虛擬仿真實驗在醫學遺傳學實驗教學中的探索與實踐

朱永生,尋 兮,黨 潔,霍正浩,張 寶

1.西安交通大學法醫學院, 西安 710061;2.寧夏醫科大學基礎學院, 銀川 750004

醫學遺傳學作為一門聯系基礎與臨床的橋梁課程,除了要向學生系統介紹遺傳物質在疾病發生、發展過程中的作用,幫助學生從遺傳學角度建立對疾病的預防、診斷與治療的認識之外,更重要的要使學生了解如何借助現代細胞遺傳學、分子遺傳學和分子生物學的技術手段解決臨床實際問題,因此實驗教學在醫學遺傳學課程建構中占有重要地位,是培養學生發現問題、解決問題,建立臨床思維,順利實現由基礎向臨床過渡的關鍵課程[1]。傳統醫學遺傳學實驗課主要聚焦于人或實驗動物染色體核型制備及顯帶分析,這是臨床醫學及醫學檢驗專業學生必須掌握的實驗技能。然而,現有實踐內容主要關注實驗流程的單純操作,忽略了與臨床實際案例的關聯,無法充分調動學生主觀能動性。同時,限于樣本采集、學時及實驗室條件等限制,部分實驗活動無法實現學生的線下操作,因此需要借助虛擬仿真實驗,方能強化實踐教學環節,達到相應的教學目標[2]。

虛擬仿真(virtual reality)實驗可以打破時間、場地、人員限制,以虛擬仿真技術模擬真實實驗環境,通過人機交互方式完成實驗操作,在醫學教育領域得到廣泛應用[3]。根據醫學遺傳學課程的實驗難點及學生的學習需求,筆者聯合上海夢之路數字科技有限公司自主研發了“唐氏綜合征的遺傳學診斷”虛擬仿真實驗,同時輔助其他已有實驗體系,通過“虛擬與現實相結合、線上與線下相結合”的教學模式完成實驗目的[4]。借助虛擬仿真實驗,真正實現基礎與臨床的有效溝通,幫助學生獲得沉浸式體驗,即在虛擬病人身上進行實操的過程中完成將遺傳學知識有效運用于臨床診療的目的,提高醫學生分析問題、解決問題的能力,初步培養臨床思維及基本技能。該文就西安交通醫學部虛擬仿真實驗在醫學遺傳學實驗教學中的實踐應用進行闡述,為探索基礎醫學課程創新性實驗教學模式提供借鑒。

1 醫學遺傳學實驗教學開展虛擬仿真實驗的必要性

目前,中國醫學教育主要采取的是公共課程、基礎醫學課程和臨床醫學課程依次進行的三段式教學模式,基礎課程與臨床知識彼此割裂孤立,內容整合和連貫性欠缺,學生無法建立基礎與臨床之間的聯系,臨床思維欠缺,不能將基礎醫學知識有效應用到臨床疾病的診療中,因此導致學生對基礎醫學課程興趣寡淡,學習積極性普遍較低。醫學遺傳學作為五年制臨床醫學及醫學檢驗學專業學生大三年級的專業基礎課,正處于從基礎向臨床過渡的階段,課程所涉及的很多遺傳病需要婦產科學、兒科學、診斷學等眾多學科的知識輔助,要求學生具有較強的醫學相關知識綜合應用能力。然而,限于學科及場地等的限制,在實際教學工作中將實驗所涉及的內容全部涵蓋并不現實,因此亟須在實驗教學中引入經典臨床案例,通過完善的實驗設計實現以遺傳學技能解決臨床實際問題。此外,在傳統的實驗教學中學生普遍以實驗指導為依托,按照既定的實驗方案進行操作,學生對實驗目的及結果缺乏思考和自由探索,因此學習興趣不高,體驗性較差[5]。而虛擬仿真實驗所構建的虛擬臨床場景,能夠促使學生在與ESP患者交流過程中認識特定遺傳病從遺傳咨詢、實驗室檢查到診斷治療的全過程,培養醫學生臨床思維,幫助學生早期接觸臨床。

傳統醫學遺傳學實驗教學需要以實驗動物或人體細胞為實驗對象,但限于動物倫理及生物安全的要求,使得樣本采集及實驗范圍受到很大限制。同時,由于羊水穿刺、絨毛細胞培養等需要在專門的臨床醫學中心由專業醫師才能完成,受制于學生數量、患者隱私、無菌要求及學生實際操作能力等限制,使得臨床見習教學困難重重。此外,傳統實驗教學評價主要關注學生實驗操作的規范及熟練程度,而對實驗中所折射出的醫學人文理念、醫者仁心等職業精神教育關注不足或融入度不夠,導致課程精神內涵匱乏,學生對課程認同感低[6]。而基于臨床真實案例的虛擬仿真實驗能夠有效解決以上矛盾,通過人機互動、開放性問診系統,使學生在認識遺傳病發生機制的同時,實現臨床問診和臨床操作技能的訓練,實現學生早期接觸臨床、反復接觸臨床的培養目標。因此,該文將以自主研發的“唐氏綜合征的遺傳學診斷”為例,具體介紹虛擬仿真實驗在我校醫學遺傳學實驗教學中的探索與實踐過程。

2 唐氏綜合征的遺傳學診斷虛擬仿真實驗的建構與應用

2.1 設計思路及實驗原理

該實驗以臨床常見染色體數目異常疾病“唐氏綜合征的遺傳學診斷”全過程為線索,利用動畫、視頻、3D技術,構建趨于真實的虛擬臨床場景(如遺傳咨詢門診、染色體制備實驗室等),通過人機交互,對患者開展虛擬診療,模擬臨床“唐氏綜合征”從遺傳咨詢、孕早期唐氏篩查、孕中期羊水染色體制備及分析到最終給予染色體核型分析診斷結果并提出處理意見的全過程(如圖1所示)。借此在學生無法親臨產前實驗中心的前提下有身臨其境的感受,在對虛擬患者的實操過程中加深對基礎課程的理解和應用,將遺傳學基礎知識有效運用到臨床診療中,初步培養學生的臨床思維及基本技能。

圖1 唐氏綜合征的遺傳學診斷虛擬仿真實驗原理及構建思路

2.2 教學方法及教學目標

為了真實還原醫患間隨著診療的逐步深入所先后涉及的各個環節,強化學生沉浸式體驗,筆者按照診療先后順序設計三個實驗模塊,分別是臨床咨詢、唐氏篩查、羊水穿刺及羊水染色體的制備。為了達到最佳教學效果,對于不同教學模塊采用的教學方法不同。

2.2.1實驗模塊一:人機對話唐氏綜合征的遺傳咨詢

該部分實驗內容及基礎知識通過醫(學生)患(ESP患者)之間人機智能語音交互展開[7]。即合理設計真實醫患交流對話內容,整合虛擬臨床案例中的基礎醫學與臨床醫學知識點,構建連貫的知識體系;通過臨床案例導向,有序展開實驗教學,學生早期接觸虛擬的臨床咨詢過程,將知識和技能融通整合。在患者咨詢和醫生解答過程中逐步推進遺傳咨詢內容的深入,在此過程中巧妙地融入動畫、視頻等教學內容,訓練學生問診,同時全面掌握唐氏綜合征的發病機制、危險因素、產前診斷指標及檢查項目等基礎知識,對學生臨床問診技巧、建立和諧醫患關系、促進人文關懷方面的培養起到推動作用。

2.2.2 實驗模塊二:孕早期唐氏篩查及結果分析

該部分實驗內容承接之前的案例,促使學生初步認識對患者進行持續性診斷和治療的原則及過程。在教學過程中,學生通過虛擬仿真軟件的提示可以更便捷地抓住重點,更有效地了解實際臨床工作中患者的差異性表現,豐富其知識內涵。通過學生向ESP患者自主提出唐氏篩查處理意見及對患者進行解釋的過程中,融入動畫、視頻、虛擬化驗單等教學內容,將唐氏篩查的檢查項目及意義、各項指標標準、篩查結果判讀依據、唐氏綜合征患者臨床表現等一一展現出來,幫助學生借助實際醫院中的診斷報告將臨床結果與內在的遺傳學知識聯系起來。該部分是理論課有關唐氏綜合征的重點內容,但課堂中受課時所限,學生只能通過被動學習及文字閱讀吸收知識,記憶的儲備量及長期性無法得到保障;而通過對該內容的虛擬實驗操作,使得學生有身臨其境的感覺,增加其記憶的強度和深度。

2.2.3 實驗模塊三:孕中期羊水染色體制備及分析

該模塊為虛擬仿真實驗的重點,即在前期掌握實驗模塊訓練的基礎上,推進實驗內容真正進入遺傳學診斷的過程中。此部分以3D技術支持,細化羊水染色體制備的各個步驟,學生可以在虛擬羊水染色體制備實驗室中完成羊水染色體制備的各個環節,通過學習、操作和試錯,達到掌握羊水染色體制備的時間及意義、制備過程及核型分析、核型判讀依據及處理意見等內容的目的,使學生具有實際操作的真實感受。此外,在實驗流程的各個環節中,將互動答題及操作提示融入其中,使學生在相應3D實驗操作的引導下,逐步推進和深入實驗過程,獲得相應評價分數,實現實驗與考核的同步。

2.3 考核要求及成績組成

通過虛擬仿真實驗主要考核以下知識點:①通過人機對話,考核學生臨床病史采集(家族史、婚育史、現病史、月經史及個人史等)及醫患溝通能力;②通過視頻觀看及隨堂測試,考核學生對唐氏篩查的概念、檢查目的、應用范圍、結果分析、篩查原理等的掌握水平;③考核學生對于唐氏綜合征常見臨床表現及遺傳學特征的認識程度;④通過實操訓練,考核學生對不同染色體病核型特征的認識及分析能力;⑤通過習題自測及填寫實驗報告,考核學生對于羊水染色體的制備方法及注意事項的掌握程度,同時通過人機互動的核型分析演練考核學生對羊水染色體G顯帶進行分析診斷的能力。

考核成績由隨堂測驗及實驗評定結果(30%)、實驗操作時長及正確率(20%)、實驗報告撰寫(30%)、課后作業(20%)組成。例如,住院醫師或需要進行相關培訓的臨床工作人員,需在完成虛擬仿真實驗后,開展臨床實操。同時,該虛擬仿真實驗所涉及的遺傳學專業知識將在“醫學遺傳學”最終期末試卷中進行考核。

2.4 實施過程與實施效果

該校醫學遺傳學實驗課共計8學時,以染色體制備及核型分析為主,其中唐氏綜合征的遺傳學診斷虛擬仿真實驗3學時,線下小鼠骨髓染色體的制備5學時,采用虛擬仿真和線上線下混合式同步教學的方式。

課前要求學生通過“智慧樹MOOC平臺”學習由寧夏醫科大學開發的“臨床前基礎醫學綜合實驗”慕課——產前診斷一節,線上自主學習相關理論知識[8]。隨后,利用該校在線學習平臺,根據教師上傳的資料自學實驗目的原理、了解實驗流程,復習相關理論知識,系統地掌握分散在許多基礎與臨床學科中的基礎醫學知識。最后,通過習題自測檢測自學效果,提升實驗效率。

課中,以教師為引導,按照實驗三模塊的先后順序依次進行。實驗前分別以問題為“因”,督促學生在實驗操作中尋求“果”。如“哪些因素是導致生育唐氏綜合征患兒的高危因素?”“導致唐氏綜合征發生的機制有哪些?”“如何判斷一個孕婦可能懷有唐氏綜合征患兒?”“唐氏篩查的指標及判讀標準是什么”等。學生帶著問題進行操作,既熟悉了實驗流程,訓練了臨床問診能力,又在人機互動過程中充分掌握了疾病的發生機制及診療原則。實操結束后,要求學生完成隨堂檢測強化學習效果。最后,通過翻轉課堂的形式,學生以小組為單位,根據虛擬仿真實驗提供的實驗流程并結合實驗指導,設計小鼠骨髓染色體制備的動物實驗,撰寫預習提綱。在第二次實驗課中,通過線下實驗,學生根據自己設計的實驗方案完成小鼠骨髓染色體制備的全部過程。盡管線下實驗所選取的實驗對象為小鼠骨髓細胞,沒有人體外周血細胞進行細胞培養的環節,但是后續的細胞收集及染色體制備、G顯帶及核型分析的過程與人體外周血細胞染色體核型制備完全一致,因此可以在避免使用人體細胞的前提下,通過虛擬仿真實驗和線下實驗幫助學生充分掌握常規染色體制備的原理、方法及分析標準。虛擬仿真實驗的設置,避免了人體樣本的采集,降低實驗動物使用量,激發學生的科研興趣,提高了線下實操實驗的實驗效率和準確性,克服了臨床見習教學的困難,可以督促學生反復練習、回溯性學習,使學生獲得充分的學習機會,加強基礎醫學知識和技能的鍛煉,為將來的臨床課程學習打下堅實的基礎。

該虛擬仿真實驗已在教育部實驗空間(iLab-X.com)平臺上線,目前已運行4年,而按照以上實驗教學模式,在西安交通大學已完成兩個輪次的應用。在完成實驗后,要求學生完成“虛擬仿真實驗教學效果問卷調查表”,了解學生的學習感受,并對反饋的內容進行統計分析和歸納總結。以下是筆者針對學校2022級臨床醫學及基礎醫學專業學生進行的兩項問卷調查結果,共發放問卷100份,收回有效問卷98份,回收率為98%(如表1所示)。通過分析問卷可知,學生對于在醫學遺傳學課程中加入虛擬仿真實驗的設置認可度較高;七成以上學生認為通過操作虛擬仿真實驗可以有效提升理論學習與實踐的緊密聯系,提升學習效能,加深對課堂理論知識的理解;90%以上學生認為虛擬仿真實驗操作便捷,使用方便;77.6%的學生認為虛擬仿真實驗能夠有效指導其進行線下實體動物操作。此外,筆者發現約70%的學生認為虛擬仿真實驗中涉及的臨床案例可以幫助其有效建立對病患的人文關懷,提升對醫者仁心的認識。

表1 虛擬仿真實驗教學效果問卷調查結果

3 總結與展望

醫學遺傳學作為一門高度實踐性和綜合性的課程,理論教學和實驗教學必須相輔相成、相互成就。然而,由于實驗內容繁雜,學科涉及多樣,要求學生具備一定的醫學相關知識綜合應用能力,因此僅憑單一的實體實驗無法滿足課程需求。隨著虛擬仿真技術的日益成熟,虛擬仿真實驗已成為高校實驗教學的重要補充,尤其對于醫學相關課程,虛擬仿真實驗的引入能夠有效解決因實驗場地、醫學倫理、實驗內容抽象、生物安全等現實條件的限制。更重要的是,通過虛擬仿真實驗模擬真實的臨床診療環境,促使學生在與ESP患者交流過程中了解醫患溝通技巧,強化醫學人文學習,彌合基礎與臨床的縫隙。但是,完全依賴于虛擬仿真實驗,會使學生喪失動手能力。僅憑鼠標鍵盤操作完成實驗過程,也會使學生忽略實際操作過程中的重點和難點。更重要的是,虛擬仿真實驗都是按照預定程序進行的,全過程都是按照最理想的實驗條件進行設定,而實際臨床實踐過程充滿很多不可預知的意外情況,因此學生在虛擬仿真實驗中無法對實際操作中的難度及意外進行判定[9]。據此,學校醫學遺傳學實驗采用“線上與線下相結合,虛擬與實操相結合”的方式開展教學,以理論教學指導虛擬仿真實驗的操作,再以虛擬仿真實驗的經驗及教訓指導線下實體動物實驗的操作,既讓學生獲得臨床沉浸式體驗,也使學生在實體動物實驗過程中加強動手能力,培養其分析和解決實際問題的能力。

此外,該實驗除了對在校大學生臨床技能培養具有重要意義外,對于已經開展或將要開展產前診斷的醫院和衛生機構而言,對其培養產前診斷方向的技術人員也具有極高的實際應用價值。目前,該虛擬仿真實驗已在部分醫療機構生殖中心及產前診斷中心進行一定的推廣應用,筆者也期望能夠借此進一步加強醫教協同,共享虛擬仿真實驗教學資源,服務于基層臨床醫生的畢業后教育。

在醫學遺傳學實驗教學中融入虛擬仿真實驗能夠有效提升教學質量,培養學生自主創新及臨床實踐能力,符合新醫科建設背景下醫學人才的培養目標。因此,筆者繼續秉承“以虛促實、以虛促學、虛實結合、相輔相成”的原則[10],不斷完善實驗教學體系,更新實驗內容,為提高學生綜合素養奠定基礎。