数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用

冒小妹　顾准　郁惠珍　金晨

摘 要：数字孪生系统可以通过建立数字模型模拟实际系统的行为和性能，为生物医药的研究和应用提供更加准确、高效的方法。随着社会的发展、时代的更迭，数字孪生系统的应用已经逐渐拓展到众多领域中，例如生物医药领域。为了更好地发展生物医药事业，加强数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用研究具有重要的现实意义。因此，探讨数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用，包括教学手段、教学方法和教学效果等方面，并结合实际案例进行阐述，最后提出数字孪生系统在生物医药类专业教学中应用应注意的问题和发展趋势，希望能为相关单位及工作人员提供一定的帮助。

关键词：数字孪生系统；生物医药类专业；教学应用；教学手段；教学方法；教学效果

2019年5月16日，习近平总书记在给“国际人工智能与教育大会”的致贺信中强调中国高度重视人工智能对教育的深刻影响，鼓励大力发展智能化、交互式在线教育模式，增强在线教育体验感，推动线上线下教育融通。

“数字孪生”这一概念是在2011年被提出的，实际上是指通过数字化的方式创建实体的虚拟模型，并对物理实体的空间和时间维度进行数字化表达和动态表征[1]。随着我国科技领域事业的快速发展和数字化技术的普及，数字孪生系统逐渐成为一个热门的研究方向。数字孪生系统可以通过建立数字模型模拟实际系统的行为和性能，为各项研究和应用提供更加准确、高效的方法，涵盖地理学、材料学、生物学等理科、工科和文科领域[2]。当前，数字孪生系统在生物医药领域的应用已经取得了一定的成果，例如在医疗设备优化、手术规划和治疗方案个性化等方面都有广泛的应用[3]。近年来，在生物医药类专业教学过程中，数字孪生系统成为一种新型教学手段和方法。

1 数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用优势

近年来，我国科技领域事业不断迈向新的发展历程，各种具有时代特色的科技产品相继涌现，成为人们生产生活中不可或缺的一部分，不仅提高了人们的生活质量与生产效率，还大幅提升了我国的社会生产力。数字技术是新时期我国大力推广的一项创新科技。随着数字化浪潮的兴起，各种虚拟仿真技术不断进入人们的视野，例如虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，还衍生出增强现实（Augmented Reality，AR）技术、全息投影（也称虚拟成像技术）等[4-5]。传统的VR技术具有实时交互和应用广泛的优势，可以营造出高度逼真的虚拟环境，使用户产生身临其境的感觉；用户在虚拟环境中进行自由操作，可以更好地探索和了解所模拟的对象。这一技术被广泛应用于游戏、教育、医疗等领域，可以满足不同类型的需求[6-7]。但是，其局限性也比较明显，VR技术主要适用于虚拟环境的建模和仿真，基本依赖于虚拟世界，缺乏与实物的交流。

现阶段，我国生物医药类专业在教育教学事业发展过程中的“三高三难”（即高投入、高损耗、高风险，难实施、难观摩、难再现）问题尤其突出，比如动物实验[8]。一是院校需要花费大量的人力、物力购买、饲养和照顾实验动物，二是学生在动物的解剖、给药等操作难度大的实验中需要反复练习，并且对实验场地有高标化要求，以避免病原微生物感染等潜在的危害。普通的VR技术操作以按键或鼠标点击为主，而数字孪生技术可以配备与机器连接的实体动物模型，通过真实地看、摸、做等方式实现学生各个感官功能的有效发挥，真正做到虚实结合、有效训练。

2 数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用手段

在新时期背景下，数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用已经十分普遍，加强数字孪生系统在生物医药类专业教学中应用的研究成为生物医药类专业教育事业未来发展历程中的不可逆趋势。数字孪生系统可以作为一种全新的教育教学手段，用于生物医药类专业的教学活动中。利用数字孪生系统，教师可以向学生展示生物医药领域的复杂系统以及具体过程，帮助学生更好地理解和掌握相关知识和技能。数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用手段主要包括以下3种。

（1）数字化仿真实验。数字孪生系统可以帮助生物医药类专业教育工作者在课堂教学活动开展过程中进行虚拟化的实验。在此情况下，生物医药类专业教育工作者可通过建立数字模型模拟实验过程，并向学生展示实验过程和结果。学生了解实验原理和操作步骤后，可以在系统中通过点击、按键或者移动操作界面等一系列操作，闯关式地完成实验任务、熟悉实验的各个流程。此部分应用与普通的VR技术类似。

（2）虚拟手术/解剖模拟。这部分内容是数字孪生系统的一大突出優势，数字孪生系统可以开发出与虚拟界面连接的实物模型，教师以此模拟手术/解剖过程，并向学生展示手术过程以及操作技巧，学生也能切实提高手术操作能力和手术风险评估能力。新西兰兔是生物学中研究心血管及消化道疾病的常用动物模型，以此为例，通过虚实结合的方式构建新西兰兔的生理系统。其中，外置的智能传感兔全身覆盖真实柔软的毛发，具有仿真的肌肉组织、手感真实有弹性的仿真皮肤和完整的仿真骨骼结构，配备真实针具用来模拟扎针、抽血操作，另有专业的三维解剖系统以满足教师教学和学生训练对解剖的需求。

（3）智能辅助诊断。教师通过建立数字模型模拟疾病治疗的过程，并向学生展示诊断过程以及诊断技巧。学生能借此深入了解疾病原理和诊断技巧，从而提高诊断能力和诊断准确率。

以上3种应用手段都可以通过数字孪生系统实现，有效提高生物医药类专业教育教学活动开展的效率和质量。加强数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用不仅可以帮助相关教育工作者更好地传授知识，还可以帮助生物医药类专业学生更好地掌握相关方面的知识和技能，为生物医药领域的健康稳定发展培养出更多专业水平达标的高素质人才。

3 数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用方法

3.1  教师演示法

生物医药类专业教育工作者在教学活动开展过程中可以通过数字孪生系统为学生进行相应的演示并作出详细讲解，充分发挥数字孪生系统的可视化功能，向学生展示生物医药领域的复杂系统和过程，帮助学生更好地理解和掌握相关知识和技能。以新西兰兔系统的透明/可视化功能为例，该系统支持一键皮透明、骨透明、肌肉透明，渐进式控制整体透视，模拟表皮、肌肉、骨骼、血管等全部组织结构从微透到全透的过程变化，通过这些妙趣横生的演示，学生能更加轻松地掌握相关方面的理论知识，提升学生的学习水平，丰富学生的知识储备，为学生未来的职业发展奠定坚实的基础。

3.2  学生操作法

在运用学生操作法开展生物医药类专业教学活动时，教师可以在课堂上为学生分配相应的任务，要求学生利用数字孪生系统开展模拟实验、虚拟手术模拟或者智能辅助诊断等操作，提高学生的实践能力和应用能力。例如学生在开展兔类实验的过程中，可以选择不同类型的钳、针，用于缝合内脏、血管、内部组织、肌肉等部位。系统具有进针路径记录功能，学生能更好地了解器械手术解剖点、插入位置。

3.3  个性化学习法

数字孪生系统可以充分结合学生的不同需求和能力，为学生提供个性化的学习资源以及学习路径。教师可充分利用数字孪生系统的数据分析和人工智能功能，对学生的学习情况进行监测和分析，并根据学生自身的特点以及实际需求，为学生提供相应的学习资源以及学习建议，有效提高学生的学习效果和学习满意度，为后续教学工作的开展提供助力。

3.4  团队合作法

在生物医药类专业教学活动中，教师可以将学生分成不同的小组，要求他们利用数字孪生系统进行团队合作以及项目实践，有效提高学生的团队合作能力以及项目管理能力。

3.5  小结

数字孪生系统的应用方法可以根据具体的教学目标和学生需求进行选择和组合，相关教育工作者也可以根据自己的教学经验以及学生反馈选择合适的应用方法，提高生物医药类专业教学效率和质量。

4 数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用效果

4.1  提高学生的学习兴趣和学习积极性

数字孪生系统有外置的实物模型，如人体骨骼、肌肉系统或者实验鼠、兔、犬、猴模型，给学生强大的视觉冲击，缓解学生对真实操作的恐惧，通过丰富的教学内容和互动式学习方式吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣和积极性。

4.2  提高学生的学习效果和学习质量

学生通过模拟实验、虚拟手术和智能辅助诊断等应用手段不断练习，通过增加练习次数、提高操作难度和精度提高实践能力和应用能力，实现学习效果和学习质量的大幅度提升。

4.3  培养学生的创新能力和解决问题的能力

数字孪生系统可以通过个性化学习和团队合作等应用手段，培养学生的创新能力和解决问题的能力，从而为生物医药领域的发展培养更多的人才。根据学生的不同需求和能力，数字孪生系统可以提供相应的学习资源和学习建议，培养学生的创新思维和解决问题的能力，促进学生之间的互动和交流，提高学生的团队协作和沟通能力，从而培养学生的创新能力和解决问题的能力。

4.4  提高教师的教学效率和教学质量

数字孪生系统可以为教师提供更丰富、更直观、更准确的教学资源和工具，从而提高教师的教学效率和教学质量。

5 存在的问题和挑战

数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用也面临一些问题和挑战，主要包括以下4个方面。

5.1  技术支持不足

数字孪生系统需要强大的技术支持和数据支持，以保证其在生物医药类专业教学中的应用效果。然而，目前国内数字孪生系统的技术水平较低，需要加强研发和技术创新，以更好地应用于生物医药类专业教学。

5.2  应用场景单一

目前，数字孪生系统的应用场景主要集中在实验模拟和手术模拟等方面，缺乏其他方面的应用和创新。因此，需要加强对数字孪生系统的研究和探索，扩大其应用场景和领域，更好地支持生物医药类专业教学的发展。

5.3  数据质量不稳定

数字孪生系统需要大量的数据支持，以更好地模拟和仿真动物体内的生理和病理过程。然而，由于数据来源和数据质量不稳定，数字孪生系统的应用效果和准确性存在一定的局限性。相关人员需要加强对数据来源和数据质量的监管，提高数字孪生系统的应用效果和准确性。

5.4  人才缺乏

数字孪生系统的应用需要具备一定的计算机技术和医学知识，因此，需要培养一批具备跨学科背景和综合能力的人才，以支持数字孪生系统的应用和发展。

6 结语

数字孪生系统是一种新型教学模式，能更好地支持生物医药类专业教学的发展。数字孪生系统可以提高学生的学习兴趣和学习效果，培养学生的创新能力和解决问题的能力，同时可以提高教师的教学效率和教学质量。然而，数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用也面临一些问题和挑战，需要加强技术研发和数据支持，扩大应用场景和领域，提高数据质量和人才培养水平，从而更好地支持生物医药类专业教学的发展。随着技术和教育的不断发展，数字孪生系统在生物医药类专业教学中的应用前景会越来越广阔。

[参考文献]

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[2]张天驰，曹建秋.基于数字孪生技术的“智慧虚拟现实与元宇宙”课程教学改革探索[J].黑龙江工程学院学报，2023（2）：73-77.

[3]赵霞，曹晓均，李小华.医学数字孪生应用研究与关键技术探析[J].医学信息学杂志，2023（4）：12-17.

[4]宋攀，于雪昆，胡亞峰，等.全息投影技术在虚拟服装展示中的应用[J].西部皮革，2023（3）：26-28.

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