信息化巧解醫(yī)學實驗難題

■本期關注：虛擬仿真教學

編者按

虛擬仿真教學是信息化背景下出現的新教學模式，推動了教學改革，提升了教育質量。虛擬仿真教學資源有哪些特點？如何開發(fā)？如何助力教師教學創(chuàng)新？本期?？l(fā)記者采訪報道，并邀請專家就上述問題進行研討。

近10個月，訪問量過2.3萬人次，實驗人次過0.5萬，評價2200多條……新鄉(xiāng)醫(yī)學院副教授趙俊強打開國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺網頁，向記者展示了他帶領團隊研發(fā)的“植入式心臟起搏器構造及工作原理虛擬仿真實驗”教學系統(tǒng)的使用和評價情況。“植入式心臟起搏器價格昂貴，在教學實驗中一次毀壞性教學成本太高，目前國內還沒有高校購買實物開展實驗教學。我們團隊研發(fā)的這項系統(tǒng)能夠有效解決這個堵點問題，也填補了國內心臟起搏器虛擬仿真教學實驗的空白?！壁w俊強說。

2022年4月，河南省高等教育教學成果獎揭曉，趙俊強主持的“新醫(yī)科建設背景下虛擬仿真‘金課’資源共建共享模式研究”獲特等獎，而“植入式心臟起搏器構造及工作原理虛擬仿真實驗”教學系統(tǒng)便是在這一共建共享模式指導下產生的應用成果之一。

校企聯合研發(fā)

解決實驗教學“堵點”問題

在實驗教學中，由于時間固定、空間受限、資源不足等問題，大量醫(yī)學實驗“做不了”“做不好”“做不上”，虛擬仿真實驗教學能夠以真實的體驗有效解決這一問題。

早在2018年，趙俊強團隊就開始嘗試心臟、關節(jié)等虛擬仿真的建模工作。隨著新醫(yī)科、新工科融合發(fā)展的建設要求，團隊圍繞服務醫(yī)學專業(yè)和醫(yī)學工程專業(yè)教學工作的目標，投入大量精力到虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)研發(fā)中去。虛擬仿真資源建設的核心和難點在于研發(fā)，同時需要虛擬仿真技術團隊、課程專業(yè)師資隊伍以及大量資金支持等。趙俊強團隊將思路轉移到“校企聯合研發(fā)”上，與一家實力雄厚的虛擬仿真技術單位聯手進行系統(tǒng)研發(fā)工作。

“醫(yī)學儀器原理”是生物醫(yī)學工程本科專業(yè)的核心課程，趙俊強團隊貢獻心臟解剖圖、起搏器電路圖等，以及醫(yī)學和工學相關專業(yè)理念和設計，基于CDIO工程教育模式設計出豐富的實驗內容、精準的實驗路徑；由技術公司將理念和設計采用UE4虛擬引擎+Web3D等技術，1:1模擬當前先進的單腔和雙腔心臟起搏器，將抽象的電路用動畫呈現、將復雜的結構用3D模型呈現，清晰地展示其內部構造和工作原理，并設計了操作積分環(huán)節(jié)、游戲通關環(huán)節(jié)讓實驗更加生動有趣。經過2年的研發(fā)和試應用工作，終于完成了“植入式心臟起搏器構造及工作原理虛擬仿真實驗”這一虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。

這一系統(tǒng)包括在線實訓和考核兩個環(huán)節(jié)，分為系統(tǒng)認知、數據制作、模型構建、模型訓練和模型驗證五大模塊，每一模塊又分為若干實驗操作，模塊之間有機銜接、功能遞進又可形成閉環(huán)反饋；系統(tǒng)提供手機端和電腦端，在應用中可以有效輔助人體心臟解剖、心臟手術實驗教學等相結合，充分體現了高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，為臨床醫(yī)學及醫(yī)工類的學生提供了便捷的實驗機會。

目前，該教學系統(tǒng)，在新鄉(xiāng)醫(yī)學院、西南醫(yī)科大學、廣西開放大學、河南工學院等院校投入使用?！拔覀冞B續(xù)兩年用這一虛擬仿真系統(tǒng)開展教學，不僅受到學生的歡迎，也解決了實驗‘做不了’的困擾?！毙锣l(xiāng)醫(yī)學院醫(yī)學工程學院教師秦鑫說。西南醫(yī)科大學醫(yī)學信息與工程學院在教學中使用這個系統(tǒng)，提高了教學效果，促進了教學形式的創(chuàng)新。

建教產學研聯盟

推廣虛擬仿真教學應用

“實驗教學虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)成本投入非常高，而在疫情防控之下，網上教學新常態(tài)的背景下，這一研發(fā)領域的現實需求非常大。只有更多的高校和企業(yè)加入到研發(fā)和使用中來，形成聯盟、加速產業(yè)化，才能夠全面盤活這一研發(fā)和建設工作?！壁w俊強說。

幾年前，虛擬仿真還僅是一個概念，很多教師由于不了解而不容易接受和深度參與其中。趙俊強團隊和國內多股虛擬仿真建設力量攜手，從推廣理念做起，鋪開了“大棋盤”。自2018年起，團隊參與舉辦了線上線下全國虛擬現實與增強現實技術培訓班與研討工作坊16場，近2萬名教師參與學習。團隊還聘請中科院院士10余人、教育信息化和醫(yī)學教育專家50余人為河南相關領域教師、管理人員與學生開展講座近200場；2019年起主要參與籌備舉辦三屆全國大學生智能技術應用大賽，參賽師生5000余人……積極在全國高校師生中推廣信息技術融合智慧教育和虛擬仿真教學資源共享共建新理念、新技術。

隨后，趙俊強團隊代表新鄉(xiāng)醫(yī)學院主要參與并聯合北京大學等216家單位成立高等學校智能醫(yī)學教產學研聯盟，組織86家單位成立河南省醫(yī)學虛擬現實產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟，為新成果和資源的推廣應用、共建共享搭建了寬廣平臺，促進產教新合作、加速產業(yè)化。

趙俊強團隊還首批加入全國虛擬仿真實驗教學創(chuàng)新聯盟，與清華大學、北京大學等國內一流高校共同制定《虛擬仿真實驗教學課程建設與共享應用規(guī)范》，統(tǒng)一了新標準。

目前，河南省虛擬現實醫(yī)學仿真院士工作站、河南省虛擬仿真實驗教學中心、河南省醫(yī)學VR工程技術研究中心先后落戶新鄉(xiāng)醫(yī)學院。一個個新平臺的打造，也為趙俊強團隊研發(fā)和推廣應用新成果提供了新契機。團隊負責人及成員獲批教育部虛擬現實協同育人項目4項，獲得各級各類教學成果獎項17項，指導大學生完成國家級和省級競賽項目及獲獎總數在全國參賽高校中位居前五名，育人成效顯著。

校政企攜手

凝練虛擬仿真共建共享模式

隨著科學技術的飛速發(fā)展，新醫(yī)科建設和教育信息化2.0行動計劃的不斷推進，虛擬仿真相關理念及其在教學在高等醫(yī)學教育實踐中的應用以一日千里的速度突飛猛進。

全國多所高校投入人力、物力和智力在交流借鑒中，研發(fā)建設了醫(yī)學虛擬仿真實踐教學資源416個，這些教學資源涉及醫(yī)科、理科及工科類相關課程。在西南醫(yī)科大學等100多所學校得到了不同程度的應用，受益師生達3萬多人。

然而，實驗教學虛擬仿真系統(tǒng)研發(fā)與應用實踐中，仍存在高校“單打獨斗”“從頭研發(fā)”的情況，不僅浪費人力物力，不利于統(tǒng)一標準，還帶來了推廣應用的諸多問題。因此，各高校需聯合起來，攜手政府、企業(yè)，集滴水而成河、聚沙礫而成塔，形成一種共建共享模式。趙俊強告訴記者：“在虛擬仿真系統(tǒng)的研發(fā)和推廣工作中，從實踐中總結出經驗并形成研發(fā)模式，比進行實驗教學系統(tǒng)研發(fā)更重要?！?/P>

其實，2021年，趙俊強團隊聯合中國醫(yī)科大學、西南醫(yī)科大學等高校、技術公司等多家單位，以400多個虛擬仿真資源為樣本，針對其研發(fā)、推廣實踐和教學效果評價等環(huán)節(jié)進行研究，通過多次研討交流和科學的統(tǒng)計分析，總結經驗、查找問題并針對問題進行建設性的修正，最終凝練出了“新醫(yī)科建設背景下虛擬仿真‘金課’資源共建共享模式研究”。而這一模式是國內第一個政校企合作、多維共建的虛擬仿真教學資源共享共建模式，為虛擬仿真教學資源共建共享的推廣提供了可參考的路徑。

中國工程院院士趙沁平認為，研究成果針對我國高等醫(yī)學教育虛擬仿真資源建設難題，提出了醫(yī)學仿真教學資源建設新理念，首創(chuàng)醫(yī)學虛擬仿真教學資源 “五位一體”共建+“一三六”共享新模式，該模式對全國醫(yī)科高校具有積極的借鑒價值和引領示范作用。

《中國教育報》2022年10月25日第4版