醫(yī)學(xué)院校開設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)課程的教學(xué)實(shí)踐

劉 佳，郭婷婷，王艷華，婁 巖

中國醫(yī)科大學(xué)公共基礎(chǔ)學(xué)院， 沈陽 110122

虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的仿真系統(tǒng)，可以使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺[1]。近些年將虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種新型的教學(xué)手段引入高校實(shí)踐教學(xué)得到了普及應(yīng)用，促進(jìn)了教育方式的變革[2]。

與其他學(xué)科相比，高校醫(yī)學(xué)教育不僅要傳授基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)知識(shí)，更需要將醫(yī)學(xué)理論和臨床實(shí)踐密切結(jié)合[3]。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的教學(xué)模式已不能滿足當(dāng)下醫(yī)學(xué)知識(shí)、技術(shù)日益發(fā)展的速度，抽象的醫(yī)學(xué)理論難以理解，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的有限性也制約了醫(yī)學(xué)生臨床實(shí)踐機(jī)會(huì)。為了解決這些問題，眾多的醫(yī)學(xué)院校都將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到教學(xué)之中。如運(yùn)用計(jì)算機(jī)采集人體的真實(shí)數(shù)據(jù)并結(jié)合尸體切片合成數(shù)字人體三維結(jié)構(gòu)[4]；通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立包括臨床基本技能、內(nèi)科技能等多種技能訓(xùn)練[5]系統(tǒng)。

目前，在結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的醫(yī)學(xué)教學(xué)中，學(xué)生只是作為虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的使用者，采用的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品多依靠公司企業(yè)的采購或定制。如何使虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品貼近醫(yī)學(xué)生的需求，如何真正地激發(fā)醫(yī)學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)理論的深刻理解，這需要醫(yī)學(xué)生親自參與到虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的制作中來。因此，在醫(yī)學(xué)院校開展虛擬現(xiàn)實(shí)課程變得更加迫切。中國醫(yī)科大學(xué)在2014年即對(duì)計(jì)算機(jī)本科教學(xué)課程啟動(dòng)教學(xué)改革，面向所有專業(yè)學(xué)生開設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程。

1 醫(yī)學(xué)院校虛擬現(xiàn)實(shí)課程設(shè)置

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)課程目標(biāo)

在醫(yī)學(xué)院校中開設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)課程，目的是讓醫(yī)學(xué)生通過三維場景的搭建，掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的運(yùn)用。其中主要包括：

知識(shí)目標(biāo)：使學(xué)生了解和掌握虛擬現(xiàn)實(shí)(包含增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以下同)的基本概念和術(shù)語、核心技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢等。

能力目標(biāo)：掌握醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)的制作原理、方法，了解虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)展示、體驗(yàn)、培訓(xùn)等方面的運(yùn)用。

素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、資源素材收集整理能力以及分工合作等綜合的科研能力。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)課程在醫(yī)學(xué)院課程體系所處位置

目前，中國醫(yī)科大學(xué)的課程體系設(shè)置和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與其他課程間關(guān)系如圖1所示。在低年級(jí)開設(shè)公共基礎(chǔ)課程和醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課；高年級(jí)開設(shè)醫(yī)學(xué)專業(yè)課和各種臨床診斷學(xué)科。虛擬現(xiàn)實(shí)課程位于此課程體系中間位置。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與醫(yī)學(xué)院中其他課程間關(guān)系

虛擬現(xiàn)實(shí)課程是一門多學(xué)科的交叉課程，不僅以信息科學(xué)為基礎(chǔ)，也融合了數(shù)學(xué)、物理等作為理論和技術(shù)方法的支撐[6]。同時(shí)學(xué)生具有一定的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)，可以結(jié)合醫(yī)學(xué)知識(shí)創(chuàng)造出與醫(yī)學(xué)相關(guān)的作品。當(dāng)學(xué)生具備研發(fā)能力后，可以自由地將醫(yī)學(xué)各個(gè)專業(yè)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮自我能動(dòng)性取得實(shí)踐創(chuàng)新成果。虛擬現(xiàn)實(shí)課程位于課程體系中間位置，既可以減輕高年級(jí)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，也可以盡早掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和提高醫(yī)學(xué)生的綜合素質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)課程教材的選擇

為了適應(yīng)醫(yī)學(xué)院校對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)際需求，我們精心編寫適用教材并歷經(jīng)4年多次對(duì)教材改版。現(xiàn)選用自編的《虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論》一書，介紹虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新進(jìn)展，將概念描述、原理講解、實(shí)例分析三者結(jié)合[1]。同時(shí)，也編寫了《虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用指南》結(jié)合實(shí)例講解技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程，并附以詳盡的操作步驟和大量操作截圖、腳本代碼，成為學(xué)生不可缺少的輔助教材[7]。

1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)課程教學(xué)內(nèi)容

虛擬現(xiàn)實(shí)課程教學(xué)內(nèi)容分為理論和實(shí)踐二部分、四大教學(xué)模塊。先通過理論部分結(jié)合醫(yī)學(xué)實(shí)例深入淺出地講解，使學(xué)生在理解原理和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)架完整的知識(shí)體系，再通過應(yīng)用相關(guān)軟件實(shí)踐操作結(jié)合醫(yī)學(xué)知識(shí)開發(fā)出虛擬現(xiàn)實(shí)作品。虛擬現(xiàn)實(shí)課程主要教學(xué)內(nèi)容如表1所示，虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)內(nèi)容之間關(guān)系示意圖如圖2所示，虛擬現(xiàn)實(shí)具體教學(xué)實(shí)施方案如表2所示。

表1 虛擬現(xiàn)實(shí)課程主要教學(xué)內(nèi)容

表2 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)施方案

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)內(nèi)容之間關(guān)系示意圖

2 教學(xué)模式探索

從2014年開始，在學(xué)校一年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程后，所有醫(yī)學(xué)專業(yè)(臨床醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、護(hù)理、影像、口腔、預(yù)防、檢驗(yàn)等)均開設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)課程，累計(jì)上課人數(shù)達(dá)6 000多人。經(jīng)過多年的實(shí)際教學(xué)探索，發(fā)現(xiàn)采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)模式可提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性及教學(xué)效果。

2.1 建立虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室+體驗(yàn)式教學(xué)

為課程教學(xué)建立專用的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室。為增強(qiáng)虛擬環(huán)境中的沉浸感，實(shí)驗(yàn)室采用包括立體投影、虛擬現(xiàn)實(shí)工作站和立體眼鏡等多種立體顯示設(shè)備，同時(shí)配備了數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)、Kinect、Leap Motion等多種用于實(shí)時(shí)交互的特殊外設(shè)[8]。在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室中，教師不僅可以將理論和實(shí)際操作相結(jié)合展示各種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，也可以將學(xué)生做出的虛擬現(xiàn)實(shí)作品呈現(xiàn)出來，并讓其親身體驗(yàn)自己的成果，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 項(xiàng)目教學(xué)+分組協(xié)作

將教學(xué)實(shí)驗(yàn)作為“項(xiàng)目”來完成。在教師的指導(dǎo)下，由學(xué)生自愿結(jié)合成開發(fā)小組，分工完成醫(yī)學(xué)信息的收集、方案的設(shè)計(jì)、作品開發(fā)及評(píng)價(jià)等各個(gè)過程。學(xué)生團(tuán)隊(duì)通過虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)項(xiàng)目展開，了解、掌握開發(fā)中每一個(gè)環(huán)節(jié)的基本要求，有利于加強(qiáng)學(xué)生個(gè)體的自學(xué)能力及團(tuán)體協(xié)作能力。

2.3 建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)+翻轉(zhuǎn)課堂、微課教學(xué)

除了在仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行體驗(yàn)教學(xué)外，理論教學(xué)也采用了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)，學(xué)生在教學(xué)資源平臺(tái)的管理下，組成了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。通過學(xué)生端可聽取教師的課程講解，上傳下載相關(guān)資料。教生之間通過教師端與學(xué)生端通信進(jìn)行提問和解答。正因?yàn)橛辛司W(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的支持，課程可以采用翻轉(zhuǎn)課堂和微課的教學(xué)方式，將學(xué)生分成學(xué)習(xí)討論小組，學(xué)生課前收集課程相關(guān)內(nèi)容，課堂上將遇到的問題在小組內(nèi)和組間討論，提高課堂教學(xué)效率。

2.4 創(chuàng)新競賽+校企聯(lián)盟實(shí)踐+學(xué)術(shù)交流

教學(xué)不僅體現(xiàn)在課堂上對(duì)知識(shí)的理解和掌握，更重要的是教學(xué)背后的延伸，使學(xué)生能將教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為技術(shù)成果，輔助學(xué)生的創(chuàng)業(yè)和就業(yè)[9]。具體的方法可以分為“走出去”的參與各項(xiàng)創(chuàng)新競賽和“引進(jìn)來”的校企聯(lián)盟實(shí)踐和學(xué)術(shù)交流。

學(xué)生在掌握了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)后，在課堂上創(chuàng)造出醫(yī)學(xué)仿真作品，進(jìn)一步通過參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽與不同院校的學(xué)生交流，拓展眼界，相互學(xué)習(xí)，不斷完善、豐富自己的作品。該校學(xué)生近年來多次以虛擬現(xiàn)實(shí)作品參加各項(xiàng)比賽，2018年以“VR技術(shù)在產(chǎn)科教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用”參加遼寧省本科大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)競賽獲得一等獎(jiǎng)。

校企聯(lián)盟實(shí)踐也是促使學(xué)生參與實(shí)踐的重要途徑之一。通過吸收學(xué)生加入到研發(fā)團(tuán)隊(duì)，參與醫(yī)療虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)、測試過程，學(xué)生可以了解社會(huì)的真正需求。也因?yàn)榫哂嗅t(yī)學(xué)知識(shí)的背景，可以從使用者的角度對(duì)產(chǎn)品提出設(shè)計(jì)和改進(jìn)意見。校企聯(lián)盟實(shí)踐的教學(xué)方式使教學(xué)和實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)緊密地聯(lián)系在一起，是醫(yī)學(xué)院校培養(yǎng)高層人才的有益手段。如“膝關(guān)節(jié)微創(chuàng)手術(shù)三維仿真規(guī)培系統(tǒng)”是以中國醫(yī)科大學(xué)計(jì)算機(jī)教研室為主體，由教師、學(xué)生、醫(yī)師、企業(yè)技術(shù)人員共同參與的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用項(xiàng)目[10]。

2018年初在校內(nèi)舉辦了首屆中國智能醫(yī)學(xué)論壇，邀請(qǐng)全國眾多的醫(yī)院、醫(yī)學(xué)院校和相關(guān)醫(yī)療器械研發(fā)企業(yè)專家做了多場學(xué)術(shù)報(bào)告，使學(xué)生和教師了解到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和虛擬仿真交叉融合的前沿技術(shù)，引進(jìn)先進(jìn)的思想理念和高水平技術(shù)。

2.5 教學(xué)評(píng)價(jià)方法

教學(xué)評(píng)價(jià)是教學(xué)過程和教學(xué)質(zhì)量體現(xiàn)方式之一[11]。虛擬現(xiàn)實(shí)課程的教學(xué)評(píng)價(jià)由對(duì)授課教師的評(píng)價(jià)和學(xué)生課程成績測評(píng)兩部分組成。教師教學(xué)評(píng)價(jià)分為教研室組織的同行評(píng)審教師聽課機(jī)制和由學(xué)校教務(wù)處期末進(jìn)行學(xué)生對(duì)任課教師的打分制度來實(shí)施，以便使教師認(rèn)真完成教學(xué)任務(wù)；學(xué)生課程成績測評(píng)分為卷面測試(占總成績70%)和虛擬現(xiàn)實(shí)作品的評(píng)分(占總成績30%)。卷面測試主要考察學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)基本概念和相關(guān)技術(shù)原理。作品評(píng)分要求按項(xiàng)目小組自行創(chuàng)意醫(yī)學(xué)相關(guān)作品，由授課教師給出等級(jí)評(píng)分和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)，這種考核方式可以提高學(xué)生的創(chuàng)造熱情和減輕學(xué)生期末復(fù)習(xí)負(fù)擔(dān)。

3 學(xué)生作品介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)課程的開設(shè)引起學(xué)生極大的興趣，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下已設(shè)計(jì)并完成了大量優(yōu)秀的醫(yī)學(xué)作品。圖3是由3Ds Max制作的靜態(tài)醫(yī)院病房模型，可以作為一個(gè)場景加載到后期的醫(yī)院漫游作品中。圖4也是由3Ds Max制作的人體受精全動(dòng)態(tài)過程。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)課程教學(xué)反思

4.1 在醫(yī)學(xué)院校開設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)課程的益處

在醫(yī)學(xué)院校中開設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)課程是將傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、醫(yī)療技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真與教育的融合與應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生提供生動(dòng)、真實(shí)的交互性學(xué)習(xí)環(huán)境，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[12]。

圖3 醫(yī)院病房靜態(tài)模型

圖4 受精過程動(dòng)態(tài)仿真

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)發(fā)展的短板之一是內(nèi)容匱乏，即使已經(jīng)制造出了頭盔等沉浸式VR設(shè)備，卻缺乏可以在設(shè)備中體驗(yàn)的高質(zhì)量的內(nèi)容[13]，尤其是與醫(yī)學(xué)相關(guān)的產(chǎn)品。醫(yī)學(xué)院校具備深厚的醫(yī)學(xué)背景和便利的醫(yī)療儀器設(shè)施，相對(duì)于工科學(xué)校有著天然的醫(yī)學(xué)理論優(yōu)勢，更方便與技術(shù)結(jié)合，使醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)作品更貼近醫(yī)療實(shí)際需求。

學(xué)生參與醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)作品的制作，可以更好地理解在各個(gè)醫(yī)學(xué)學(xué)科引入的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生不僅是實(shí)驗(yàn)課程的參與者、使用者，也可以成為課程的設(shè)計(jì)者，進(jìn)而提高醫(yī)學(xué)生對(duì)專業(yè)的深入理解及其觀察和思考能力。

學(xué)生可以應(yīng)用仿真技術(shù)開發(fā)醫(yī)學(xué)作品參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，為自身的創(chuàng)造性提供實(shí)驗(yàn)場、為就業(yè)打開了新的領(lǐng)域，也為培養(yǎng)科研型、創(chuàng)新型的復(fù)合醫(yī)學(xué)人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[14]。

虛擬現(xiàn)實(shí)打破了空間和時(shí)間的限制，提供了新的觀察和思維方式，讓學(xué)生更注重體驗(yàn)認(rèn)知和多學(xué)科知識(shí)的融合應(yīng)用，為學(xué)生在未來的學(xué)習(xí)中開拓了解決問題新能力。

4.2 實(shí)施虛擬現(xiàn)實(shí)課程的制約因素

開設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)課程受到許多因素的制約：首先是建立虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)施需要大量資金。為了達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)要求的沉浸感和交互性，需要采購專門的硬件設(shè)備，如虛擬三維投影顯示系統(tǒng)、高性能圖形生成處理器等。這些專業(yè)設(shè)備比較昂貴，應(yīng)用到教學(xué)中如每人或每組配備虛擬設(shè)備進(jìn)行操作，資金的需求就更有壓力，限制了虛擬實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模[15]。其次是虛擬現(xiàn)實(shí)是近些年發(fā)展起來的新興技術(shù)，進(jìn)行授課的教師也需要不斷地學(xué)習(xí)與探索，但是缺乏知識(shí)的積累，缺乏行業(yè)專家的指導(dǎo)，在一定程度上限制了教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)充和更新；這也使得選擇適合醫(yī)學(xué)生的虛擬現(xiàn)實(shí)教材也受到限制，大部分都不能滿足實(shí)際教學(xué)需求，內(nèi)容過于理論化。還有，醫(yī)學(xué)院校的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)醫(yī)學(xué)專業(yè)人才，虛擬現(xiàn)實(shí)課程占用醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)專業(yè)課時(shí)間，是否增加學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)一直都是討論的焦點(diǎn)話題。所以，虛擬現(xiàn)實(shí)與醫(yī)學(xué)的協(xié)調(diào)發(fā)展不是一日之功，需要教育領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)院校的領(lǐng)導(dǎo)、專家、教師、學(xué)生共同努力才會(huì)推動(dòng)醫(yī)學(xué)教育事業(yè)的蓬勃發(fā)展。