息技术为基础，以医学生为中心、教师为辅助的现代医学教学模式，促进医学高等教育现代化。

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作者：王岳，海军军医大学海军卫生信息中心，助教，研究方向为新媒体医学教育应用；陈晨、王锦秀，海军军医大学海军卫生信息中心；沙琨，通信作者，海军军医大学海军卫生信息中心，副教授，研究方向为高等教育信息化（200433）。