实验性急性右心衰竭可视化教程制作与应用

熊宗斌，杨 方，郭俊红，余上斌

(华中科技大学同济医学院基础医学院基础医学国家级实验教学示范中心， 武汉 430030)

实验性急性右心衰竭是医学机能学实验教学主要内容之一，是医学本科生必修骨干课程病理生理学实验教学的重要实践环节[1]。该实验课程旨在帮助学生理解和巩固心力衰竭的病因及发病机制相关的理论知识。

急性右心衰竭作为一门综合性实验课程，其目的在于着力训练学生实施动物麻醉，规范选择并综合运用相关手术器械，完成动物颈总动脉、颈总静脉的分离手术，掌握颈总动脉和右心室导管的插管技术等一系列复制急性右心衰竭实验病理模型所需的实验操作技能，以及数据观察、记录和应用专业理论知识对实验结果数据进行分析与讨论等实验内容。实验设计内容丰富，实验操作难度较大[1]。

然而，传统的教学模式是由任课教师以板书、图片、PPT等文稿形式进行实验内容的讲解，对实验操作部分仅有图片和文字叙述，难以使学生获得直观的、生动的印象[2]。这种授课方式耗时费力，教学资料不易示范和共享，教学效果不甚理想[3]。

1 实验教学现状与面临的困惑

1.1 实验教学资源有限

受实验教学场地、仪器设备等教学条件的限制，教师在课堂中难以实现每名学生独占实验设备、材料等条件资源，一般由多人分组协作完成整个实验全过程，造成学生动手机会不均等，训练不足，对手术操作技能、实验器械、仪器设备等应用技能的掌握程度参差不齐，实验教学效果不稳定。

1.2 实验教学学时限定

由于实验教学学时有限，加之每组学生实际操作能力存在差异，致使在规定时间内，学生对实验手术操作、数据的观察记录等实验内容差异明显。

1.3 实验教学模式限制

病理生理学实验课主要以传统的验证性实验为主，教学模式多为传统的线下教学模式[4]。由于在医学课程体系中知识结构衔接性强，本科生进入医学机能学专业课程训练时，对病理生理学专业理论知识体系还未完全建立，对综合性强、探索性高的实验内容的系统性理解还不完整，对实验内容的重点、难点以及实验设计不能完全领会，导致在实验过程中存在盲目操作和不规范操作，进而影响实验教学质量。

1.4 专业知识与技能训练协调性欠缺

学生对医学机能学理论知识和相关实验技术发展的认识有限，加之对实验仪器设备的熟悉程度、对实验技术方法掌握程度与实际动手操作能力不协调，从而导致综合素质和能力培养不足。

2 可视化教程制作技术路线和方法

针对实验教学现状和存在的问题，结合实验教学需要，遵循实验教材，紧扣实验教学大纲，兼顾学科教学实际要求，设计实验性急性右心衰竭可视化教程制作方案。

2.1 主要目标

实验性急性右心衰竭可视化教程(以下简称“可视化教程”)内容严格按照实验教材的格式内容和操作流程[5]，将图像演示和现场操作相结合，以流媒体形式运用于医学机能学实验教学配套教学中。

2.2 可视化教程内容

可视化教程制作的蓝本源于传统实验性急性右心衰竭的实验目的、原理、方法、实验模型的复制及数据观察记录等实验教学内容，着重强调动物的捉拿和麻醉方法、颈部手术操作、血管分离和插管等高难度实验手术操作，采用同窗显示技术展示相关实验波形和参数，利用手术操作进程与动画模拟相结合的方式呈现插管全过程，后期将获得的数据资料经影像处理、编辑、配音及文字讲解等方式，全方位、立体化地阐述实验性急性右心衰竭整个实验过程。同时，实验演示可视化教程在有限的时长内，图文并茂地强调了实验中的重点、难点、细节和易错点。

2.3 技术路线

可视化教程基于理论教材和实验讲义制定拍摄方案，以全景模式拍摄实验环境和实验过程的全貌；以中景和近景模式突出手术操作的细节以及血管、肌肉等组织间局部的解剖学关系等，使用数码摄相机拍摄实验性右心衰竭实验过程的完整图片和影像数码资料，并实时录制信号采集系统的实验数据；利用多媒体技术、动画模拟等现代信息技术，对实验操作图像与采集的生物信号数据、波形、图表等实验数据，进行多角度、全方位构思和可视化表达，并加配中英文双语字幕和配音讲解，将实验项目内容编辑、融合成为可视化的高清视频教程(图1)。

图1 可视化教程制作流程

针对语言和图形难以全面表达出的信息，尤其是非可视内容如操作的角度、体内导管行进过程等，可视化教程通过制作模拟动画(图2)，伴随高清现场操作影像，以主图和副图的方式，使用画中画同屏显示技术(如家兔耳缘静脉注射麻醉方法)，生动直观地讲解动物静脉注射的方法步骤、进针角度、针头行进过程、麻醉药品推注的速度及剂量，辅助腹腔注射和局部皮下注射麻醉等操作过程；与此同时，强调麻醉状态的判断方式、提示操作注意事项，减少动物因麻醉导致的死亡率(图2A)。同样，此教程对左颈总动脉插管和右心室插管的细节、导管行进动态过程以及血压数据的动态波型描述，也运用了动画模拟(图2B)。在可视化教程制作中，我们采用常用的数码后期处理软件(如剪映、Primiere等软件)，对数码影音资料进行编辑及配音、文字展示等，实现现场操作、动画演示、图形描记多维可视效果。

图2 可视化教程动画模拟

3 可视化教程的应用成效

实验性急性右心衰竭可视化教程经过近两个学年的实验教学应用，我们在2018级临床医学八年制、2020级临床医学、护理等专业本科班随机进行匿名问卷调查，收到有效问卷105份。结果显示，可视化教程在激发学习兴趣，调动学习主动性，提高学习效率，促进实验技能掌握和对实验设计理解，锻炼自主学习能力，可视化教程辅导帮助作用等方面都得到90%以上的认可。同时，任课教师和学生一致赞同可视化教程教学模式在其他实验项目上推广应用。在实验教学效果方面，2021-2022学年与2020-2021学年的相同学制、专业实验教学数据相比较，动物麻醉死亡率明显下降，学生可自主完成动脉插管和右心室插管等关键技术，提高了实验效率，减轻任课教师的教学压力和重复性劳动，实验教学应用成效显著(表1)。

表1 可视化教程教学应用效果

4 可视化教程的应用探讨

经实验教学应用实践，可视化教程的应用能有效促进学生学习主动性和参与感，强化和提升学生的实验技能，显著提高实验教学效果。通过课前、课堂及课后的系统化学习，增强了学生的自信心。线上结合线下的学习方式符合当下移动端的学习习惯，实现随时随地的学习，对提高教学质量和激发学生学习兴趣有着积极的促进作用[6,7]。总体来说，可视化教程具有如下几个特点。

4.1 即时沉浸式教学

可视化教程以任课教师的现场实验内容操作和讲解为基础，将实验操作过程以第一视角展示给学生，实现实验条件和实验教学环境的一致性，带给学生身临其境的学习感受，激发学生的学习兴趣。

4.2 实验教学立体化

①静态内容动态化。可视化教程打破现有实验教程的传统模式，将实验过程以动态现场影像的方式展示给学生。②单一内容综合化。针对实验教学过程中如动物麻醉过程及麻醉效果不稳定的问题，可视化教程采用静脉注射麻醉为主，辅助腹腔注射麻醉、皮下注射麻醉等综合麻醉方式及过程上对学生的操作详细指导及过程分步管理，引导学生落实麻醉操作的关键步骤，相比单一静脉注射麻醉方法，更易于学生控制麻醉剂量，达到理想的麻醉效果，减少因麻醉所导致的实验动物死亡，使实验顺利进行。同时，可视化教程可以让学生学习了解多种麻醉方式及其实践应用，为后期医学课程学习打下良好的基础。③重点内容多维化。讲述复杂且重要的实验环节如右心室导管插管及导管行进过程，可视化教程运用动画模拟技术，生动直观地展现实验操作过程及注意事项，配合实景实验操作高清录像，同时显示与操作过程相关的数据和波形。学生全段或分段反复观看，快速熟悉实验内容和模仿练习，由静态二维学习模式转变为动态三维立体的高效学习模式。这充分发挥了多媒体等现代信息技术在医学教学中的优势作用[8,9]。

4.3 建立实验教学“一对一”模式

传统实验教学课堂中，针对实验教学过程中出现一些共性和个性的问题，任课教师要花费很多时间，反复地给学生强调和解释，消耗大量精力，也占用了宝贵的实验学时。教学改革后，我们优化教学内容，改革教学模式，让教师发挥教学主导作用[10]，以学生为中心，将学习的主动权交给学生。学生可根据自身特点，差异化地安排适合自己的实验进度、学习重点。可视化教程可实现个性化“一对一”的教学效果，真正做到教学过程以学生为主体，从根本上提升整体的教学质量与效果[11]。

4.4 实现线上和线下教学模式有机结合

探索实验教学课堂以外的碎片化时间进行学习，是提高学习效率的有效方法。线上教学方式打破了时间和空间的约束[6,12,13]。针对手术操作复杂、病理模型复制难度大的综合性实验，如实验性急性右心衰竭，学生在时间有限的课堂上要完成颈总静脉的分离、右心室插管操作和实验性急性右心衰竭病理模型的复制等实验内容。因此，我们提倡学生进行课前预习。应用可视化教程线上教学资源，学生通过预习，可以提前熟悉和了解实验教学内容，做到实验内容心中有数，实验操作手中有度。同时，可视化教程也可用于课后对照复习，巩固实验教学训练成效，加深学生对专业知识的理解和吸收，培养学生自主学习的习惯，增强其学习兴趣，发挥自主化、个性化学习的指导作用[7,13,14]。

4.5 可视化教程推广应用前景可及

实验性急性右心衰竭可视化教程内容来源于传统经典实验，是医学本科生必须学习和掌握的实验内容，可供医药院校应用。可视化技术对设备条件的要求相对较低，图像及图形可视化、动画制作等技术条件完备成熟、方法稳定可靠，制作软件丰富，制作开发成本较低，周期短，优于虚拟仿真(VR/AR)实验，易于普及推广。

实验性急性右心衰竭可视化教程具有丰富生动的实验教学内容，实现了现场操作、动画演示、图形描记多维可视化，取得了良好的实验教学效果。然而，本教程中仍存在一些不足之处，如实验教学中互动与交流功能还有提升空间，可融合VR/AR仿真等技术方法优点[13,15]，加强问答交流以及自我测试功能，相互补充借鉴。这些是可视化教程改进和努力的方向。另外，实验教学效果评估数据有待进一步累积和统计分析。

急性右心衰竭可视化教程的制作及应用的初步探讨，是在基础医学开放创新实验教学体系中的探索性实践，立足新时期，以创新性实验思维和胜任力为目标的医学生培养要求[14]。培养学生学习能力和实践能力的实践应用，适用于低年级医学生的实验教学训练，与部分高年级本科生和硕士生的研究性课题参照学习，可作为混合多模式教学的共享教学资源，有较好的推广应用前景。