基于虛擬現(xiàn)實的醫(yī)學教學質(zhì)量保障研究

王岳 陳晨 王錦秀 沙琨

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.031

摘 要 隨著VR技術(shù)的快速發(fā)展以及VR使教學有效性不斷提升，VR被更廣泛地應用在醫(yī)學高等教育領域以提高醫(yī)學教學質(zhì)量。如何在醫(yī)學教學中有效地應用VR，評估教學效果，實現(xiàn)VR與課程的融合，成為醫(yī)學教育者關(guān)注的重點。醫(yī)學教育專家應參與VR醫(yī)學教學設計、開發(fā)、應用、評估全過程，以期有效開展VR教學，保障基于VR教學的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實；醫(yī)學高等教育；教學質(zhì)量保障

中圖分類號：E251.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）04-0031-04

Research on Quality Assurance of Medical Teaching Based

on Virtual Reality//WANG Yue， CHEN Chen， WANG Jinxiu，

SHA Kun

Abstract With the development of VR technology and the

growing effectiveness of teaching based on VR， VR is more

and more widely used in higher medical education to improve

the quality of medical teaching. How to effectively apply VR in medical teaching， evaluate the teaching effect and realize the integration of VR and curriculum gain the attention of me-

dical educators. Medical education experts should participate fully in VR teaching design， application and evaluation to obtain a better effect of VR teaching.

Key words virtual reality; higher medical education; tea-ching quality assurance

0 引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）的多感知性、強交互性和沉浸感為醫(yī)學教學創(chuàng)新變革提供了有力支撐，技術(shù)的進步提高了VR醫(yī)學教學的可及性和可負擔性。當前，國內(nèi)外醫(yī)學教育工作者正在積極探索將VR引入醫(yī)學教育課程，如西班牙加泰羅尼亞理工大學利用VR開展人體解剖教學[1]，美國克利夫蘭大學利用VR幫助醫(yī)學生學習神經(jīng)外科手術(shù)技能[2]，辛辛那提大學醫(yī)學生利用VR學習嬰兒呼吸窘迫臨床評估[3]。

現(xiàn)有研究證實了VR作為學習工具的有效性，學習者利用VR可以獲得更好的學習體驗和學習結(jié)果[4]；探究了學習者基于VR的學習過程，VR提供的刺激會激發(fā)學習者的認知和情感變化，進而引起學習結(jié)果的變化[5]。但是，隨著VR在醫(yī)學教育中的應用不斷深入，確保基于VR的醫(yī)學教學質(zhì)量成為高等醫(yī)學教育者面臨的首要問題。教師、教學設計師、學習者、內(nèi)容專家、技術(shù)人員等VR教學過程參與者需要基于正確的教學理論，從資源設計與開發(fā)、教學設計與實施、學習效果評價維度出發(fā)，確保VR教學的有效性。

1 教學理論基礎

相較于其他媒體，VR的本質(zhì)是利用計算機生成的虛擬場景有效替代真實的感官刺激，學習者在虛擬環(huán)境中會產(chǎn)生身處某一虛擬地方，相信虛擬環(huán)境中發(fā)生的事情，認為與他人共處一處并與之接觸的心理感受。具身認知理論、體驗學習理論、情境學習理論、游戲化學習理論等為VR教育應用提供了理論依據(jù)，為VR醫(yī)學教學應用開辟了廣闊的空間。沉浸式、交互式的虛擬情境可以為學習者提供視、聽、觸、嗅等刺激，激發(fā)學習者的學習興趣和動機，有效觸發(fā)身體、認知和環(huán)境的有效互動。在VR環(huán)境中，學習者可以獲得真實的社會情境和文化情境體驗，應用新知識與技能，進行“順應、同化和遷移”等認知過程，完成知識建構(gòu)。

2 資源設計與開發(fā)

2.1 內(nèi)容設計

VR教學資源直接影響教學效果，設計者要確保內(nèi)容的有用性、適用性和有效性。資源的設計與開發(fā)需要不同領域?qū)＜夜餐瑓⑴c[6]，跨學科專家團隊包括臨床專家、教學設計師、教師、學習者、VR技術(shù)人員等應參與資源的設計、開發(fā)、驗證、評估、優(yōu)化、實踐等過程，保障資源質(zhì)量。資源的創(chuàng)建包括內(nèi)容的視覺可視化、功能可視化和操作可視化，專家團隊要確保資源與現(xiàn)實保持視覺一致、功能一致、情境一致，為醫(yī)學生提供沉浸式體驗。

VR資源建設需要臨床專家的支持，保障資源內(nèi)容的真實性和科學性。臨床專家為VR技術(shù)人員進行器官、醫(yī)療設備等建模提供專業(yè)的內(nèi)容指導，確保呈現(xiàn)的組織、器官、設備等與現(xiàn)實保持一致；提供臨床數(shù)據(jù)，為技術(shù)人員模擬標準化病人、再現(xiàn)臨床反應、可視化病因病理、創(chuàng)建臨床場景等提供指導；對資源質(zhì)量進行把關(guān)，針對資源存在的問題提出建議，實現(xiàn)資源的優(yōu)化與迭代。

為確保資源有助于醫(yī)學生學習，教學設計師應基于教學目標、教學內(nèi)容、醫(yī)學生特征選擇或設計資源。教學設計師應當基于不同的教學需求確定資源的保真度，如解剖教學資源仿真度越高越有利于知識理解，手術(shù)操作資源逼真度越高越有利于技能掌握，情境模擬資源越真實越有利于情感獲得；選擇合適的資源交互、反饋元素，幫助醫(yī)學生進行操作與反思，如器官的選擇、放大、縮小，手術(shù)操作的角度、深度、力度，問診時與虛擬病人的交流、儀器檢測操作等；內(nèi)置評價標準，對醫(yī)學生的學習行為進行客觀的自動化分析，提供形成性和總結(jié)性評價；內(nèi)嵌導航功能，為醫(yī)學生提供學習指導，降低外在認知負荷；設置暫停或退出機制，允許醫(yī)學生個性化控制資源體驗時長。

資源的設計應當以用戶為中心，避免以技術(shù)為導向造成資源無效。VR醫(yī)學教學應用的最終對象是教師和醫(yī)學生，資源的設計需要充分考慮用戶體驗和教學效果。除了積極參與資源的設計、開發(fā)過程外，授課教師和醫(yī)學生應在正式推廣前試用資源，提供意見和反饋，確保教學資源與教學目標的一致性和資源的有效性。

技術(shù)人員基于知識內(nèi)容、臨床數(shù)據(jù)、教學需求、技術(shù)標準進行3D建模、角色動畫和編程等，構(gòu)建沉浸式的學習環(huán)境，并基于評估意見和反饋對資源進行修改，最終構(gòu)建允許醫(yī)學生體驗真實的情感反應和行為的沉浸式的、動態(tài)的、自適應的交互式資源，幫助醫(yī)學生學習知識、練習技能、培養(yǎng)情感態(tài)度，提高教學質(zhì)量。

2.2 技術(shù)標準

為確保醫(yī)學生獲得有效的視、聽、觸等刺激，VR系統(tǒng)的設計與開發(fā)必須基于一定的技術(shù)標準進行[7]。VR系統(tǒng)本身應當采用標準化的數(shù)據(jù)模型、接口等創(chuàng)建虛擬環(huán)境，以便在異構(gòu)計算環(huán)境中創(chuàng)建、管理虛擬對象；采用標準化的數(shù)據(jù)壓縮、渲染格式，實現(xiàn)跨異構(gòu)計算環(huán)境傳輸數(shù)據(jù)信息；提供標準化的用戶友好界面，兼容多種數(shù)據(jù)標準和功能的應用程序，允許醫(yī)學生控制、操作虛擬對象；通過傳感器在虛擬環(huán)境中可視化和交互式地模擬真實的信息，實現(xiàn)教師、醫(yī)學生與虛擬場景的信息交互。

VR系統(tǒng)傳遞教學內(nèi)容時應遵循人機交互原則，利用高分辨率、低延時的畫面和聲音，追蹤器，觸覺輸入和反饋設備，創(chuàng)建逼真的、交互式的虛擬環(huán)境，為醫(yī)學生提供真實的體驗，允許醫(yī)學生以自然的方式最大限度地實現(xiàn)感知。教師應當提高VR系統(tǒng)的易用性，降低對醫(yī)學生注意力的分散；保障系統(tǒng)的安全性，避免對醫(yī)學生造成傷害。同時，由于VR伴有暈屏、定向障礙、記憶混淆、成癮性等潛在副作用，教師應試用VR設備保障系統(tǒng)的安全性，有效降低VR系統(tǒng)本身對學習者造成的負面影響。

3 教學設計與實施

作為以醫(yī)學生為中心的學習工具，VR提供了新的醫(yī)學教學方式，將給醫(yī)學教學模式創(chuàng)新帶來重大變革[8]。然而，VR醫(yī)學教學應用仍處于初級階段，教育工作者需要進一步探索如何將VR納入課程，實現(xiàn)VR與課堂的有機融合，從而有效促進醫(yī)學生學習，提高教學質(zhì)量。

3.1 教學應用情境

VR創(chuàng)建不同的醫(yī)療場景，允許醫(yī)學生安全地體驗放射診療室、傳染性疾病、戰(zhàn)場救護等；允許醫(yī)學生扮演醫(yī)生、護士等不同角色，了解醫(yī)院工作人員及其職責，從而提高協(xié)作和溝通技能；呈現(xiàn)病人、家屬視角的情境，幫助醫(yī)學生感受病人、家屬的反應和態(tài)度，增加同理心，從而建立良好的信任關(guān)系、降低醫(yī)患沖突，更好地治療、護理、服務病人。

VR可以三維呈現(xiàn)解剖學知識，包括內(nèi)臟器官結(jié)構(gòu)分布、病因病理，幫助醫(yī)學生內(nèi)化知識[9]。醫(yī)學生利用VR提供的臨床技能實踐環(huán)境，通過觸覺反饋系統(tǒng)真實感受切割組織與器官時的壓力、觸感等，系統(tǒng)地提升運動認知；反復練習，體驗操作失誤的后果，提升操作和決策技能。VR還可以提供真實、復雜的臨床病例，幫助醫(yī)學生進行臨床診斷決策，溝通和制訂治療方案。

VR還可被應用于醫(yī)學生評價，內(nèi)嵌評價標準的VR系統(tǒng)可以通過分析醫(yī)學生在虛擬情境中的行為及臨床結(jié)果進行即時、客觀的評估；教師通過觀察醫(yī)學生與VR系統(tǒng)的交互，判斷醫(yī)學生的掌握程

度[10]；醫(yī)學生通過系統(tǒng)記錄回顧自我表現(xiàn)，開展自我評價。

3.2 教學模式

VR可以作為課堂教學的補充，輔助醫(yī)學生學習。在這種情境中，VR作為一種學習技術(shù)，以多感官刺激、強交互的方式呈現(xiàn)學習內(nèi)容。教師利用基于VR的教學活動增強醫(yī)學生的學習興趣與動機，增加醫(yī)學生學習參與度，促進醫(yī)學生對知識的理解。

VR可以成為課堂學習與臨床應用的橋梁，彌補理論與臨床技能之間的差距。雖然VR還無法呈現(xiàn)真實或標準化病人反應，反映技能操作熟練度和精準度，但是VR提供了新的技能習得方法，允許醫(yī)學生進行安全、可重復、標準化的練習[11]，提高實踐技能，從而更好地實現(xiàn)課堂學習到臨床應用的轉(zhuǎn)變。

VR可以替代課堂教學，允許醫(yī)學生開展個性化的主動、協(xié)作、探究學習，這為在線學習和混合式學習提供了可能。這種情境下，教師可以基于教學目標和個性化學習需求創(chuàng)建虛擬學習環(huán)境，利用系統(tǒng)記錄的學習數(shù)據(jù)提供相適應的學習資源，幫助醫(yī)學生進行自適應學習。醫(yī)學生自定學習步調(diào)，選擇合適的時間和地點訪問或回顧學習資源；獲得客觀的即時反饋，進行學習反思，主動采取措施提高技能。多用戶虛擬學習環(huán)境支持不同專業(yè)醫(yī)學生協(xié)同完成學習任務，醫(yī)學生學習結(jié)束后還可以與同伴或教師進行分享討論，獲得協(xié)作式學習體驗。

4 質(zhì)量評估

評估者需要利用定性和定量的方法，在不同教育情境中對VR系統(tǒng)進行連續(xù)、系統(tǒng)、完整的科學評價，確保VR系統(tǒng)的醫(yī)學教學有效性。評估者可以從表面效度、內(nèi)容效度、教學設計、學習體驗、學習效果、成本效益維度驗證系統(tǒng)質(zhì)量。

表面效度層面，技術(shù)專家可依照VR教育系統(tǒng)設計技術(shù)標準查驗系統(tǒng)是否遵循技術(shù)指標，用戶對系統(tǒng)沉浸感（包括畫面的仿真度、交互等）提供主觀的反饋，對系統(tǒng)的可用性（包括有用性、易用性）進行主觀判斷。

內(nèi)容效度層面，臨床專家、教學設計師、教師等基于知識、經(jīng)驗等對內(nèi)容進行評價，包括內(nèi)容呈現(xiàn)科學性、合理性以及內(nèi)容的難易度。當VR系統(tǒng)作為評價工具時，專家需要對比VR與其他評估工具的評估結(jié)果是否一致。

教學設計層面，教學設計者應確保VR是最佳的教學媒體，實現(xiàn)教學目標、教學活動、教學評價的一致性。

學習體驗層面，教師可以利用相關(guān)量表測量醫(yī)學生使用VR系統(tǒng)的認知效益、反思性思維、存在感、動機、愉悅感、控制與主動學習的變化以及使用VR產(chǎn)生的副作用。

學習效果層面，教師通過測試醫(yī)學生知識、技能、態(tài)度的保留和遷移以及學習曲線的加速程度，檢測學習的有效性。

成本效益層面，相關(guān)專家需要對VR的成本進行評估，幫助機構(gòu)以最低的成本實現(xiàn)最佳的教育效益。

其中，利用VR開展醫(yī)學高等教育的目的是增強教學效果，學習體驗和學習效果是檢驗資源是否達到預期教學效果的核心因素。教師可以利用準實驗研究法對比使用和不使用VR學習、使用VR和其他媒體學習的學習體驗與學習效果，驗證系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性。學習體驗一般采用主觀量表進行測量，學習效果可以采用客觀和主觀的方式進行統(tǒng)計。教師可以利用標準化的測試評估醫(yī)學生對解剖知識、病因病理等的記憶與理解；利用系統(tǒng)記錄醫(yī)學生關(guān)鍵行為，對手術(shù)操作的精準度和操作時間進行評價，或在真實臨床情境中評估手術(shù)技能以及團隊合作、溝通、態(tài)勢感知和決策技能等非技術(shù)技能，測量技能在真實情境中的遷移與保留度；可以通過醫(yī)學生的主觀反饋評估同理心等情感習得以及使用態(tài)度、意向與滿意度。

5 結(jié)束語

VR醫(yī)學教學應用雖然處于起步階段，但已成為高校醫(yī)學教育發(fā)展必然趨勢。制定技術(shù)標準、創(chuàng)建內(nèi)容、探究教學應用與評價有助于VR與醫(yī)學教育深度融合，提高學習體驗和教學質(zhì)量。醫(yī)學教育者需提高醫(yī)學信息素養(yǎng)，形成以包括VR的現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎，以醫(yī)學生為中心、教師為輔助的現(xiàn)代醫(yī)學教學模式，促進醫(yī)學高等教育現(xiàn)代化。

參考文獻

[1] Fairén M， Moyés J， InsaE. VR4Health： Personalized

teaching and learning anatomy using VR[J].

Journal of Medical Systems，2020，44（5）：94.

[2] Atli K， Selman W， Ray A. A Comprehensive Multi-

component Neurosurgical Course with use of

Virtual Reality： Modernizing the Medical Class-

room[J].Journal of Surgical Education，2020.

[3] Zackoff M W， Real F J， Sahay R D， et al. Impact

of an Immersive Virtual Reality Curriculum on

Medical Students Clinical Assessment of Infants

With Respiratory Distress[J].Pediatric Critical

Care Medicine，2020，21（5）：477-485.

[4] Radianti J， Majchrzak T A， Fromm J， et al. A

systematic review of immersive virtual reality

applications for higher education： Design ele-

ments， lessons learned， and research agenda

[J].Computers & Education，2020，147：103778.1-29.

[5] Makransky G， Petersen G B. Investigating the

Process of Learning with Desktop Virtual Reality：

A Structural Equation Modeling Approach[J].

Computers & Education，2019，134：15-30.

[6] Zweifach S M， Triola M M. Extended Reality in

Medical Education： Driving Adoption through

Provider-Centered Design[J].Digital Biomarkers，

2019，3（1）：14-21.

[7] ISO/IEC JTC 1. Guidelines for Developing VR and

AR Based Education and Training Systems[EB/OL].

（2019-08-12）[2021-07-02].https：//www.iso.org/

files/live/sites/isoorg/files/developing_stan

dards/who_develops_standards/docs/White_Paper_

VRAR.pdf.

[8] Pottle J. Virtual reality and the transformation

of medical education[J].Future healthcare

journal，2019，6（3）：181-185.

[9] Zhao Jingjie， Xu Xinliang， Jiang Hualin， et al.

The effectiveness of virtual reality-based

technology on anatomy teaching： a meta-analysis

of randomized controlled studies[J].BMC Medical

Education，2020，20（1）：127.

[10] Zackoff M W， Real F J， Sahay R D， et al. Impact

of an Immersive Virtual Reality Curriculum on

Medical Students Clinical Assessment of

Infants With Respiratory Distress[J].Pediatric

Critical Care Medicine，2020，21（5）：477-485.

[11] Rizzetto F， Bernareggi A， Rantas S， et al.

Immersive Virtual Reality in surgery and medical

education： Diving into the future-ScienceDirect

[J].The American Journal of Surgery，2020，

220（4）：856-857.

作者：王岳，海軍軍醫(yī)大學海軍衛(wèi)生信息中心，助教，研究方向為新媒體醫(yī)學教育應用；陳晨、王錦秀，海軍軍醫(yī)大學海軍衛(wèi)生信息中心；沙琨，通信作者，海軍軍醫(yī)大學海軍衛(wèi)生信息中心，副教授，研究方向為高等教育信息化（200433）。