高校醫學檢驗技術虛擬仿真教學實驗室的構建探索

史良，杜尚珂，王瑩，郭凡

河南護理職業學院，河南安陽 455000

現代醫學科學技術日新月異，醫學檢驗技術迅速發展，其覆蓋了多學科，新技術應用最多，自動化水平不斷提高，且與臨床聯系越來越密切，在臨床診斷、科研、教學工作中發揮著重要作用，為臨床疾病診斷、療效觀察、預后判斷等提供重要的依據。特別是在新醫科背景下，以人工智能、大數據為代表的新一輪科技革命和產業變革正在推動著醫學檢驗發展進入新的階段，對醫學檢驗技術人才的培養也提出了新要求[1]。然而實驗教學是醫學院校非常重要的實踐性教學環節，在培養學生實際動手能力和創新能力方面有著不可取代的作用。醫學檢驗技術屬于實驗室醫學，十分強調學生的實踐操作能力和儀器操控能力，尤其是隨著科技的進步，檢驗技術及檢驗儀器更是發生著日新月異的變化，這對醫學檢驗技術專業的人才培養提出了更高的要求[2]。

當前線上授課模式已成為全國各大高校的重要教學方式之一，而無實物的實踐教學成為困擾各學科開展線上教學的一大難題。虛擬仿真技術作為信息技術的產物，對于線下存在多種條件限制的實踐教學來說是一種很好的補充，在高職院校實踐教學領域具有廣闊的應用前景，正逐步成為教學改革的新方向。

1 醫學檢驗技術虛擬仿真教學實驗室的構建背景及依據

為培養大批高素質衛生技術技能人才，滿足臨床需求，促進社會發展、保障人民健康，自2005 年中華人民共和國教育部啟動了國家級實驗教學示范中心建設工作，發布了《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020 年）》在“加快教育信息化進程”中也指出要建立“數字圖書館和虛擬實驗室”。就在2020 年教育部又發布了《關于開展職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設工作的通知》，虛擬仿真實驗平臺建設已成為高校實踐教學改革的新方向，更快更好地建成育虛擬仿真實訓教學實驗室，既是對傳統單一教學模式的改革，也是強化教學與實訓相融合的重要教學活動，還是可以有效彌補高校教育實訓工作中學生接觸實驗頻率低、操作風險大、實驗耗材成本昂貴等特殊困難的重要措施，國內的虛擬實驗平臺建設正在迎來新的發展契機。

高校醫學檢驗技術專業是一門實踐性強、多學科交叉融合的專業，有著其獨特的技術特點與教學難點。而歸納起來有以下幾點：①當下線上授課模式大發展，無實物的線上實踐授課很難開展；②檢驗的檢測對象多為微觀結構、可視性差、概念抽象，學生難以通過傳統講授方式完全理解；③對實驗者要求熟練精準，然而學生多、教師少、課時量有限，無法保證每位同學的學習質量；④對實驗室環境建設要求較高：部分實驗項目如細菌培養等需嚴格無菌環境，部分實驗項目如病毒核酸檢測存在感染風險等；⑤對于形態學等實踐教學標本量需求大，無法涵蓋全部疾?。粚τ谝恍┫∪睒吮救绻撬琛⒛X脊液、胸腹水等相關項目的檢測無法全部進行；⑥實驗設備種類繁多，體積龐大，需要足夠空間的作業場地，且更新迭代速度快，價格昂貴，無法做到與實際臨床實驗室相同步，后續儀器設備養護、維修同樣也價格不菲等一系列問題。虛擬仿真實驗平臺的建設是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物，在實驗教學改革之路上具有廣闊的應用前景。

2 醫學檢驗虛擬仿真教學實驗室的構建

2.1 數字模型的構建

虛擬仿真實踐教學是在網絡化技術催生下發展起來的一種新型實踐教學模式，對實體實驗課程是一種很好的補充。隨著現代信息技術的飛速發展，虛擬仿真技術已經逐漸應用于教育的各個領域，如機械工程、農林園藝、航海等，其在醫學領域的應用也越來越廣泛，臨床醫學虛擬仿真教學平臺不僅可用于日常教學、線下監管、考核，最重要的是，利用計算機技術建立的虛擬環境，使實驗者身臨其境般運用各種虛擬實驗器材和設備，對仿真設備和訓練系統進行虛擬操作，從而達到全面提高臨床教學質量、培養高層次醫學人才的培養目標[3]。有效利用三維數字模型構建是提升虛擬交互的質量的重要環節，很多醫學教學領域都積極采用3ds Max 作為重要的建模工具，這樣能夠對虛擬仿真實驗室內部的整體景觀和教學檢驗儀器設備等進行更加全面且細致的拍攝和采用，隨后再使用先進的3ds Max 將所有在拍攝環節中出現的事物按照一定的比例在電腦系統中進行還原，并且需要構建出適合的數字模型，切實做好場景設置工作，還能夠對建筑物的材質進行進一步的確定，利用動畫設置工作可以將實驗室的后續使用情況進行還原等。實驗室中存在的各種儀器設備都能夠在電腦系統中進行選定，并可以根據實驗室建造條件的實際需求對其進行移動和旋轉等，經過一系列的操作后能夠實現其在電腦系統中的三維數字化呈現。

2.2 交互程序的開發

Unity3D 技術的使用對于促進虛擬實驗室的發展也是極為重要的，它能夠實現跨平臺信息交互的功能，技術整體的性價比較高。此種引擎的使用可以切實處理好圖形資料、音頻文件、網絡系統等多方面的信息，此種技術內部還置有NVIDIA 以及PhysX 等物理引擎，這種類型的引擎能夠給予使用者更加真切的感受，讓使用者能夠具有更加逼真的互動體驗。不僅如此，此交互程序在使用時支持閱覽各種主流格式的文件，能夠和大多數用戶的電腦系統適配。Unity3D 在使用的時候，用戶能夠通過通過一些交互按鈕對光源進行控制，還能夠對聲音或者是一些基礎動作等加以控制。三維模型資源在應用的時候也能夠得到順利加載。用戶還可以通過使用此種交互程序進行一些具有交互功能的操作，學生只需要在該動作所對應的欄目上輸入相應的名稱就能夠實現對動作的設置。虛擬仿真實訓教學必須以學生為中心，注重學生個性化教育，注重創新能力培養[4]。學生能夠通過控制操控界面更好地瀏覽和欣賞醫學檢驗技術領域的相關知識點，并且能夠借此機會更加良好地交流互動。

2.3 醫學檢驗技術虛擬仿真教學實驗室的建設內容

各種先進虛擬建設軟件的應用能夠建成基本的虛擬臨床醫學檢驗技術實驗室系統，并且能夠開放底層的數據庫，其中包含學生教師用戶的基本信息，模擬患者的基本信息、檢驗結果，以及各種其他的文字、圖片等數據信息。虛擬仿真教學實驗室在建立的時候可以根據實際需求劃分為不同的版本。比如可以劃分為漫游版或者是學習版等，并且需要通過Web 實現對光盤以及手機系統等控制和運行。漫游板的使用能夠切實實現對實驗室布局以及相關規章制度的研究，讓學生能夠了解到虛擬實驗室的基本情況。學習版的應用能夠讓學生更好地領悟醫學檢驗技術領域知識點，并且能夠學習到各種臨床實驗儀器的使用方法、部件組成，讓學生對每種儀器的工作原理、注意事項等問題具有更加深刻的印象，學生能夠在潛移默化中提升自身的樣本檢驗能力，還可以把控好更換試劑的時機等。醫學檢驗虛擬教學實驗室的總體構成方式（見圖1），此種虛擬仿真實驗室的構建能夠幫助學生更好地掌握血液學檢驗、微生物學檢驗、臨床檢驗基礎、分子生物學檢驗等的專業核心內容，并且能夠幫助學生掌握使用生物安全柜、PCR 儀器、電化學發光儀等先進儀器的使用方法。學生在此過程中能夠更好地實現人機互動，從多角度多維度觀察臨床檢驗儀器的結構特點、組成零件，同時全方面地學習和感悟儀器的操作方法及后期養護要點。同時，醫學檢驗技術虛擬仿真實驗室建立虛擬檢驗科基本技能訓練和考核系統，可以打破傳統通過實驗報告考核學生實驗水平的弊端，除了建立實驗操作練習，系統還可設置思考題、實驗測評、關鍵步驟考核等內容，教師可通過后臺管理，看到每位學生的操作過程、考核成績，了解學生實驗操作中的難點、易錯點，通過后臺程序加標加文字等方式不斷完善系統[5]。實驗考核方式采用“通關游戲式”的過程考核，完成前一階段考核后方可進入下一階段[6]。

圖1 醫學檢驗技術虛擬仿真教學實驗室結構

3 醫學檢驗技術虛擬仿真教學實驗室在教學工作中的優勢

3.1 提升學生的學習效率

近年來，隨著醫學院校不斷地擴大招生規模，高校實驗室教學資源對于實際教學需求已很難負荷，很多臨床教學工作難以在落后的教學模式下順利進行。另外，因為醫學檢驗技術實驗室由于存放精密儀器、危險化學物品等因素其本身具有嚴格的實驗室管理制度，只在固定的時間有專業教師指導的情況下開設，學生想要在空閑的時間接觸到相關的設備實際上是無法實現的。學生無法隨心所欲地進入到實驗室，便無法做到對儀器設備、實驗項目等反復操作精益求精。且在對部分檢驗項目實驗教學過程中使用到的儀器設備、實驗耗材等數量有限，無法滿足大批量學生同一時間段操作，這就給實驗教學中帶來師資力量不足等問題。虛擬仿真實驗教學突破了實體實驗教學的局限性，通過其全天候的開放式實驗平臺，為學生提供了自由的學習環境[7]，能夠讓教學過程突破時間的局限和空間的限制，學生在網上可以進行各項實驗的預實驗，整個過程可自主選擇實驗所需器材、設備和檢驗程序，在全部選擇正確的情況下可以出現理想的結果[8]。讓學生能夠有更多機會利用碎片化的時間進行練習，專業的信息操作指令讓學生的練習效果事半功倍。

虛擬仿真實踐的應用可以集多方資源，優化重構，建成后可以打破時空界限，利用虛擬實訓資源實現育訓高效結合，打造技能訓練高頻次、實踐考核高標準的“智慧醫療衛生+”共享實踐實訓平臺。從而使學生的學習效率可以借此機會得到根本性的提升[9]。同時，虛擬仿真實驗室的構建符合現代化教學理念，并且實現了對實驗教學的補充，通過利用虛擬網絡提供真實化的場景，幫助學生完成實驗操作，這樣的方式不僅能夠滿足學生的學習需求，還能夠為其創建一個良好的學習平臺，轉變學生以往的被動學習方式，使其更加積極主動地投入到學生中，從而促進其自主學習能力的提升[10]。

3.2 節省更多的實驗成本

近些年，院校為了能夠切實提升自身的實踐教學質量已經購置了大量的自動化檢驗設備，這類設備的使用對于提高學生的臨床檢驗技能是極為重要的，讓學生的實踐操作能力可以借此機會得到提升。但是，其中依舊存在一些亟待解決的問題。首先，臨床檢驗實驗設備種類繁雜眾多，技術更新迭代速度飛快，以教學為目的的醫學院校檢驗實驗室能夠投入的資金數額是較為有限的，因而各高校普遍存在購置的檢驗設備數量有限，設備類別覆蓋面小，與臨床一線檢驗實驗室差別較大。其次，實踐教學所需要大量的耗材試劑等，很多學生由于操作不熟練，需要反復返工操作，造成大量實驗資源的浪費。對于一些特殊學科如形態學傳統教學抽象、標本類型單一，不具代表性，僅靠“講”與“演”一對多的模式使得課堂教學效果不盡如人意[11]。虛擬仿真教學實驗室的使用就可以從根本上減少這些問題出現的概率，不用擔心實驗損耗及稀缺標本，也不用考慮儀器的更新迭代，能夠切實減少實驗室建設成本資金的投入，相關臨床檢驗實驗也可以順利開展。

3.3 避免出現生物危害

基于網絡技術對醫學檢驗實踐教學是很有優勢的教學模式[12]。醫學檢驗技術實驗過程中，相關檢測人員接觸到患者血液、排泄物等可能會存在交叉感染的風險，也增加了病原微生物滋生傳播擴散概率。尤其是醫學檢驗專業學生，基礎理論知識掌握并不牢固，生物安全意識薄弱，在實習的過程中接觸到呈陽性的檢驗樣本，一旦操作不當就可能造成感染。這就需要在校期間日常教學就要求學生對基礎項目可以熟練操作。大力開展虛擬實驗室，讓學生有更多機會在虛擬環境中進行反復操作，讓學生實現了“做中學、學中做”，極大地激發了學生學習的主動性和積極性[13-15]。促使學生能夠迅速適應醫院環境，參與臨床檢驗工作時具有更高的效率和質量，從根本上提升學生生物安全防護水平，避免交叉感染、職業暴露等危害事件。

綜上所述，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。對于高職院校醫學檢驗技術專業教學，虛擬仿真教學實驗室的構建是極為重要的，虛擬仿真實驗平臺提供的是一個理想的實驗環境和實驗過程。真正做到幫助學生在更加完善的學習環境中提升自我綜合能力。在自動化檢驗儀器已經逐步普及的當今社會，如何更加高效地開展醫學技術實踐教學工作依舊是各高校需要重點研究的問題，將虛擬仿真技術與醫學檢驗技術實踐教學相結合，以其先進的技術進行深層次的推廣，對于醫學檢驗實驗室的建設及檢驗教學改革甚至整個醫學的發展都將是一次革命性的突破。