医学生理学虚拟仿真项目的设计与实现

白晓洁,封启龙,燕 子,王 瑾

(山西医科大学基础医学院生理学系, 太原 030001)

生理学是医学生一门重要的基础课程。该课程实践性很强,几乎每一个理论知识点都有科学实验的支撑。同时,生理学教学内容的内涵丰富,可以拓展的方向很多。如何更好地延伸课堂教学,呈现给学生不同方式的课程体验,与教学辅助技术的发展息息相关。最初,知识的获取主要依靠教师的语言描述,辅以挂图、投影、教具等。随着多媒体技术进入课堂,教师可以在教学过程中引入动画、视频、音频等,让课本上枯燥的文字、图片可视化、可听化,变得生动起来。但是这些视听资料多源于网络,不能完全匹配教学要求。对学生而言,也是被动观看,缺少参与度,教学效果仍然欠佳。

虚拟仿真技术又称灵境技术或人工环境,是一种由计算机辅助生成的高技术模拟系统,旨在利用计算机生成关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟人为环境,并能与之“交互”[1]。在生理学教学中引入虚拟仿真技术,将部分授课内容情境化、可视化,并且实现人机交融和互动,对传统教学模式将是重要的补充和进阶,对于“早临床,早科研,早社会”教学目标的实现也具有非常重要的意义。但是,虚拟仿真只是一项先进的技术,教师想要充分地、有意义地将其应用于实际工作,需要对项目进行精心构思和合理设计。本文以“心功能的评价”项目的开发和建设为例,对生理学虚拟仿真项目的选题、设计方案以及技术应用等方面进行探讨,为虚拟仿真技术更好地服务于生理学教学提供借鉴和参考。

1 生理学虚拟仿真项目要基于实际教学需求,不做“科技秀”

虚拟仿真项目制作成本较高、需要特定的平台和技术支持,不可能应用于每一个知识点。因此,教师在教学中应用虚拟仿真技术,要以服务于人才培养为目的,而不是简单的追求“科技秀”。项目设计需要确定的第一个重要因素就是该项目的主旨内容及使用虚拟仿真技术的必要性。

以血液循环一章为例,这一章在授课过程中重点、难点较多,也有很多与科研实验、临床诊断、治疗的交融点,单纯靠教师讲授很难达到最佳教学效果。“心功能的评价”部分是在结束心脏泵血功能基础知识讲授后,向学生介绍临床和科研实际工作中心功能评价的常用方法和技术指标。受场地、环境以及其他条件限制,真实场景教学不可能完全实现。因此,我们以该知识点为虚拟仿真项目的选题,设计开发了“心功能的评价-基础与临床整合实验教学”项目。该项目主要包括临床心功能评价技术心导管术和超声心动图以及基础动物实验经颈总动脉心室内压力测定技术,结合基础知识的虚拟仿真展示和人机互动的进阶式引导和测试,充分调动学生的学习兴趣,以提升教学效果。

2 生理学虚拟仿真项目不是实验教学的替代品,项目设计要避免重操作、轻思考

生理学的教学任务包含理论教学和实验教学。实验教学的主要对象是动物,如蛙类和家兔。实验目的首先是让学生掌握一些经典的生理功能检测方法,实际操作必不可少,虚拟仿真技术不能完全替代。所以,实验条件具备的动物实验和部分人体无创生理功能实验本着能实不虚的原则,无需进行虚拟仿真项目的建设。可见,生理学虚拟仿真项目不是真实实验的替代品。充分利用虚拟仿真技术服务于生理学教学,精心设计非常重要[2]。

在我们设计的“心功能的评价”虚拟仿真项目中,引入了两项临床心功能检查的技术:心导管术和超声心动图。从专业技能角度,这两项技术知识点非常多,从适应证,到操作流程、技术指标、参数设置等,非常复杂,这些内容大多不属于生理学教学范畴。所以,在虚拟仿真项目设计时,我们把握生理学“心功能的评价”部分的教学重点,结合这两项技术的特征,心导管术主要选择心血管各部位的压力测定,获取压力曲线评价心脏功能。超声心动图选择了两个心功能评价的常用指标,即评价收缩功能的EF值和评价舒张功能的E/A比值,简要介绍了获取这两个数值的基本过程。同时,在项目中融入课程思政和医学伦理教育,每个点的设计背后都隐含着教学目标,启发学生积极思考。如心导管术开篇介绍时,我们给学生讲述了“心导管之父福斯曼”在自己身上进行心导管试验的故事,希望学生了解科学的每一个进步都来之不易,需要为科学献身的精神、对科学的无比热爱以及过人的勇气、胆识和坚强的意志。心导管术是一项有创性检查,在术前需要与患者或家属进行谈话。我们在虚拟仿真项目里通过选择题的方式让学生思考与患者沟通的内容,初步进行临床思维的培养。

3 生理学虚拟仿真项目尽可能做到“虚实结合”

虚拟仿真技术在教学上的应用要把握能实不虚、以虚补实、虚实结合的原则,着力解决教学目标要求但现实条件不具备,或涉及高危、极端环境(医学专业涉及伦理问题)、高成本、高消耗等问题[3]。因此,能以真实情境实现的教学内容尽量采用线下形式,虚拟仿真技术只是真实教学的补充和辅助。这是项目设计的基本理念。另外,一些虚拟仿真项目是基于某些实验或技术一次性操作成功概率不高,需要反复练习,不断纠错纠偏才能完成,这种类型的项目可以采取虚实结合的设计,既节约了实验材料(如实验动物),打破了实验时间和空间的限制,允许学生反复练习,也可以让学生有在真实环境中学习技能的机会。

在“心功能的评价”项目中,临床心功能评价技术(心导管术和超声心动图)需要专业人员方可操作,检查现场也不适合大批量人员观摩。因此,该部分内容设计为完全虚拟仿真,并且紧扣生理学教学目标,选择与教学内容相关的指标测定为学习内容。而动物心功能评价部分,我们采用虚实结合的方式。经颈总动脉左心室插管术需要一定的手术技巧,在有限的实验课学时中完成困难。因此,我们利用虚拟仿真技术,设置实验步骤提醒,引导学生在线上完成实验,记录到左心室压力曲线,完成指标测定。学生完成线上学习后,可申请和预约线下真实动物实验。在这部分内容设计时,我们给学生提供录制好的真实实验小视频,有助于学生更好地完成学习任务。

4 生理学虚拟仿真项目可以充分利用三维可视化技术,助力学生化难为易

与技能实训课不同,生理学教学中引入某些临床诊疗技术和动物实验的目的是为了更好地帮助学习特定的理论知识,其操作的具体过程和细节并不是教学重点。技术或实验的设计原理、获得指标的意义等才是我们应当引导学生去关注的问题。而这些知识点即使是到现场观摩实习,多数也只能依靠讲解来完成,教学效果一般。

三维(3D)可视化是一种高级图像处理和数据显示技术,通过计算机软件,将多组相关二维数据重建为三维立体化模型,从而实现对数据特点和内涵更直观、更深入的理解[4]。在生理学虚拟仿真项目的设计中,我们可以充分借助三维可视化技术,将某些在真实情境下无法直观看到的界面展示给学生,帮助学生理解和掌握学习内容。从这个角度可以说,虚拟仿真项目不仅是真实教学的有力补充和辅助,一些先进技术手段(如三维可视化)的应用也使虚拟仿真教学在某些方面拥有了真实教学不具备的教学功能。

如前所述,心导管术是我们设计的“心功能的评价”虚拟仿真项目中的临床技术之一,包括右心导管术和左心导管术,具有不同的临床适应证、穿刺部位和导管路径。我们采用了三维可视化技术,可以清楚地看到导管从穿刺部位进入后在心血管的走行路径,特别是进入心脏后,在收缩和舒张状态下同步显示导管进入的位置和记录到的压力曲线,对于学生理解心导管术的过程和记录指标的临床意义非常有帮助。在另一种临床技术:超声心动图的设计中,我们同样采用三维可视化技术显示胸骨旁左心室长轴切面和心尖四腔切面的探头位置和切面对应的心脏解剖区域。这样的设计,直观、清晰、简单明了地诠释了抽象的知识,显著提高了教学效率。在动物实验的虚拟仿真设计中,三维可视化技术同样清楚显示了插管经颈总动脉插入心室的路径。而在真实实验中,这个过程完全是盲插,依靠操作人员的手感进行。通过可视化技术,学生了解了插管在行进过程中经过的结构和位置,建立“手感”时更具理论基础,有助于真实实验时更快速、更准确地完成。

虚拟仿真技术的出现,使教学形式多了一种新的选择。合理利用虚拟仿真教学项目,能够优化教学过程,帮助学生快速掌握教学内容。但是,先进的技术需要赋予其有价值的内涵,设计是虚拟仿真项目成功的关键。生理学作为一门与临床密切相关、又是实验科学的课程,需要更多途径充实实践教学,虚拟仿真是一种可行的方式。教师作为项目设计的主要人员,要以教学目标为导向,贴合教学内容,注重思维培养,合理利用先进的多媒体技术,虚实结合,使虚拟仿真项目更好地为教学服务。