醫學檢驗虛擬仿真實訓教學平臺的構建與應用

劉家秀，許國瑩，李 靖，楊學藝，薛 白，朱 玲

江蘇護理職業學院醫學技術學院， 江蘇 淮安 223005

我國《教育信息化十年發展規劃(2011—2020)》中指出：加強高校數字校園建設與應用，其中包括教學實驗平臺等信息化建設[1]。隨著《2018年教育信息化和網絡安全工作要點》(教技廳[2018]1號)文件的出臺，再次強調了信息技術與高等教育教學的深度融合，要求“加快推進示范性虛擬仿真實驗教學項目建設，項目運營平臺上線運行，認定兩批350個項目，形成支撐22個專業類的在線虛擬仿真實驗教學項目集成學習環境”[2]。可見，虛擬實訓平臺作為一種新型的教學模式，在國家的大力推動下必將成為未來的重點發展方向。同時，虛擬仿真實訓教學也契合當今大學生的學習能力和認知特點[3]，建設能夠滿足專業需求的虛擬實訓教學平臺，顯得尤為重要。

1 虛擬仿真實訓平臺應用

醫學檢驗是一門實踐性非常強的學科，實訓操作和臨床實踐貫穿整個教學過程。實訓教學環境的優良與否直接關系到學生能否掌握好該門課程。心理學家瑞特拉研究表明，同樣的知識采用不同的教學方式呈現時，效果有顯著差異。構建醫學檢驗虛擬仿真實訓教學平臺，教師能夠采用“做中學”的教學模式，使多種媒介的信息同時作用于學生的各個感官，有助于提高學生的理解能力、實踐能力，直到形成合適的行為模式以及行為系統[4]。建設虛擬仿真實訓平臺，具有良好的應用前景，可以解決如下問題：解決醫學檢驗技術高、精、昂貴儀器培訓難問題；規范檢驗技術的標準化操作培訓；規避檢驗技術培訓的生物安全問題；節約檢驗技術培訓的試劑耗材成本；解決臨床檢驗中形態學資源短缺問題；提高學生學習醫學檢驗專業課程的學習興趣[5]。

2 虛擬仿真實訓教學平臺特點

2.1 與醫學檢驗行業趨同

信息化管理是當今社會發展的趨勢，目前掛號、打印醫院的檢驗報告都直接由LIS系統完成。因此，醫學檢驗虛擬仿真實訓平臺的功能模塊應該與檢驗科LIS系統一致或相似[6]，如在平臺導入與實際工作相關的質量手冊、規章制度、SOP等文件；再將虛擬實驗融入其中，實現以工作任務為導向，以學生為主體的實訓教學模式。有利于學生認識、了解目前醫院檢驗信息的管理方式與要求，從而進一步提高其崗位適應能力。

2.2 線上與線下相結合

湖南醫藥學院費嫦[7]等的實踐顯示：使用虛擬仿真平臺的學生占學生總人數的 80%，經常使用的學生占 50%左右。因此，如何提高平臺的使用率、提高學生學習的積極性，同時避開虛擬仿真實訓的缺點，如人與機器無情感交流、虛擬教學時間長會讓學生感到孤獨和壓抑、不能培養學生的動手能力和團隊精神等[8-11]，注重傳統實驗與虛擬仿真實驗教學資源的共同建設，注重傳統實驗與虛擬實驗的無縫對接。線上，學生完成虛擬操作；線下，采取網絡課程知識競賽、網絡課程設計大賽等讓學生參與到網絡課程教學的設計和實施環節，實現將“線上”和“線下”融為一體。

2.3 基礎性與應用性相結合

虛擬仿真實訓教學平臺重點解決實際實驗、實訓中由于資源限制(如流式細胞儀、血細胞分析儀、自動生化分析儀等儀器昂貴)、條件限制(如微生物對實驗室環境要求高、預防微生物污染難度大、病毒培養條件要求高、周期長等不能大范圍開展)、實際訓練效果不佳等客觀問題。同時兼顧課程整合，注重虛擬實驗與臨床典型病例相結合，形成基于器官、系統、疾病的系統化體系[12]。如多發性骨髓瘤檢驗包括《臨床檢驗基礎》《血液學檢驗》《生物化學檢驗》和《免疫學檢驗》課程的知識，可以整合成多發性骨髓瘤的臨床檢驗。

2.4 過程性與終結性評價相結合

虛擬仿真實訓教學平臺的設計要體現評價主體和評價指標的多元性。評價主體的多元性：包括三方評價，即本人評價，校內評價和校外評價；評價指標的多元性：包括醫學檢驗技術專業課程的條件質量、過程質量和結果質量[13]。因此，醫學檢驗虛擬仿真實訓教學平臺使用角色應該包括醫學檢驗技術專業教師、醫學檢驗技術專業在校學生、校內督導、校企專家、醫學檢驗技術專業畢業生、醫院檢驗科專家、非用人單位等。他們圍繞學生實驗過程分別完成不同的評價任務，為實驗教學服務。應注重學生虛擬實訓的過程性評價環節，將過程性評價和終結性評價更好地結合。

2.5 人文關愛與素質教育相結合

以全面培養學生綜合素質為核心，注重人文關愛與素質教育。隨著醫患矛盾日益加劇，以及00后生源“以自我為中心”的整體特征，教師在實際教學與虛擬教學過程中要加強職業素質教育，如醫學倫理、人文關愛，強調“以人為本”的虛擬仿真教學，實驗過程中在加強技能操作的同時，加強仁愛精神教育。例如：在虛擬操作中，時時要求學生模擬與患者溝通交流；對真實患者影像資料加強隱私保護等。

2.6 短期與長期相結合

虛擬仿真實訓教學平臺的構建需要硬件、軟件、資金和人力的投入。隨著儀器、檢驗項目的發展，平臺更新需要既懂專業又熟悉信息化技術的專業人才，這就要求學院給予政策扶持[14]。利用多種途徑籌集平臺建設的資金、積極積累和總結建設經驗，隨著檢驗醫學的進展及時更新平臺內容。

3 虛擬仿真實訓教學平臺結構框架

3.1 虛擬仿真內容

對醫學檢驗專業課程進行調研分析，根據《臨床檢驗基礎》《血液學檢驗》《生物化學檢驗》《免疫學檢驗》《微生物學檢驗》和《寄生蟲學檢驗》實訓要求確定需要進行虛擬仿真的模塊。一方面，采用不低于1 080p的高清視頻拍攝與整理三級醫院檢驗科目前的主流儀器(自動生化分析儀、血常規分析儀等)、檢驗標本(血液、尿液、糞便等)類型、醫院開展的經典手工操作項目(白細胞計數、革蘭染色等)、使用的試劑(定標液、質控液等)及工具(移液管、加樣槍等)；另一方面，對專業課程中抽象的原理通過繪圖、文字等方式與技術人員對接，形成以視頻、圖片為主要依據的開發思路。

3.2 虛擬仿真結構

采用SQL Server 2012數據庫規劃管理虛擬仿真實訓教學平臺。平臺管理包括用戶管理、課程管理、資源管理和考試管理。

用戶管理開發軟件為C/S架構，設置客戶端和服務器，服務器獨立構建數據庫和Server構建，客戶端在構建三維虛擬場景中實現虛擬實驗的交互操作。包括年級管理、班級管理、角色管理和用戶導入；課程管理根據醫學檢驗專業課程劃分為臨床檢驗基礎、血液學檢驗、生物化學檢驗、免疫學及檢驗、微生物學及檢驗、寄生蟲學檢驗六個模塊。每個課程的資源根據內容分為實訓素材、微課資源、臨床案例和虛擬實驗；資源管理便于教師根據自己的教學思路對實驗內容進行新增、刪除、編輯、屏蔽等；考試管理包括管理員、教師和學生，具體如圖1所示。

圖1 醫學檢驗技術專業虛擬仿真實訓教學平臺框架

4 平臺資源

以“以實為本、以虛補實、虛實結合、能實不虛”為原則，按照專業課程劃分資源。采用3Dmax、Maya、Unity3D等三維仿真軟件制作模型資源，采用實物照片合成、數據挖掘整理合成、手工建模三種制作方式，以三維視角、高度逼真的場景展現醫療檢驗設備的結構和功能、手工操作的流程，以及抽象的知識點。根據樣品對象和檢驗項目不同，醫院檢驗科專家、專業教師和技術人員確立各個不同的場景。采用B/S結構，以網絡瀏覽器為系統運行平臺，實現不受時間、空間、人數和設備限制(如PC、手機、ipad)任意訪問。

4.1 實訓素材

包括實訓課件、業務流程、教學視頻及圖片等。圖片以《血液學檢驗》為主，以《臨床檢驗基礎》《微生物檢驗》《寄生蟲檢驗》《病院生物與免疫》為輔。包括血液、尿液、精液、陰道分泌物、糞便、病原微生物、腦脊液等有形成分。圖片的分辨率、清晰度和色彩與顯微鏡下接近。融辨別、標注、編輯、放大、形態考試等功能于一體。

4.2 微課資源

按照醫學檢驗專業課程劃分微課資源，包括網絡共享微課和虛擬實驗對應的微課。通過網絡共享微課加強學生的自學能力，通過虛擬實驗對應的微課讓學生提前熟悉實驗內容和步驟，為實訓做好準備。

4.3 臨床案例

以樣本檢測為主線，將樣本檢測過程中出現的各種因素融入檢測過程中。以檢測技能思維訓練、影響因素分析、臨床意義作為知識點考核，訓練學生的臨床思維能力、分析能力、解決問題能力。

4.4 虛擬實驗

包括醫學檢驗專業課程基本實驗和大型儀器操作。基本實驗：如血涂片的制備與瑞氏染色、紅細胞ABO、Rh血型鑒定、血清丙氨酸氨基轉移酶活性測定、革蘭染色、四區劃線、冷凝集素試驗、病理切片的制備等；大型儀器：如血液分析儀、尿液干化學分析儀、尿沉渣分析儀、全自動生化分析儀(如圖2所示)、細菌鑒定儀、藥敏儀等，集儀器結構、原理、操作、維護、保養于一體。

圖2 全自動生化分析儀

5 醫學檢驗虛擬仿真實訓教學平臺的教學效果

為了提高教師對虛擬軟件的應用和學生使用的積極性，設置真實實驗和虛擬實驗相結合的教學模式。課前，學生通過登錄虛擬操作平臺預習，設計實驗方案并完成虛擬操作；課中，再次讓學生完成相應的虛擬實驗，成績通過考核要求方可進入真實實驗室。教師根據學生虛擬操作后臺反映出的問題和實驗設計中的弱點著重分析講解，輔助學生完成任務；課后，學生提交實驗數據和實驗報告，完成復習題。此部分實驗主要解決真實實驗室無法實時開放，打破傳統實驗教學對時、空的限制，學生可以隨時、隨地登錄系統，完成虛擬操作。

虛擬仿真實訓教學綜合質量評價中真實實訓成績占80%，虛擬操作占20%。真實實訓評價包括職業素質、專業能力和專業知識三部分；虛擬實訓包括操作時間、操作次數和操作效果三部分，具體如表1所示。

表1 虛擬仿真實訓教學綜合質量評價賦分表

通過比較(如表2所示)發現，實驗班的綜合質量分數與對照班級相比，其平均分高于對照班，差異具有統計學意義(t期中=2.03，P<0.05，t期末=2.531，P<0.05)。表明傳統教學班級積極性不高，而虛擬仿真實訓教學班級調動了學生的積極性，由“要我學”轉變成“我要學”，有效提高了學生對于檢驗知識和技能的掌握能力。

組 別人數期中成績期末成績實驗班51(83.57±7.03)?(85.78±7.32)?對照班50(76.32±7.27) (77.51±8.21)

注：*與對照班相比，P<0.05

醫學檢驗虛擬仿真實訓教學平臺的構建，對教師的“教”和學生的“學”都具有一定的促進作用。教師在使用虛擬仿真實訓教學平臺的過程中，要查閱資料、觀察學生操作情況，并及時更新教學內容，從而促使專業教師進一步加強自身專業素質及能力。此外，醫學檢驗虛擬仿真實訓教學平臺提供的豐富立體化教學資源和形式多樣的實驗情境以及臨床思維拓展實驗，能夠化繁為簡、化抽象為具體，提高學生的學習興趣，激發學生的創新意識，培養實踐創新能力。因此，醫學檢驗虛擬仿真實訓教學平臺真正實現了以教師為主導，學生為主體，能進一步提高醫學檢驗技術專業的實訓教學質量。