高校医学检验技术虚拟仿真教学实验室的构建探索

史良，杜尚珂，王莹，郭凡

河南护理职业学院，河南安阳 455000

现代医学科学技术日新月异，医学检验技术迅速发展，其覆盖了多学科，新技术应用最多，自动化水平不断提高，且与临床联系越来越密切，在临床诊断、科研、教学工作中发挥着重要作用，为临床疾病诊断、疗效观察、预后判断等提供重要的依据。特别是在新医科背景下，以人工智能、大数据为代表的新一轮科技革命和产业变革正在推动着医学检验发展进入新的阶段，对医学检验技术人才的培养也提出了新要求[1]。然而实验教学是医学院校非常重要的实践性教学环节，在培养学生实际动手能力和创新能力方面有着不可取代的作用。医学检验技术属于实验室医学，十分强调学生的实践操作能力和仪器操控能力，尤其是随着科技的进步，检验技术及检验仪器更是发生着日新月异的变化，这对医学检验技术专业的人才培养提出了更高的要求[2]。

当前线上授课模式已成为全国各大高校的重要教学方式之一，而无实物的实践教学成为困扰各学科开展线上教学的一大难题。虚拟仿真技术作为信息技术的产物，对于线下存在多种条件限制的实践教学来说是一种很好的补充，在高职院校实践教学领域具有广阔的应用前景，正逐步成为教学改革的新方向。

1 医学检验技术虚拟仿真教学实验室的构建背景及依据

为培养大批高素质卫生技术技能人才，满足临床需求，促进社会发展、保障人民健康，自2005 年中华人民共和国教育部启动了国家级实验教学示范中心建设工作，发布了《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020 年）》在“加快教育信息化进程”中也指出要建立“数字图书馆和虚拟实验室”。就在2020 年教育部又发布了《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设工作的通知》，虚拟仿真实验平台建设已成为高校实践教学改革的新方向，更快更好地建成育虚拟仿真实训教学实验室，既是对传统单一教学模式的改革，也是强化教学与实训相融合的重要教学活动，还是可以有效弥补高校教育实训工作中学生接触实验频率低、操作风险大、实验耗材成本昂贵等特殊困难的重要措施，国内的虚拟实验平台建设正在迎来新的发展契机。

高校医学检验技术专业是一门实践性强、多学科交叉融合的专业，有着其独特的技术特点与教学难点。而归纳起来有以下几点：①当下线上授课模式大发展，无实物的线上实践授课很难开展；②检验的检测对象多为微观结构、可视性差、概念抽象，学生难以通过传统讲授方式完全理解；③对实验者要求熟练精准，然而学生多、教师少、课时量有限，无法保证每位同学的学习质量；④对实验室环境建设要求较高：部分实验项目如细菌培养等需严格无菌环境，部分实验项目如病毒核酸检测存在感染风险等；⑤对于形态学等实践教学标本量需求大，无法涵盖全部疾病；对于一些稀缺标本如骨髓、脑脊液、胸腹水等相关项目的检测无法全部进行；⑥实验设备种类繁多，体积庞大，需要足够空间的作业场地，且更新迭代速度快，价格昂贵，无法做到与实际临床实验室相同步，后续仪器设备养护、维修同样也价格不菲等一系列问题。虚拟仿真实验平台的建设是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物，在实验教学改革之路上具有广阔的应用前景。

2 医学检验虚拟仿真教学实验室的构建

2.1 数字模型的构建

虚拟仿真实践教学是在网络化技术催生下发展起来的一种新型实践教学模式，对实体实验课程是一种很好的补充。随着现代信息技术的飞速发展，虚拟仿真技术已经逐渐应用于教育的各个领域，如机械工程、农林园艺、航海等，其在医学领域的应用也越来越广泛，临床医学虚拟仿真教学平台不仅可用于日常教学、线下监管、考核，最重要的是，利用计算机技术建立的虚拟环境，使实验者身临其境般运用各种虚拟实验器材和设备，对仿真设备和训练系统进行虚拟操作，从而达到全面提高临床教学质量、培养高层次医学人才的培养目标[3]。有效利用三维数字模型构建是提升虚拟交互的质量的重要环节，很多医学教学领域都积极采用3ds Max 作为重要的建模工具，这样能够对虚拟仿真实验室内部的整体景观和教学检验仪器设备等进行更加全面且细致的拍摄和采用，随后再使用先进的3ds Max 将所有在拍摄环节中出现的事物按照一定的比例在电脑系统中进行还原，并且需要构建出适合的数字模型，切实做好场景设置工作，还能够对建筑物的材质进行进一步的确定，利用动画设置工作可以将实验室的后续使用情况进行还原等。实验室中存在的各种仪器设备都能够在电脑系统中进行选定，并可以根据实验室建造条件的实际需求对其进行移动和旋转等，经过一系列的操作后能够实现其在电脑系统中的三维数字化呈现。

2.2 交互程序的开发

Unity3D 技术的使用对于促进虚拟实验室的发展也是极为重要的，它能够实现跨平台信息交互的功能，技术整体的性价比较高。此种引擎的使用可以切实处理好图形资料、音频文件、网络系统等多方面的信息，此种技术内部还置有NVIDIA 以及PhysX 等物理引擎，这种类型的引擎能够给予使用者更加真切的感受，让使用者能够具有更加逼真的互动体验。不仅如此，此交互程序在使用时支持阅览各种主流格式的文件，能够和大多数用户的电脑系统适配。Unity3D 在使用的时候，用户能够通过通过一些交互按钮对光源进行控制，还能够对声音或者是一些基础动作等加以控制。三维模型资源在应用的时候也能够得到顺利加载。用户还可以通过使用此种交互程序进行一些具有交互功能的操作，学生只需要在该动作所对应的栏目上输入相应的名称就能够实现对动作的设置。虚拟仿真实训教学必须以学生为中心，注重学生个性化教育，注重创新能力培养[4]。学生能够通过控制操控界面更好地浏览和欣赏医学检验技术领域的相关知识点，并且能够借此机会更加良好地交流互动。

2.3 医学检验技术虚拟仿真教学实验室的建设内容

各种先进虚拟建设软件的应用能够建成基本的虚拟临床医学检验技术实验室系统，并且能够开放底层的数据库，其中包含学生教师用户的基本信息，模拟患者的基本信息、检验结果，以及各种其他的文字、图片等数据信息。虚拟仿真教学实验室在建立的时候可以根据实际需求划分为不同的版本。比如可以划分为漫游版或者是学习版等，并且需要通过Web 实现对光盘以及手机系统等控制和运行。漫游板的使用能够切实实现对实验室布局以及相关规章制度的研究，让学生能够了解到虚拟实验室的基本情况。学习版的应用能够让学生更好地领悟医学检验技术领域知识点，并且能够学习到各种临床实验仪器的使用方法、部件组成，让学生对每种仪器的工作原理、注意事项等问题具有更加深刻的印象，学生能够在潜移默化中提升自身的样本检验能力，还可以把控好更换试剂的时机等。医学检验虚拟教学实验室的总体构成方式（见图1），此种虚拟仿真实验室的构建能够帮助学生更好地掌握血液学检验、微生物学检验、临床检验基础、分子生物学检验等的专业核心内容，并且能够帮助学生掌握使用生物安全柜、PCR 仪器、电化学发光仪等先进仪器的使用方法。学生在此过程中能够更好地实现人机互动，从多角度多维度观察临床检验仪器的结构特点、组成零件，同时全方面地学习和感悟仪器的操作方法及后期养护要点。同时，医学检验技术虚拟仿真实验室建立虚拟检验科基本技能训练和考核系统，可以打破传统通过实验报告考核学生实验水平的弊端，除了建立实验操作练习，系统还可设置思考题、实验测评、关键步骤考核等内容，教师可通过后台管理，看到每位学生的操作过程、考核成绩，了解学生实验操作中的难点、易错点，通过后台程序加标加文字等方式不断完善系统[5]。实验考核方式采用“通关游戏式”的过程考核，完成前一阶段考核后方可进入下一阶段[6]。

图1 医学检验技术虚拟仿真教学实验室结构

3 医学检验技术虚拟仿真教学实验室在教学工作中的优势

3.1 提升学生的学习效率

近年来，随着医学院校不断地扩大招生规模，高校实验室教学资源对于实际教学需求已很难负荷，很多临床教学工作难以在落后的教学模式下顺利进行。另外，因为医学检验技术实验室由于存放精密仪器、危险化学物品等因素其本身具有严格的实验室管理制度，只在固定的时间有专业教师指导的情况下开设，学生想要在空闲的时间接触到相关的设备实际上是无法实现的。学生无法随心所欲地进入到实验室，便无法做到对仪器设备、实验项目等反复操作精益求精。且在对部分检验项目实验教学过程中使用到的仪器设备、实验耗材等数量有限，无法满足大批量学生同一时间段操作，这就给实验教学中带来师资力量不足等问题。虚拟仿真实验教学突破了实体实验教学的局限性，通过其全天候的开放式实验平台，为学生提供了自由的学习环境[7]，能够让教学过程突破时间的局限和空间的限制，学生在网上可以进行各项实验的预实验，整个过程可自主选择实验所需器材、设备和检验程序，在全部选择正确的情况下可以出现理想的结果[8]。让学生能够有更多机会利用碎片化的时间进行练习，专业的信息操作指令让学生的练习效果事半功倍。

虚拟仿真实践的应用可以集多方资源，优化重构，建成后可以打破时空界限，利用虚拟实训资源实现育训高效结合，打造技能训练高频次、实践考核高标准的“智慧医疗卫生+”共享实践实训平台。从而使学生的学习效率可以借此机会得到根本性的提升[9]。同时，虚拟仿真实验室的构建符合现代化教学理念，并且实现了对实验教学的补充，通过利用虚拟网络提供真实化的场景，帮助学生完成实验操作，这样的方式不仅能够满足学生的学习需求，还能够为其创建一个良好的学习平台，转变学生以往的被动学习方式，使其更加积极主动地投入到学生中，从而促进其自主学习能力的提升[10]。

3.2 节省更多的实验成本

近些年，院校为了能够切实提升自身的实践教学质量已经购置了大量的自动化检验设备，这类设备的使用对于提高学生的临床检验技能是极为重要的，让学生的实践操作能力可以借此机会得到提升。但是，其中依旧存在一些亟待解决的问题。首先，临床检验实验设备种类繁杂众多，技术更新迭代速度飞快，以教学为目的的医学院校检验实验室能够投入的资金数额是较为有限的，因而各高校普遍存在购置的检验设备数量有限，设备类别覆盖面小，与临床一线检验实验室差别较大。其次，实践教学所需要大量的耗材试剂等，很多学生由于操作不熟练，需要反复返工操作，造成大量实验资源的浪费。对于一些特殊学科如形态学传统教学抽象、标本类型单一，不具代表性，仅靠“讲”与“演”一对多的模式使得课堂教学效果不尽如人意[11]。虚拟仿真教学实验室的使用就可以从根本上减少这些问题出现的概率，不用担心实验损耗及稀缺标本，也不用考虑仪器的更新迭代，能够切实减少实验室建设成本资金的投入，相关临床检验实验也可以顺利开展。

3.3 避免出现生物危害

基于网络技术对医学检验实践教学是很有优势的教学模式[12]。医学检验技术实验过程中，相关检测人员接触到患者血液、排泄物等可能会存在交叉感染的风险，也增加了病原微生物滋生传播扩散概率。尤其是医学检验专业学生，基础理论知识掌握并不牢固，生物安全意识薄弱，在实习的过程中接触到呈阳性的检验样本，一旦操作不当就可能造成感染。这就需要在校期间日常教学就要求学生对基础项目可以熟练操作。大力开展虚拟实验室，让学生有更多机会在虚拟环境中进行反复操作，让学生实现了“做中学、学中做”，极大地激发了学生学习的主动性和积极性[13-15]。促使学生能够迅速适应医院环境，参与临床检验工作时具有更高的效率和质量，从根本上提升学生生物安全防护水平，避免交叉感染、职业暴露等危害事件。

综上所述，医学检验虚拟仿真实训教学平台的构建，对教师的“教”和学生的“学”都具有一定的促进作用。对于高职院校医学检验技术专业教学，虚拟仿真教学实验室的构建是极为重要的，虚拟仿真实验平台提供的是一个理想的实验环境和实验过程。真正做到帮助学生在更加完善的学习环境中提升自我综合能力。在自动化检验仪器已经逐步普及的当今社会，如何更加高效地开展医学技术实践教学工作依旧是各高校需要重点研究的问题，将虚拟仿真技术与医学检验技术实践教学相结合，以其先进的技术进行深层次的推广，对于医学检验实验室的建设及检验教学改革甚至整个医学的发展都将是一次革命性的突破。