醫學影像學虛擬仿真實驗教學項目的實踐與思考

摘  要：信息技術與高等教育實驗教學的深度融合是當代高等教育的重要發展趨勢之一，符合實驗教學改革的發展趨勢和人才培養的實際需要。將虛擬仿真技術應用于醫學影像學實驗教學，能有效解決“高投入、高危險、難實現”的傳統實驗教學問題。結合天津醫科大學醫學影像學虛擬仿真實驗教學實際，簡述了虛擬仿真在醫學影像學實驗教學中的應用優勢，同時分析了醫學影像學虛擬仿真項目發展的制約因素，從整體謀劃、學科融合、校企合作方面提出了針對性發展策略。

關鍵詞：虛擬仿真;醫學影像學;實驗教學

中圖分類號：G642.0;R331      文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）15-0088-03

Practice and Thinking on Virtual Imaging Experiment Teaching Project of

Medical Imaging

ZHENG Nan1，PANG Xueming2，LI Jun1，ZHANG Hongqing1，CUI Changhuan1

（1.Laboratory and Asset Management Department，Tianjin Medical University，Tianjin  300070，China;

2.School of Medical Imaging，Tianjin Medical University，Tianjin  300070，China）

Abstract：The deep integration of information technology and experimental teaching in higher education is one of the important development trends of contemporary higher education，which is in line with the development trend of experimental teaching reform and the actual needs of personnel training. Applying virtual simulation technology to medical imaging experiment teaching can effectively solve the traditional experimental teaching problem of “high investment，high risk，difficult to achieve”. Combined with the practical teaching of medical imaging virtual simulation experiment in Tianjin Medical University，the application advantages of virtual simulation in medical imaging experimental teaching are briefly described. At the same time，the constraints of the development of medical imaging virtual simulation project are analyzed. Targeted development strategies are put forward from the aspects of overall planning，discipline integration and school-enterprise cooperation.

Keywords：virtual reality;medical imaging;experimental teaching

0  引  言

醫學影像學在臨床醫學和基礎研究的應用上如同“偵察兵”，肩負著為臨床科學診治、揭示病因病理及循證醫學等醫學工作提供影像信息依據的任務。這也要求影像醫學人才除具備全面的醫學理論體系和醫學思維外，更要有過硬的“實戰”能力，以應對復雜繁重的臨床任務及研究工作。所以影像醫學人才必須通過大量的實踐才能獲得足夠的基本操作技能和臨床能力。

信息技術與高等教育實驗教學的深度融合是當代高等教育的重要發展趨勢之一，《教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》中指出，“大力推動互聯網、大數據、人工智能、虛擬現實等現代技術在教學和管理中的應用，探索實施網絡化、數字化、智能化、個性化的教育，以現代信息技術推動高等教育質量提升的‘變軌超車’”[1]?！督逃哭k公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》中提出，“以提高學生實踐能力和創新精神為核心，以現代信息技術為依托，以相關專業類急需的實驗教學信息化內容為指向，建設示范性虛擬仿真實驗教學項目，推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式”[2]。

1  虛擬仿真技術應用于醫學影像學實驗教學的優勢

虛擬仿真技術是借助計算機集成理念和技術，在多維信息空間上創建一個虛擬信息環境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環境完善的交互作用能力，并有助于啟發構思[3]。虛擬仿真實驗擺脫了實驗試劑、標本、器械、場地的限制，可隨時隨地開展虛擬實驗，并且可反復訓練，無實驗成本的增加，極大地拓展了學生學習的內容和空間[4]。

1.1  有效突破傳統實驗教學模式瓶頸

由于傳統的醫學技術教學環境和模式所限，部分實驗教學內容無法實現或與臨床實際存有差距，例如：實驗成本過高、涉及輻射等高危環境，實驗條件難以滿足教學規模要求，不符合醫學倫理要求等[5]。涉及醫學影像學傳統實驗教學模式，則存在高投入、高危險和難實現的發展瓶頸。

高投入：包括X射線設備、超聲設備、磁共振設備、CT設備等。由于這些設備的價值動輒上百萬甚至上千萬元，目前教學經費的投入遠遠達不到教學規模需求，且部分貴重儀器設備的運行與維護成本較大。為了控制成本，大部分醫學院校的影像設備都是從附屬醫院淘汰下來的。由于老化過時，這些設備只能用于講解基礎的設備原理、影像技術的擺位等，學生接觸不到較為高端的圖像后處理部分。

高危險：X射線設備和CT設備都是利用X射線成像，由于X射線對人體有輻射危害，從保護師生安全的角度出發，傳統的實驗過程中不會用到實際的X射線操作，只能是“照貓畫虎”或“紙上談兵”。

難實現：目前影像設備都是大型數字化成像設備，成像過程復雜，原理抽象，自動化程度高。從教學角度來看，不利于學生對成像過程與原理的理解[6]。信息網絡技術的應用也突破了空間與時間的限制，教師可以通過虛擬仿真系統將課堂內容通過網絡延伸，客觀系統地進行學生操作評價和作業批改。虛擬仿真平臺更符合現代大學生成長的新特點，符合信息化時代教育教學的新規律，學生可以隨時登陸平臺進行反復實驗操作學習，這也提高了學生自主學習與創新能力[7，8]。

1.2  虛擬仿真在醫學影像學實驗教學中的應用

天津醫科大學醫學影像學院成立于1984年，是我國第一個獨立的醫學影像學專業。影像學院實驗教學中心在2012年成立了虛擬仿真實驗教學中心，下設：電子仿真實驗室、磁共振成像虛擬仿真實驗室、PACS實驗室、圖像處理實驗室、圖像分析實驗室、功能成像實驗室。2015年中心被評為天津市虛擬仿真實驗教學中心，中心申報的“CT檢查技術虛擬仿真實驗”被評為“2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目”。

中心利用PACS系統將實際的臨床影像資料進行采集、整理、存儲并實現與附屬醫院的PACS資源共享。在大數據平臺上幫助師生模擬醫療方案制定和治療效果預測全過程，瀏覽復雜病案和最佳治療案例，通過模擬操作來獲取模擬治療結果并進行評判。憑借虛擬仿真技術的優勢，功能磁共振成像技術等前沿技術的原理與應用也被納入到實驗教學課程體系，增強了學生今后解決臨床實際問題的能力。中心近年來與部分大型醫療研發企業合作開發了“磁共振虛擬數據采集與圖像處理軟件”，解決了困擾醫學影像學教育同行多年的無法用臨床磁共振設備講解磁共振成像原理的教學問題。利用PACS教學平臺開發了心血管圖像處理系統、肺結節分析系統、虛擬內窺鏡系統，與企業聯合開發了X射線虛擬仿真操作系統等，極大豐富了虛擬仿真實驗教學資源。中心還通過互聯網與西部高校如北方民族大學、甘肅中醫藥大學、河西學院等實現共享教學，幾所高校的師生可以同時通過各種終端訪問實驗教學項目進行自主學習，真正實現優勢教學資源的共享互促。

2  醫學影像學虛擬仿真實驗教學項目發展的制約因素

2.1  經費投入因素

不可否認，建設虛擬仿真實驗教學項目需要投入一定的經費用于服務器、網絡交換機、計算機終端、圖像工作站、投影顯示系統等信息化硬件購置和醫學影像資料庫、圖形處理等軟件以及網絡平臺的建設。這些專業設備和軟件比較昂貴，應用到教學中如每人或每組配備虛擬設備進行操作，資金的需求就更有壓力[9]。另外資金分散投入，學校和醫院間無法資源共享，導致設備重復購置，低端軟硬件難與醫學影像行業趨同而造成浪費[10]。

2.2  實驗教師隊伍因素

虛擬仿真技術作為近些年發展起來的新興技術，對開展相關實驗教學的教師的知識儲備和探索精神提出了更高的要求[11]。實驗教師隊伍年齡結構偏大，主動接受實驗教學信息化理念和知識的內在動力不足，利用虛擬仿真技術促進實驗教學改革創新的抓手不夠豐富。且實驗教師的教學科研任務繁重，進行虛擬仿真項目開發的時間相對不足。

2.3  學科融合因素

醫學虛擬仿真實驗教學項目的實施需要醫學、教育學、工學等相關學科的協同合作：醫學提供理論基礎、內涵及建設目標，工學提供技術支撐和運行維護，項目的設計與建設還要符合教育學原則規律，這樣的融合才能達到建設效果。這就要求相關建設團隊主要成員均掌握醫學、教育學、工學的基礎性認知，便于順暢溝通和智力的無縫對接，共同參與項目的設計和研發等各個環節。

2.4  虛擬仿真教學內容因素

當前的虛擬仿真實驗教學普遍缺乏行業專家的指導，在一定程度上限制了教學內容的擴充和更新，這也使得選擇適合醫學生的虛擬現實教材受到限制，大部分都不能滿足實際教學需求，內容過于理論化[12]。

當前虛擬現實行業發展的短板之一是內容匱乏、針對性不強，直接購置的軟件與本專業的培養計劃和課程設計差異明顯，難以真正激發學生對實驗內容的深刻理解和學習熱情。

3  醫學影像學虛擬仿真實驗教學項目發展對策

3.1  科學謀劃，注重學生能力培養

做好醫學影像學實驗教學的發展謀劃和頂層設計，課程內容、實驗教學設備購置、實驗教材選擇和編制均要與醫學影像學行業發展現實趨同，實踐操作與學生今后的臨床實際有效契合。

根據“能實不虛，虛實結合”的建設原則，做好虛擬仿真實驗教學項目的選題;規劃好虛擬仿真內容在實驗教學中的比例，注重傳統實驗與虛擬仿真實驗教學資源的共同建設。注重實驗教學的線上線下有機結合，學生在線上完成原理學習和虛擬操作;線下通過網絡繼續教育、操作評測和反饋等讓學生自主學習的能力得到培養[13]。

利用好多渠道經費為信息化建設提供保障;發揮醫學院校和附屬醫院的協同優勢，整合貴重儀器設備和臨床影像醫學資源，避免重復建設造成資源浪費。

3.2  實驗教師隊伍因素

醫學院校建設高水平的虛擬仿真實驗教學團隊要“內外兼修”。院系層面要注重教學團隊的年齡層次和學緣結構，積極吸納具有交叉學科背景、年富力強的理論課教師和實驗教師加入團隊。學校層面應在人才引進、考評、培訓、激勵等方面建立完整的制度體系，將實驗教學成果納入教師的年終考評與職稱晉升評定以及教學成果獎勵體系，將信息技術與醫學深度融合作為教師繼續教育的主題之一，全方位激勵教師開展信息化建設與應用。

同時應邀請有在醫學相關領域合作經驗的信息化工程師、網絡工程師等工學高級人才作為指導專家、顧問加入醫學虛擬仿真實驗教學團隊，參與到虛擬仿真實驗教學項目建設和教材編寫的各個環節。

3.3  促進校企合作，加強網絡共享

校企合作是學校和企業依據雙方需求，整合各自資源優勢，從教育形式、教育平臺等多方面進行合作，是當今高等學校人才培養的重要途徑和有效平臺[14]。企業具有專業的信息化研發實驗室和技術團隊等工學技術優勢，并且具備信息化平臺開發的軟硬件基礎條件，節約了研發的前期投入[15]。醫學院校具備醫學、教育學資源優勢，能為項目研發提供理論基礎、醫學素材和建設思路。師生參與到醫學虛擬產品的設計、研發、測試過程，可以從使用者的角度對產品提出設計和改進意見。通過校企雙方的強強聯合，優勢互補，將信息化建設成果有效應用于醫學人才培養，實現了合作共贏。

4  結  論

虛擬仿真實驗教學項目的建設能彌補傳統實驗存在的不足，重點解決實際實驗、實訓中資源限制、條件限制、實際訓練效果不佳等客觀問題，同時兼顧課程整合，完全符合國家教學改革方向，符合實驗教學改革的發展趨勢和人才培養的實際需要。醫學影像學虛擬仿真實驗教學項目能有效解決“高投入、高危險、難實現”的教學問題，模擬真實的臨床影像設備和操作環境，與行業發展趨同，更有利于醫學影像學專業學生“實戰”能力和醫學思維的培養。

參考文獻：

[1] 教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見 [J].中華人民共和國教育部公報，2018（9）：18-24.

[2] 中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知（教高廳〔2017〕4號） [EB/OL].http：///srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html，2017-07-13.

[3] 婁言.虛擬現實與增強現實技術導論 [M].北京：北京科學出版社，2017.

[4] 王曜暉，周萬津，姚新生，等.醫學虛擬仿真實驗教學中心的建設與探索 [J].基礎醫學教育，2018，20（12）：1128-1131.

[5] 袁藝標，高興亞，周紅，等.醫學機能實驗學規范化操作虛擬平臺設計 [J].實驗室研究與探索，2016，35（12）：139-142.

[6] 陳建方，石波，曹明娜，等.虛實結合的影像專業實驗模式構建 [J].實驗室研究與探索，2017，36（9）：189-192.

[7] 李琦，馬維紅，白梅，等.臨床醫學虛擬仿真實驗教學中心的建設 [J].華夏醫學，2017，30（2）：136-138.

[8] 韓浩賢，劉運德，趙珊，等.醫學類虛擬仿真實驗教學中心建設的SWOT分析 [J].中國高等醫學教育，2018（11）：16-17.

[9] 孫丹丹，李玲玲，劉建，等.超聲診斷學實驗教學的探索與思考 [J].中國地方病防治雜志，2018，33（5）：518-519.

[10] 王琴，王愛梅.醫學虛擬仿真實驗教學資源的建設與應用實踐研究 [J].高校醫學教學研究（電子版），2015，5（4）：23-26.

[11] 李佳瑋，劉志東，郝存江，等.新形勢下高校實驗教師隊伍建設的問題及對策研究 [J].實驗技術與管理，2010，27（2）：150-152.

[12] 劉佳，郭婷婷，王艷華，等.醫學院校開設虛擬現實課程的教學實踐 [J].中國醫學教育技術，2019，33（1）：99-102.

[13] 劉家秀，許國瑩，李靖，等.醫學檢驗虛擬仿真實訓教學平臺的構建與應用 [J].中國醫學教育技術，2019，33（1）：83-86.

[14] 尚妍，劉曉華，東明，等.校企合作的虛擬實踐教學平臺建設 [J].實驗室科學，2017，20（5）：186-189.

[15] 高巍，宋瑋華，陳淑芳.基于校企合作的虛擬仿真教學實踐探討 [J].通訊世界，2019，26（2）：308-309.

作者簡介：鄭楠（1982.01-），男，漢族，天津人，碩士，助理研究員，研究方向：實驗室建設與管理;龐學明（1986.06-），男，漢族，天津人，碩士，實驗師，研究方向：醫學影像技術;李軍（1987.03-），男，漢族，天津人，碩士，研究實習員，研究方向：實驗室建設與管理;張洪清（1965.12-），男，漢族，天津人，碩士，研究員，研究方向：實驗室建設與管理;通訊作者：崔長歡（1979.08-），男，滿族，北京人，碩士，助理研究員，研究方向：實驗室建設與管理。