VR技术在药学教学中的应用研究进展

刘秋爽 蔡本志

近年来，随着医药行业的快速发展和改革，社会对药学人才能力的需求越来越高。如在新药研发过程中，要求工作人员具有极强的空间想象力和动手能力；在以“患者为中心”的药师服务模式中，要求药师具有一定的同理心及沟通能力。而目前的教学形式重视理论知识教学，缺乏实践教学，导致学生实习经验少，难以满足社会对人才的需求。针对当前的教学现状，药学教育工作者已开始突破传统，寻找新的方式来提高教学。同时，国家发布的《中国教育现代化2035》中提出：“充分利用现代信息技术，丰富并创新课程形式”[1]。在这样的背景下，虚拟现实（virtual realistic，VR）技术无疑为教师克服当前的障碍，突破目前的教学瓶颈带来了新希望。本文通过分析VR 技术的发展现状及在药学教学方面应用的优势和挑战，并结合国外对VR 技术在药学教学领域应用的先进经验，对我国VR 技术在药学教学中应用研究现状进行综述，以推动药学教育的发展。

1 药学教育现状

随着电子技术、信息技术的普及，药学的课堂已从板书教学转变为以PPT 等多媒体为基础的优化教学方式，但仍基本以传统的讲座式教学为学生传授知识。同时，随着信息时代的到来，学生对信息刺激的“满足域”有所提高，课堂上常出现低出勤率及“低头族”“沉睡族”的现象。可见，学生对教学方式新颖程度有了更高的要求。并且，随着医药行业的快速发展及改革，社会对药学人才能力的需求越来越高，对具有空间想象力、动手能力、创造创新能力以及一定的同理心及沟通能力的综合性人才的需求大大增加。而目前重视理论知识教学、缺乏实践教学的药学教育现状导致学生缺乏实践机会、能力单一，难以满足社会对人才的需求。

因此，目前药学教学应侧重对学生积极性的调动，丰富教育教学方法并为学生提供充足的实践机会培养学生多方面能力的有效途径，也是为学生职业生涯做的最好准备。

2 VR 技术研究现状

VR 技术是利用显示技术、计算机图形技术、传感器技术等多种技术创建的一种虚拟环境，使用户切身感受真实的环境，沉浸在这种虚拟环境中，可通过语言、手势、感官等与计算机进行实时交互，在该虚拟的环境中进行操作，有助于启发用户的构思[2]。VR 技术的核心是建模与仿真，其特点有立体感，沉浸感，新颖性，交互自主性等[3]。

随着技术的不断进步，新的VR 设备层出不穷，传统的VR 的设备包括VR 眼镜或头盔、触觉手套和紧身衣等，目前市面上VR 设备逐渐丰富，如VR 互动椅、VR 自助机、VR 教室等逐渐进入公众的视野。2020 年2 月20 日，北京-HTC VIVE®发布了目前最全能的VR系列产品，其激光定位技术提供精确的追踪技术[4]，可以实现用户在虚拟空间中与现实世界同步的移动；引入高清XR 立体透视摄像头，首次实现高清晰度的实景画面采集和三维空间重建，使真实世界和虚拟世界无缝融为一体，为用户提供了高质量的视觉显示[4]。新的设备为VR 用户提供了高度沉浸式的体验和强烈的存在感，也为VR 赢得了广阔的发展空间。目前，VR技术广泛应用在娱乐、教育、军事、航空、医学、商业等众多领域，其中在娱乐，教育方面应用最为广泛[5]。很多VR 技术公司可根据用户不同的研究目标和应用需求，进行“私人定制”为VR 的发展和应用带来了更多的可能。那么当药学教学发展的需求与先进的VR 技术发生碰撞时，会给药学教学带来哪些全新的体验呢？

3 VR 技术应用于药学教学的优势

3.1 教学方面的影响

药学课程中有些内容很难概念化，即使应用视频和动画，也很难被学生理解，但通过VR 技术可以将难理解的概念变得直观、生动，有助于学生学习理解。例如，学习药代动力学时，学生利用VR 技术跟随药物通过人体的旅程来学习药物在体内的吸收、分布、代谢、排泄的一系列过程；学习药理学和药物化学时，可以应用VR 技术采用特定的三维（3D）结构结合来演绎的药物与靶标（如受体）的分子相互作用。一项实验研究[6]，将学生分为2D 或3D 演示教学两组，同学们在学习后通过回答三个学习内容相关的问题来评估学生对学习内容的理解及分析问题的能力。结果显示3D 演示教学组在测试中的表现明显优于传统的2D 图形教学组。研究中，大部分学生都表示喜欢3D 课程，认为3D 课程提高了他们的学习热情，3D 教学更直观的演示课程内容，提高学习效果。类似的，在药物设计（如蛋白-配体结合）方面，药物设计者可以利用VR 技术提供的独特的、现实的3D效果，深入蛋白质内部，完全沉浸在场景中[7]。综上所述，VR 的应用可使学生对课程的理解更透彻，分析、运用知识的能力提高。

药学的教学离不开实验，机能学实验，有机化学实验，无机化学实验及生物化学实验等等。但是实验一旦出错很难有机会再次重复，对学生掌握所学知识有一定的局限性。实验耗材也是一笔重大开销，应用VR 技术可仿真模拟实验器材，让学生在虚拟环境中重复实验，这样可有效地降低实验成本。并且在虚拟场景中，学生可避免有毒物质的危害，和操作失误带来的危险。

学习过程中有些内容对于学生是枯燥乏味的，VR可以通过互动性甚至游戏化来增添乐趣。例如，对药品的商品名和通用名的记忆，可以发展成一种游戏来提高学生的参与度。

3.2 实践教学的影响

随着我国药学服务模式的改变，药学专业的学生需要加强与医疗团队、病人及其亲属沟通的能力，在校期间获得较多的实践机会是对许多职业最好的准备。VR技术可解决学生实践欠缺的问题，VR 技术的应用程序可以模拟各种病人，在应用虚拟病人交流过程中，有利于建立学生的同理心，为学生提供一个练习沟通的机会。目前，国内的药学教育在学生沟通与服务能力的培养方面重视程度欠佳，而国外更重视学生这方面能力的培养。自20 世纪70 年代初以来，美国、欧洲的一些国家就将虚拟病人应用于药学本科教育的课堂[8]。

2012 年在兰格尔药学院为二年级和三年级的药学博士学生开发了一门药学案例研究的选修课，该选修课使用Second Life®（SL），SL 一个模拟真实世界的交互式三维虚拟环境，课程探讨了SL 在药学教育和培训中的应用[9]。教学内容是10 个案例场景，主要关注药物安全和与患者的有效沟通。教师和同学均为虚拟化身，并在虚拟教室中重现案例场景，学生可以以个人和小组的形式模拟药师和病人的角色。学生反馈SL 的应用提高学生对于课程内容的专注度，增强了对药学实践中实际问题的理解[9]。另一项研究中[10]，研究者将VR 用于药学患者教育，药师为病人提供如何用药的咨询，并提供在虚拟世界中给病人用药的机会，这一过程明显增加患者对其健康和药物知识的了解。

此外，VR 还可以通过提供在现实世界中不可行的体验来增强教育。如可为学生提供试错功能，现实中学生不能为了从错误中吸取教训而置病人于危险之中，不可为了学习药物的毒性作用而让患者服用过量药物，VR技术可使学生有机会从错误中学习，使得学生能够从不同的角度看待问题，识别他们思维中的缺陷，这对于学习用药安全、药物错用等问题特别有利。

3.3 远程教育的希望

远程教育越来越受到人们的关注，2019 至今教师对教学方式有了新的思考，隔离式的教学形式使教育者更加想要发展一些远程课程，这也将促进VR 技术在药学教学中的应用与实施。一些VR 教育公司正在开发远程VR 教育平台，让学生和教师可以在任何地点的虚拟教室中见面，对于远程学习的学生可以提供类似于在校上课的亲身体验[11]。

综上所述，我们认为VR 在药物化学、药理学和药学实验教学等课程中增加了学习乐趣，提高了知识理解、运用能力，培养了空间想象力，也降低了教师的教学难度，并能节省大量教学资源；为学生提供充足的实践机会；也为一些没有机会亲身参与到课堂的学生提供学习知识的平台。由此可见，VR 技术的应用可能为药学教育带来无限的可能，值得广大药学教育者的开发与期待。

4 VR 在药学教学中的应用

4.1 国外药学教学中的VR 的应用

自20 世纪70 年代初以来，美国、欧洲的一些国家就将虚拟病人应用于药学本科教育的课堂。一些研究对接受“虚拟病人”教育的学生进行评估，结果表明，大部分的学生对“虚拟病人”技术感到满意，认为它作为教学和学习工具具有良好的效果[12]。

瑞典北部Umeå 大学的药学院是北欧国家中较早使用3D 虚拟世界（3DVW）进行临床药学教学的学校，自2011 年临床药学课程开设以来一直在使用3DVW。学生可在模拟病房和3DVW 的病人见面以获得培训机会，3DVW 使学生能够以专业的方式练习与病人沟通。对于课程的效果，大多数学生表示，3DVW 环境给人一种真实的感觉，并对课程的设置、教学内容的设计及整体效果给予充分认可[13]。

4.2 VR 技术在我国药学教学中应用的现状

VR 作为健康教育媒介的研究也越来越丰富，主要分布在手术模拟、管理、精神疾病和解剖可视化等方面。目前，国内对VR 教育积极开发，2014 至2015 年间，国内已批准21 项国家级医学类虚拟仿真教学平台的建设。VR 实操系统也在稳步发展，上海交通大学附属第六人民医院将胸腔穿刺虚拟教学系统应用于临床教学实践中，该系统注重细节的把控，对在局麻过程中的进针角度等有严格的规定，有助于训练学生规范化、标准化的操作，且学生可以自行，无次数限制练习[14]。这些成功将VR 技术应用于医学教学中的案例为VR 技术应用于药学教学提供了良好的基础和宝贵的经验。

近年来，全国高校大力开展实验教学领域的虚拟仿真项目教学改革，截至2016 年，已建设了300 个国家级虚拟仿真实验教学中心[15]。西南大学开设的“强心苷药理学作用虚拟仿真实验”，将抽象的药物作用机制直观化，使Na+-K+-ATP 酶的超微结构清晰可见，也使药物作用于靶点后产生的细胞内信号通路、机体生理功能改变等抽象的药效学过程一目了然，有利于学生理解掌握[16]。长春医学高等专科学校结合其自身医疗机构药学部的工作场景及“药学服务”的教学标准要求，通过VR 技术，搭建药品仓库、仓库办公室、住院药房和门诊药房的三维仿真场景，并涵盖场景中的岗位标准化操作流程、管理控制规定和设备器械使用方式等内容，以游戏的模式引导学生完成学习过程，具有较强的操作性、趣味性和互动性，提高了学生对药学服务的认识和理解[17]。重庆医科大学于2015 年1 月成功获批国家级医学虚拟仿真实验教学中心，根据自身科研与教学的需要积极投人虚拟仿真实验室的建设，教师可充分利用虚拟仿真教学平台的资源，更新和丰富教学内容，此外，还具有实训系统，在该区间教师可借助VR 模拟多种实验教学环境，充分发挥学生的实践能力[18]。上海中医药大学教学实验中心于2016 年7 月建成中药学高效液相色谱技术VR 实验学习系统，广泛用于分析化学和中药学实验技能操作训练教学中，对学生的学习成绩及调查问卷分析，结果显示该虚拟仿真教学系统已初见成效[19]。除此之外，一些学者也致力于VR 课程设计软件的开发，如谭妙娟[20]等人，通过对VR 技术应用于天然药化实验的软件建立，课程内容设置等方面探讨，论述了VR 天然药物的化学实验课程构建的可行性；彭坤[21]等利用VR 技术构建了一套虚拟仿真半自动生化分析仪实训教学软件。

由此可见，教育工作者正在大胆的尝试将VR 技术应用于药学教学，这些先进的经验使VR 技术在药学教学中的普及成为可能。作为药学工作者应积极与高校图书馆、高校现代教育技术部合作，取得相关支持；积极与VR 公司联系，生产专门用于药学教学的VR 产品；与学科专家合作，制作新型VR 课程，开展VR 沉浸体验式学习模式为药学教学开辟新道路。

5 VR 技术在药学教学中应用的挑战

尽管VR技术给药学教学带来的新模式很令人向往，但仍有一些限制因素需考虑。首先，VR 常见的问题就是长时间应用设备，如佩戴VR 头盔，会引起使用者不适，包括恶心、出冷汗和脸色苍白。这与设备的重量、大小、视觉显示的像素、设备产热等因素有着密切关联，但随着技术的进步，设备的更新换代，VR 疾病的发生风险会不断降低，不再成为VR 技术应用的限制因素[22]。

其次，费用的问题。VR 课程的开发，需要配备高性能计算机、头盔式屏幕、数据手套等高端硬件设备，已保证虚拟场景的影像分辨率、响应速度与沉浸感。一台VR 台式电脑的最低售价为650 美元，“空间定位VR”头盔价格从200 美元到1 600 美元不等，尽管VR设备仍然相对昂贵，但包括头盔和电脑在内的VR 设备的成本自2017 年以来已经大幅下降。即便如此，如果一个机构为所有的学生购买足够的VR 设备，它仍然是非常昂贵的。随着新技术的发展，VR 设备价格应该为更多人所接受。

再次，VR 实验课程的开发，首先需要脚本设计、三维建模和场景构建，这一过程需要药学专业人员与建模、动画人员协同设计VR 课程的软件和计算机系统。对大多数教育工作者来说构建自己的VR 教学内容需要具备基本的编程专业知识，对于非开发者来说仍然是一个挑战，国内学者也正在探索教学课件与VR 技术的深度融合。这些因素使得VR 课程前期投入大，编写开发难度大、周期长，但随着“国家虚拟仿真实验教学项目工作网”的构建，某些学科领先的专业院校立项后，针对其优势实验门类集中开发，其他医学院校便可通过平台共享利用VR 软件资源。此外，随着Unity、Google Cardboard 等免费VR 制作软件的出现程序编写成本降低，加之计算机系统和软件实时更新容易，可以循环重复实验，有效地弥补前期投人的不足[20]。VR Education Holdings（VRE）公司声明可实现教育工作者将自己的3D 模型、幻灯片添加到VR 程序中，这成为教育者很具潜力的合作伙伴[23]。

最后，一些社会心理因素可能会限制VR 在药学教学中的应用。电子游戏成瘾，现已被列入世界卫生组织发布的第11 版《国际疾病分类》[24]，VR 可能有类似的成瘾倾向，一些学生可能需要避免使用这种平台；另外VR的应用会减少原本内向的学生与同龄人面对面交流，会让学生感到自己和现实世界完全脱节，对其性格发展产生不利影响。因此，教育者和开发者还需进一步探索，以充分克服VR 教学带来的学生身心健康发展问题。

6 展望

随着5G 时代来临，VR 技术取得巨大突破，融入我们的生活之中。该综述中，讨论了VR 技术的最新进展，VR 技术应用于药学教学的优势、药学教学中VR 课程开发的可行性分析及应用过程中可能会面临的挑战等问题，可以看到VR 在药学教学中的巨大潜力，相信随着信息技术的进步，VR 可能成为药学教学不可或缺的一部分，为药学教学带来全新的体验。