基于5G虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)模式的探究

梁熠溥 程怡娟 張南南

［摘 要］ 基于5G的虛擬仿真教學(xué)是一種新型實驗醫(yī)學(xué)學(xué)科教學(xué)模式，其克服了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)教學(xué)模式在場地、時間、管理等方面的限制，具有開放性、互動性、直觀性等優(yōu)勢，極大地改善了高校醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才的培養(yǎng)模式，是未來培養(yǎng)醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才的重要方式。圍繞基于5G的虛擬仿真教學(xué)模式在醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)中的特點，闡述了目前該培養(yǎng)中模式的應(yīng)用及優(yōu)點和缺點，對該培養(yǎng)模式未來的發(fā)展具有良好的啟示作用。對該種培養(yǎng)模式給予了一個積極、良好的展望。

［關(guān)鍵詞］ 5G；虛擬仿真技術(shù)；醫(yī)學(xué)實驗

［基金項目］ 2023年度成都市重點研發(fā)項目“基于中西醫(yī)結(jié)合智慧化管理平臺的肥胖等代謝病預(yù)警與診療的應(yīng)用示范研究”（2023-YF09-00052-SN）；2021年度四川省衛(wèi)生廳普及應(yīng)用項目“趨化因子CXCL13作為NASH相關(guān)胰島素抵抗和炎癥浸潤治療靶點的多重評價與鑒定”（21PJ047）

［作者簡介］ 梁熠溥（2001—），男，陜西渭南人，學(xué)士，四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院助教，主要從事口腔醫(yī)學(xué)、數(shù)字化教學(xué)研究；程怡娟（2003—），女，湖北孝感人，學(xué)士，四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院助教，主要從事臨床醫(yī)學(xué)、數(shù)字化教學(xué)研究；張南南（1988—），女，山東濟寧人，博士，四川大學(xué)華西第二醫(yī)院副研究員（通信作者），主要從事醫(yī)學(xué)教育及基礎(chǔ)研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）37-0120-05［收稿日期］ 2023-01-30

引言

醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)是實踐性、操作性較強的專業(yè)，其主要目的是為臨床、醫(yī)學(xué)研究等工作的開展提供保障。醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才的培養(yǎng)要求為掌握必需的醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)的理論知識和實驗室內(nèi)操作技能，這就需要購置大量的現(xiàn)代化設(shè)備，構(gòu)建高水平的實驗平臺。近年來隨著高校擴招，高校實驗資源、實驗指導(dǎo)教師數(shù)量和實驗室安全等多方面存在限制，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)成本高、風(fēng)險大、針對性差、難以多學(xué)科交叉教學(xué)、難以定量評價等弊端逐漸顯現(xiàn)。同時，傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、學(xué)習(xí)效率不高等問題，因此探索“醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)”課程新的教學(xué)手段已成為醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)改革的趨勢［1-2］。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，將現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)過程深度融合已被認定為實現(xiàn)教學(xué)改革的主要手段，虛擬仿真技術(shù)為醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)改革提供了有效實現(xiàn)路徑［3］。

一、基于5G虛擬仿真技術(shù)的醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)模式

（一）基于5G的虛擬仿真實驗室概念

5G技術(shù)指的是第五代移動通信技術(shù)，具有寬帶高、延時低、穩(wěn)定和可靠等優(yōu)點［4］。5G技術(shù)具有先進的毫米波技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)和D2D技術(shù)，其網(wǎng)速傳輸速度從100Mbps提升到了1Gbps，網(wǎng)絡(luò)延時從20～30ms縮短至1ms。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）是指通過計算機生成一系列可創(chuàng)建、可體驗的虛擬環(huán)境的計算機仿真系統(tǒng)，可以使用戶沉浸在計算機創(chuàng)建的三維動態(tài)實景中，使其在虛擬環(huán)境中具有真實的體驗感覺［5］。

虛擬仿真實驗室是利用高端的VR技術(shù)，對實驗室內(nèi)所需要的設(shè)備、儀器和環(huán)境進行虛擬，并根據(jù)實驗要求構(gòu)建三維實驗場景，再結(jié)合動畫、圖片、視頻和音頻等模擬真實實驗環(huán)境，讓實驗人員在接近真實的實驗環(huán)境中，完成預(yù)定實驗技能的訓(xùn)練［6-7］。1989年美國的威廉·沃爾夫教授首先提出了虛擬仿真實驗室的概念［8］。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中明確提出了“加強網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源體系建設(shè)、引進國際優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源、開發(fā)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程、建立數(shù)字圖書館和虛擬實驗室、建立開放靈活的教育資源公共服務(wù)平臺”等一系列要求［9］。2012年3月，教育部印發(fā)的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中指出：“推進信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，實現(xiàn)教育思想、理念、方法和手段全方位創(chuàng)新。”［10］2013年，教育部已遴選建設(shè)了300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)，其中與醫(yī)學(xué)相關(guān)的虛擬仿真實驗教學(xué)中心有37個［11］。

基于5G的仿真實驗室既要依托開放式的虛擬仿真實驗管理平臺，又要依靠5G全網(wǎng)規(guī)劃仿真教學(xué)系統(tǒng)的支持，由網(wǎng)絡(luò)實驗仿真平臺和虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)兩部分組成。

5G技術(shù)實現(xiàn)了信號高速率移動傳輸，虛擬仿真技術(shù)滿足了醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)用。基于5G虛擬仿真技術(shù)的實驗室可通過VR體驗虛擬實驗室的存在感、自主性和交互性，可實現(xiàn)沉浸式教學(xué)，又可在時間和空間上延伸實體實驗教學(xué)［11］，使學(xué)生隨時隨地實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和個性化學(xué)習(xí)。

（二）基于5G虛擬仿真技術(shù)的醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)模式的優(yōu)點

基于5G虛擬仿真技術(shù)的混合式醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)模式是將傳統(tǒng)的面對面的教學(xué)方式與現(xiàn)代計算機技術(shù)輔助的視聽媒體的教學(xué)方式相結(jié)合。混合式實驗技術(shù)教學(xué)模式是將混合式教學(xué)方式用于實驗技術(shù)教學(xué)，將虛擬仿真實驗室與傳統(tǒng)的實驗室教學(xué)方式相結(jié)合，充分發(fā)揮醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位的教學(xué)模式。5G虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)模式則是將最先進的5G移動通信技術(shù)與VR技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建虛擬仿真實驗室，同時結(jié)合傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式構(gòu)建的混合式教學(xué)模式。此種教學(xué)模式具有以下幾個優(yōu)點：（1）提高了教學(xué)效率和質(zhì)量。此種教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式中以教師為主導(dǎo)，單方面講授的授課形式，提高了學(xué)生的參與度和積極性，可以有效提高醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才的培養(yǎng)效率。（2）克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的限制。比如實驗場地、人數(shù)、實驗室安全、貴重儀器等方面的限制，能夠讓學(xué)生不受場地、時間、次數(shù)、安全因素等的限制，開展醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)［12］。（3）降低了人才培養(yǎng)的成本。醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)是實驗學(xué)科，需要大量的儀器、試劑、耗材等。然而虛擬仿真實驗室不需要真實的儀器、耗材等，降低了醫(yī)學(xué)實驗所需耗材、儀器損耗等成本。（4）基于5G虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)模式，既有線上虛擬仿真實驗室的培訓(xùn)，又結(jié)合了線下傳統(tǒng)教學(xué)模式查漏補缺；既保留了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)方面的優(yōu)勢，又運用先進技術(shù)手段，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性［11］，將兩種教學(xué)模式很好地結(jié)合起來，能夠取得良好的教學(xué)效果。

二、基于5G虛擬仿真技術(shù)的混合式人才培養(yǎng)模式在醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)中的應(yīng)用

基于5G虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)模式新穎、創(chuàng)新，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和改善學(xué)習(xí)效果。教育部辦公廳發(fā)布的《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》明確提出，2017—2020年在普通本科高等學(xué)校開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作，到2020年認定1 000項左右示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目［13］。目前越來越多的高校如上海交通大學(xué)、武漢大學(xué)、廈門大學(xué)、空軍軍醫(yī)大學(xué)等采用虛擬仿真實驗室開展醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)的教授［14-15］。然而虛擬實驗和真實實驗畢竟存在差異性，其教學(xué)成果是否具有可替代性，還需進一步評估。

南方醫(yī)科大學(xué)在醫(yī)學(xué)微生物實驗教學(xué)中，分別選用了傳統(tǒng)實驗室、虛擬仿真實驗室和混合實驗室的培養(yǎng)模式，調(diào)查結(jié)果顯示，單純的虛擬仿真實驗室的教學(xué)滿意度為68.3%，81.1%的學(xué)生對混合式實驗室教學(xué)模式效果持滿意和積極的態(tài)度，因此結(jié)合線上線下的混合式實驗培養(yǎng)模式得到了較好的評價［6］。南方醫(yī)科大微生物實驗教學(xué)效果評估結(jié)果顯示，混合式醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實驗教學(xué)模式能夠有效提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，同時有效地提高了學(xué)生對“醫(yī)學(xué)微生物實驗”課程的學(xué)習(xí)興趣［6］。以上調(diào)查結(jié)果均顯示，虛擬仿真實驗室教學(xué)方式結(jié)合傳統(tǒng)實驗室教學(xué)方式的混合式培養(yǎng)模式具有良好的教學(xué)效果，54.3%的學(xué)生認為能夠有效提高成績，因此對結(jié)合虛擬仿真實驗室的混合式教學(xué)模式持有滿意和積極的態(tài)度［6］。因此，與單純的虛擬仿真醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)模式相較，線下傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)教學(xué)方式結(jié)合虛擬仿真實驗技術(shù)的新型教學(xué)模式，可能會取得更好的教學(xué)成效和教學(xué)成果，有助于醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才的培養(yǎng)。虛擬仿真實驗室可作為輔助手段，彌補傳統(tǒng)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)模式的不足，拓寬學(xué)生視野，豐富醫(yī)學(xué)實驗內(nèi)容。

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院檢驗科開展了實驗技術(shù)教學(xué)研究，選擇60名醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)專業(yè)的本科生，采用單純的線下傳統(tǒng)模式的全自動生化儀進行教授方式，另外選擇60名醫(yī)學(xué)生采用傳統(tǒng)的線下講授結(jié)合虛擬仿真實驗室再加上線下儀器操作訓(xùn)練的方式。課程結(jié)束后，評估兩種培訓(xùn)模式下的理論和實驗教學(xué)成果［6］。結(jié)果顯示，混合式培養(yǎng)模式下學(xué)生的理論成績和技能成績均明顯高于傳統(tǒng)教學(xué)模式組，在混合式培養(yǎng)模式下，96%的學(xué)生對虛擬仿真實驗室感興趣，85%的學(xué)生對軟件教學(xué)內(nèi)容持滿意的態(tài)度［6］。然而基礎(chǔ)不扎實或者電腦操作不熟練的學(xué)生不能很好地適應(yīng)虛擬仿真實驗教學(xué)，他們在該種教學(xué)模式下學(xué)習(xí)感到困難。

南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院在2016級和2017級臨床醫(yī)學(xué)和口腔醫(yī)學(xué)學(xué)生中開展了禽流感病毒分離培養(yǎng)的虛擬仿真實驗教學(xué)［16］。以采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的2015級臨床醫(yī)學(xué)和口腔醫(yī)學(xué)的學(xué)生為對照，通過調(diào)查問卷調(diào)查學(xué)生對虛擬仿真平臺的滿意度和認同度。調(diào)查結(jié)果顯示其中94.0%的學(xué)生對該實驗項目滿意；78.6%的學(xué)生認為虛擬仿真實驗平臺能夠幫助自己理解和掌握實驗原理和技能；66.7%的檢驗科醫(yī)學(xué)生認為，該平臺提高了自己醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)的操作能力、分析實驗技術(shù)相關(guān)問題和解決問題的能力；77.4%的醫(yī)學(xué)實驗檢驗學(xué)的學(xué)生認為該平臺培養(yǎng)了實驗室生物安全意識和防護技能［16］。與采用傳統(tǒng)教學(xué)的2015級學(xué)生相比，采用虛擬仿真實驗室教學(xué)的學(xué)生的期末理論考試成績明顯提高。綜上，學(xué)生認為虛擬仿真實驗平臺大大提高了自己學(xué)習(xí)的興趣和主動性，提高了實驗教學(xué)的效果。

以上研究充分證明了虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)中具有互動性高、學(xué)生自主性強、學(xué)習(xí)效果好等多方面的優(yōu)勢，其在醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)方面，具有更好的教學(xué)效果。然而由于該醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新性和獨特性，教師需要花費更多的時間、精力熟悉相關(guān)的培養(yǎng)體系，其建設(shè)機制和培養(yǎng)機制也需要進一步摸索和探討，對于后期的培養(yǎng)效果，也需要在長期的臨床工作中去檢驗和評估。

三、基于5G的虛擬仿真技術(shù)醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀與面臨的問題

（一）高校基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平的不平衡導(dǎo)致醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)虛擬仿真實驗室建設(shè)效果參差不齊

虛擬仿真實驗室建設(shè)的前提是計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)及完善的網(wǎng)絡(luò)支撐。因此，建設(shè)高校先進實驗室網(wǎng)絡(luò)資源，對虛擬仿真實驗室建設(shè)至關(guān)重要［17］。不同高校在不同學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)建設(shè)不同，有些專業(yè)比較熱門，資金配套到位，投入的經(jīng)費較多，其虛擬仿真實驗室的建設(shè)就會先進；有些高校由于不太重視虛擬仿真實驗室教學(xué)，或由于其他客觀原因，其虛擬仿真實驗室的建設(shè)就會相對較慢。因此，虛擬仿真實驗室的建設(shè)，需要高校重視起來，并投入更多的資金、人員來專門建設(shè)。

（二）進一步提升虛擬仿真醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)教師的教學(xué)水平

隨著虛擬仿真醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)教學(xué)體系的應(yīng)用，教師原有的單純的醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)的教學(xué)習(xí)慣將會被改變，在該模式下，要求醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)教師學(xué)習(xí)并掌握醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)虛擬教學(xué)平臺的使用及相關(guān)的評價體系和管理模式。虛擬仿真實驗技術(shù)的應(yīng)用，對教師提出了更高的要求。教師既要掌握醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)傳統(tǒng)的教學(xué)技能，又要掌握虛擬仿真醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)相關(guān)的技能，包括課程使用、課程創(chuàng)制、課程評價以及虛擬實驗平臺的相關(guān)管理、維護等技能［18］。醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)的教師不僅要學(xué)會傳統(tǒng)的線下實驗教學(xué)模式以及與學(xué)生的互動等教學(xué)技能，還要在虛擬仿真實驗教學(xué)過程中，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的疑問和未掌握的難點，進行反饋式再教學(xué)，以提高醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)相關(guān)專業(yè)醫(yī)學(xué)生的實驗技能、學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。

（三）醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)應(yīng)用中的虛擬仿真實驗室后期的管理、維護保養(yǎng)是高校教學(xué)面臨的重點和難點

虛擬仿真實驗室的建設(shè)需要高校投入大量的建設(shè)資金和人力，且醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)虛擬教學(xué)平臺建成之后，也需要投入大量的人力、物力來進行后續(xù)的管理、維護和保養(yǎng)。虛擬仿真實驗平臺軟件建好后，還需根據(jù)實際教學(xué)過程中教師和學(xué)生的需求，不斷改進、完善和更新，這都需要投入專業(yè)的人才和資金維持運營。這部分的投入也將是高校面臨的一個重點和難點。

結(jié)語

隨著我國5G技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，基于5G技術(shù)的虛擬仿真教學(xué)已經(jīng)解決了部分延遲、卡頓等問題，醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)的學(xué)習(xí)場景也在不斷創(chuàng)新。目前我國高校的虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)、化學(xué)實驗、醫(yī)學(xué)口腔技術(shù)、醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)等方面［19-20］，隨著國家加大對虛擬仿真實驗教學(xué)的投入，越來越多的醫(yī)學(xué)相關(guān)實驗技術(shù)已經(jīng)開始試驗虛擬仿真實驗教學(xué)。尤其在特殊時期，虛擬仿真實驗教學(xué)的需求越來越大，隨之而來的是對以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的需要，高校教師需不斷創(chuàng)新和探討，對于虛擬仿真教學(xué)技術(shù)的培訓(xùn)也需不斷加大力度。未來，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)實驗技術(shù)人才培養(yǎng)的機會會越來越多，推廣范圍也將越來越大。

（課題組成員：梁熠溥、程怡娟、王青、王一玨、潘子建、朱彤、張南南）

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［14］教育部辦公廳.關(guān)于批準清華大學(xué)數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的通知：教高廳函〔2015〕3號［A/OL］.（2015-01-09）［2022-12-30］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201501/t20150109_189310.html.

［15］教育部辦公廳.關(guān)于批準北京大學(xué)考古虛擬仿真實驗教學(xué)中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的通知：教高廳函〔2016〕6號［A/OL］.（2016-01-27）［2022-12-30］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201602/t20160219_229805.html.

［16］王艷鳳，趙國星，劉暢，等.生物安全三級實驗室禽流感病毒分離培養(yǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)初探［J］.實驗技術(shù)與管理，2020，37（9）：195-199.

［17］萬莉，張紅，吳民瀘，等.醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)專業(yè)虛擬仿真實驗室的建設(shè)與思考［J］.國際檢驗醫(yī)學(xué)雜志，2020，41（7）：889-891.

［18］逯行，朱陶，徐晶晶，等.高校虛擬仿真實驗教學(xué)的基本問題與趨勢［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2021，31（12）：61-68.

［19］范寒寒，張戎，朱久娟.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)分析化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)教育（中英文），2022，43（20）：117-122.

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Exploration on the Mixed Teaching Mode Based on 5G Virtual Simulation Technology： Taking the Training of Medical Experimental Technicians as an Example

LIANG Yi-pu1a， CHENG Yi-juan1b， ZHANG Nan-nan2

（1. a. West China Stomatological College， b. West China Clinical Medical College， Sichuan University， Chengdu， Sichuan 610041， China; 2. China Birth Defects Monitoring Center， West China Second Hospital， Sichuan University， Chengdu， Sichuan 610041， China）

Abstract： The virtual simulation technology based on 5G is a new teaching mode of experimental medicine， which overcomes the limitations of traditional medical experimental technology teaching mode in terms of space， time， management and so on. And it has the advantages of openness， interactivity， intuitiveness and greatly improves the training mode of medical experimental technology talents in colleges and universities. It becomes an important way of training medical experimental technology talents in the future. Based on the characteristics of 5G based virtual simulation teaching mode in the training of medical experimental technology talents， this paper discusses the application， advantages and disadvantages of the training mode at the moment， which has a good enlightenment for the development of the training mode in the future. This article gives a positive and good prospect for this kind of cultivation mode.

Key words： 5G; virtual simulation technology; medical experiment