虛擬仿真技術聯合PBL教學法在心臟超聲住院醫師規范化培訓中的應用

李 穎,高 林

中國醫科大學附屬盛京醫院超聲科, 沈陽 110004

近年來,國家高度重視數字教育發展,將其作為數字中國重要組成部分,強調數字化技術在教育中的應用和拓展,“推進教育數字化”更是首次寫入了黨的二十大會議報告之中。虛擬仿真技術是新一代前沿數字技術,將其應用于臨床醫學等實踐性較強的學科教學中具有獨特優勢,可以幫助學生更好地理解抽象概念、建立空間思維、掌握操作技能,有效彌補教學資源不足等問題[1]。以問題為基礎(problem-based learning,PBL)的教學模式與傳統的以講授為主的教學方法不同,其以問題為切入點引導學生自主探究、掌握學習方法,提升其發現問題、解決問題的能力,目前已成為國內外醫學院校常用的教學方式[2]。超聲學科住院醫師規范化培訓(以下簡稱“規培”)以培養學生掌握扎實的理論基礎和熟練的臨床診斷技能為主要目標,其中心臟超聲診斷因其多腔室、多血管連接的復雜解剖結構及動態圖診斷特點,一直是超聲學科規培教育的難點和熱點。此次研究將虛擬仿真技術和PBL教學模式有機結合,應用于規培生的心臟超聲教學中并進行效果評估,以期探索超聲學科臨床教學新的教學方法和思路。

1 心臟超聲檢查虛擬仿真學習系統簡介

心臟超聲檢查虛擬仿真學習系統是一個以PC設備環境下的全數字化心臟三維解剖結構模型為基礎,將數字化心臟結構與實例心動超聲影像相結合,將虛擬仿真技術與診斷相結合,模擬臨床實際工作場景的教學系統。系統包括結構模型模塊、微課模塊和病例實訓模塊,學生可以通過該系統進行心臟超聲診斷的自主學習與訓練。其中,結構模型模塊通過對心臟器官超聲特征的數字建模和軟件設計,達到對醫學超聲成像過程的仿真,包含心房、心室、瓣膜、主動脈、肺動脈等結構的三維立體結構,能夠動態模擬展示正常狀態下和常見疾病病變狀態下的各個瓣膜、心肌與心腔及相鄰血管等細微解剖結構,能夠任意進行多角度旋轉、平移、縮放和切割,生成幀頻與真實醫學超聲圖像相當的虛擬超聲圖像;微課模塊收錄了心臟超聲教學微視頻,主要包括心臟解剖及節段分析法、心臟超聲檢查方法、臨床上常見的先天性、后天性心臟病的超聲表現和鑒別診斷方法,以及教師在臨床工作中收錄積累的病例圖像;病例實訓模塊包括在線題庫自學和在線測試兩部分內容,通過提供重復性的學習和技能訓練,為所學技能遷移到真實臨床操作中提供支持(如圖1所示)。

圖1 數字化心臟模型及虛擬仿真切面對應超聲心動圖示例

2 研究對象及方法

2.1 研究對象

該研究采用試驗對照方法,選擇中國醫科大學附屬盛京醫院超聲科59名規培生,按照入科時間及輪轉情況分為試驗組(n=31)和對照組(n=28)。其中,試驗組采用虛擬仿真技術聯合PBL教學法教學,對照組采用傳統方式教學。教學內容按照中國醫科大學附屬盛京醫院《超聲診斷學教學大綱》,包括20學時的理論課與60學時的實踐課。兩組學生之前均未在心臟超聲組輪轉,帶教教師為同一批教師。

2.2 研究方法

2.2.1 對照組教學方法

對照組采用傳統的“傳幫帶”模式開展教學。理論課采取教師講、學生聽的線上灌輸式教學方法進行授課;實踐課學生觀摩為主,跟隨教師在超聲門診實習。教師在臨床檢查過程中講解相關病例的超聲表現、鑒別診斷、規范化超聲評估流程等知識要點,學生邊觀察教師手法及超聲圖像等要點邊記好筆記,并在征得患者同意的情況下進行上機實操,同時協助教師做好診室秩序維護、與患者及家屬溝通等人文方面實踐。課后,學生根據課件和筆記內容進行復習和知識的鞏固。

2.2.2 試驗組教學方法

試驗組采用以病例為基礎、以問題為導向的教學模式。根據教學內容由教師針對臨床病例的表現設置問題,再由問題引導到相關類型疾病的知識點[3]。①教學準備。教學組先建立一個由教師和學生組成的微信群作為教學輔助平臺,并由教師結合教學內容錄制微課上傳到虛擬仿真教學系統。②理論課教學。教師于課前一周在微信群中將知識點和相關病例圖像以問題的形式發布預習任務,學生圍繞問題對病例進行分析和小組討論,查閱教材和資料文獻進行預習。比如發布一組顯示右心增大的超聲心動圖影像,引導學生自主尋找哪些疾病能產生此類影像表現,圍繞相關的病因病理、超聲表現、診斷與鑒別要點等內容開展預習。課堂上,教師借助心臟虛擬仿真模型,通過正常結構和病變后的變化進行對比講解,引出相關疾病的定義、病因、解剖分型、病理生理等知識點。③實踐課教學。在對照組教學方式的基礎上,指導學生利用數字化仿真模型,對典型病例實時進行對比學習,掌握、理解心臟的位置毗鄰和外觀形態、心臟投影的體表標志、心臟超聲透聲窗、心臟的內部結構(如各腔室、瓣膜等重要標志性結構),以及相關結構的正常超聲圖像表現和常見疾病的超聲圖像表現等知識,加深對鑒別診斷要點的掌握。④課后學習。學生可以通過系統的微課模塊隨時進行復習,通過病例實訓模塊中提供的大量真實超聲圖像和視頻資料,對相關疾病進行分析,依據規范化報告的格式描述超聲所見,提出診斷結果、闡述診斷依據,訓練診斷能力;學生還可以通過微信群與教師和同學們進行學術探討和互動交流。

2.3 教學效果評價

2.3.1 臨床實踐能力考核

課程結束后,分別對兩組學生進行理論知識、臨床思維和操作技能的考核,比較各自對基礎知識和基本技能的掌握程度。理論知識部分考核基本原理方法及心臟的重要結構解剖特點、常見基本鑒別診斷要點等超聲基礎知識,滿分100分;臨床思維部分考核讀片和病例分析等方面能力,滿分100分;操作技能部分考核超聲掃查規范、標準切面顯示等上機操作技能,滿分100分。試題均由同一名教師設置,范圍和難度一致。

2.3.2 問卷調查

教學結束后采用自編問卷的形式對兩組學生分別進行匿名調查,內容包括對教學效果的滿意度、學習興趣和學習效果等方面,由學生根據自身的真實感受逐項評價。

2.4 統計分析方法

3 結果

3.1 兩組學生臨床實踐能力考核成績

試驗組學生的理論成績、臨床思維成績和操作技能成績均高于對照組,差異均具有統計學意義。結果如表1所示。

表1 兩組學生臨床實踐能力考核成績比較

3.2 問卷調查結果評價

向兩組學生共發放問卷59份,回收有效問卷59份。結果顯示,試驗組滿意度高于對照組,差異具有統計學意義。結果如表2所示。

表2 試驗組學生學習效果問卷調查結果比較

4 討論

4.1 開展心臟超聲診斷臨床教學改革的背景

隨著超聲技術的發展,心臟超聲檢查以其無創、可重復、結果可靠等優勢已成為臨床診斷最常用、最有效的方法之一。超聲心動圖可以對心臟進行多切面、全方位掃查,實時動態顯像,在對心臟疾病的診斷、治療中具有重要臨床價值。在以往的教學中發現,對心臟解剖結構知識掌握的熟練程度是影響超聲科醫師診斷效率和準確率的關鍵因素之一。傳統教學一般都是通過大體標本、圖譜及醫學影像圖片等方式來講授臟器組織結構及相應的毗鄰關系,在臨床醫院中相關教學資源相對稀缺,學生缺乏系統性認知[4]。在臨床實踐中,很多病變具有少見性、抽象性、動態性、多變性、復雜性等特點,且心臟超聲影像不同于CT等靜態影像,其展示的是實時動態圖,每一幀細微變化所反映出的器官狀態都會對診斷結果產生影響,學生難以短時間內理解掌握,絕大部分缺少經驗的規培學生甚至“新手醫生”在臨床診斷中存在“上手慢”“漏診多”等現實情況[5]。在頭腦中建立起心臟三維結構的感性認知是學生規培階段超聲診斷教學的關鍵,傳統帶教實習模式已無法滿足心臟超聲規培的教學需求,在數字化教學改革的背景下,建立一個全數字化的心臟三維解剖結構模型實現醫學超聲領域的輔助教學功能是一種有效的教學方法[6],能夠為熟練掌握器官結構與病變之間的關系,快速準確找到病灶結構切面進行診斷,以及未來開展經超聲引導下的心臟介入手術等高階實踐操作打下堅實基礎。

4.2 有助于提升規培學生心臟超聲知識的掌握

規培學生的考核主要考查學生對于心臟解剖和超聲圖像表現以及相關疾病知識的掌握程度。試驗組通過課前布置問題做好充足預習準備、課中加強直觀化體驗、課后加強復習訓練與互動三個環節來強化教學效果。教學中將學習內容與問題有機結合,引導學生探討隱藏于問題背后的相關知識而達到教學目的,加深對心臟疾病的探索與理解,使學生能夠掌握扎實的理論知識,更加熟練地掌握心臟解剖、超聲圖像表現、病理生理學變化機制和鑒別診斷技能。虛擬仿真技術所展示的與超聲切面一致的數字化心臟斷層結構可讓學生熟練掌握心臟空間解剖結構及毗鄰關系,其中任何結構都可以獨立出來進行學習觀察,對學習過程進行分解和可視化,幫助學生完成從感知到記憶再到理解的學習過程,由表及里、循序漸進地完成知識學習[7]。傳統教學模式因模型示例有限、動手操作機會少,在理論知識、臨床思維、操作能力及學習滿意度等方面普遍低于試驗組,說明虛擬仿真聯合PBL教學方式具有一定優勢[8],更適合規培學生的心臟超聲診斷學科教學。

4.3 有助于培養學生的臨床思維能力

超聲診斷學臨床思維能力是指醫師運用醫學知識、操作技巧和臨床經驗對患者病灶的超聲圖像異常表現進行綜合分析、判斷、決策并給出診斷意見的能力,正確的臨床思維有助于醫師在復雜多變的臨床環境中快速準確地作出判斷和決策[9]。虛擬仿真聯合PBL教學模式能夠讓學生對心臟結構和工作原理進行直觀學習,培養其空間思維方式,刺激其對基礎知識的記憶。虛擬仿真模型在整體教學進程中為學生提供了“想象與創造”的廣闊空間,通過數字化心臟內部空間結構各種關系的可視化,學生經過反復學習和強化訓練,觀察、記錄、分析、驗證各結構之間的靜動態關系和相應的超聲動態圖表現,能夠在腦海里建立較為完整和系統的心臟器官三維立體結構和疾病關系的感性認知,對相關疾病檢查能夠快速反應出圖像切面的獲取位置及可顯示的解剖結構,對所獲取的超聲圖像能迅速判斷其異常表現,達到加深學生對基礎知識及診斷要點的理解和記憶的良好教學效果,使其思維建立在豐富的感性認識基礎上,增強其思維的正確性、敏感性、系統性,培養臨床思維能力。通過這種專業的、有意識的、有目的性的長期鍛煉,使學生形成嚴謹的、系統的、穩定的臨床思維模式[10]。

4.4 有助于培養學生的問題應對能力

醫學知識專業性強、概念抽象,在規培教學中需要結合不同學科的特點來選擇合適的方法加深學生理解。與臨床治療上的“解決問題”不同,超聲診斷學的首要任務是“發現問題”,教師從病例問題入手,以臨床常見病例搭載知識點,指導學生通過查閱資料、分析討論等方式自主尋找問題的答案以加深理解,引導學生對心臟結構、常見心臟疾病的病理改變與超聲圖像表現之間的關系產生系統性的關聯。教師在這個過程中是學習的促進者,適時給予學生精確的支持、指導和鼓勵[11]。學生通過對問題的解讀、分析、評估、推理、實踐的全鏈條式學習過程獲取答案,鍛煉了自主學習能力,逐步達到以點帶線、以線成面、以面擴體的效果,提升其在臨床實踐中發現問題、分析問題、解決問題的能力。

4.5 有助于改善教學體驗

運用多樣化的教學策略,能夠激發學生學習醫學的興趣和主觀能動性,進而在提升學習效率的同時提升課堂教學效率。特別是隨著經食道心臟超聲檢查等新技術的應用,在非常規的方向展示心臟切面,學生平時很難接觸到這些聲窗方位的超聲心動圖像,虛擬仿真心臟結構模型可以從任意角度展示心臟超聲切面特征,便于學生進行更為精細的觀察和理解,同時以問題為導向的教學方式鍛煉啟發學生創新思維,與新技術應用教學的契合度更高,拓展了教學范圍,改善了臨床教學資源稀缺不足的問題[8]。學生在新技術的加持下,在充滿求知欲的氛圍里,主動探索心臟疾病的病理解剖和錯綜復雜的空間毗鄰關系,促進對三維空間魅力的體驗感,提升學習熱情。課后的訓練注重學生思維分析方式和規范性操作,支持學生反復練習,以達到技能養成的目的[12]。教師在臨床診斷中遇到適合的教學病例,可及時將相關影像資料整理保存后上傳到學習系統,不斷豐富微課內容,保持教學資源的鮮活性。微信學習群的建立,便于教師將學習資料等素材轉發到群里,并定期設定問題組織學生進行討論,給學生打造一個具有豐富理論學習資源,又能隨時交流研討的互動平臺,優化了教學體系,增強教學的靈活性與積極性,提升學生學習的參與性與自覺性。

5 思考與展望

隨著現代科學技術的飛速發展,虛擬仿真教學在現代醫學教育中的應用更加廣泛和多元[13],有助于提升學生的觀察能力、想象能力和思維能力,激發學習的主動性和鉆研精神,特別是對于超聲醫學這種實踐操作要求高、實驗條件不具備或實際操作困難的學科,能輔助提升學生學習效率[14-15],彌補傳統教學中對組織器官各種狀態下三維結構認知的不足以及訓練水平不足等問題。未來,借助數字孿生、人工智能、大數據分析等前沿技術,虛擬仿真教學系統還可以將模擬的細節展現得更加精細化、逼真化,并提供實時智能Chat等功能,對教師和學生反饋的數據進行技術分析,科學評定教學進展情況,幫助教師隨時調整教學方向,發揮更加精準的教學指導和輔助作用,實現臨床教學質量的提升[16]。