王 道 陳建林

中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院婦產(chǎn)科,湖南省長(zhǎng)沙市 410011

在互聯(lián)網(wǎng)和人工智能迅速發(fā)展的時(shí)代,人們的日常生活發(fā)生了翻天覆地的變化,其中最重要的變化之一就是高校教學(xué)資源的信息化,引領(lǐng)未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新的重要方向[1]。近幾年,歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的醫(yī)學(xué)院校都將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用在臨床實(shí)驗(yàn)教學(xué)上[2],著力打造統(tǒng)一管理的虛擬仿真醫(yī)療平臺(tái),將臨床和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合,變革教學(xué)管理模式,建立資源使用率高、課程兼容性強(qiáng)的多學(xué)科的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)現(xiàn)有5 000～7 000萬(wàn)例不孕不育患者,生殖醫(yī)學(xué)中心的需求數(shù)量也在相應(yīng)地增加,尤其是輔助生殖實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的缺口日益增大[3]。輔助生殖實(shí)驗(yàn)室是生殖醫(yī)學(xué)中心的核心,需要人員具備扎實(shí)過(guò)硬的輔助生殖實(shí)驗(yàn)室操作技能。因?yàn)榧夹g(shù)人員的操作技能差或者操作失誤可以嚴(yán)重影響到配子及胚胎的結(jié)局,特別是胚胎冷凍與復(fù)蘇技術(shù),操作難度比一般的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)大。對(duì)于醫(yī)學(xué)本科生來(lái)說(shuō),很難有機(jī)會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室觀摩實(shí)際操作,更不可能親自操作人類胚胎及配子。同時(shí),胚胎實(shí)驗(yàn)室的貴重儀器精密度高,對(duì)操作環(huán)境要求也很嚴(yán)格。這些問(wèn)題都大大限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué),達(dá)不到理想的教學(xué)效果。因此,建立胚胎冷凍與復(fù)蘇虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有重要意義,特別是對(duì)于輔助生殖臨床上高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、高難度的手術(shù)項(xiàng)目,或者是難以進(jìn)入輔助生殖實(shí)驗(yàn)室親手操作的實(shí)驗(yàn),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受限制,虛實(shí)結(jié)合,基礎(chǔ)加臨床,讓學(xué)生在虛擬環(huán)境下參與實(shí)驗(yàn)操作,了解輔助生殖技術(shù)理論和實(shí)踐治療不孕癥的方法。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具備的優(yōu)勢(shì)

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軇?chuàng)造逼真環(huán)境,提高用戶體驗(yàn)感 虛擬仿真技術(shù)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬一個(gè)人體生殖系統(tǒng)的模型,讓本科生更直觀了解生殖系統(tǒng)的構(gòu)造和功能,還可以融合VR(Virtual Reality)、MR(Mixed Reality)等技術(shù)[4-5],比傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)生動(dòng)有趣。并且,學(xué)生還能夠進(jìn)行數(shù)字人體解剖,提高自主性,使用高質(zhì)量的學(xué)習(xí)資源庫(kù),不限時(shí)間和地點(diǎn)反復(fù)學(xué)習(xí)。在實(shí)際操作人類胚胎冷凍和復(fù)蘇之前,輔助生殖技術(shù)新手可以借助虛擬仿真技術(shù),在顯示器上重復(fù)地練習(xí)和模擬操作過(guò)程,提高技術(shù)的熟練程度。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)茉鰪?qiáng)安全性,防范醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn) 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用為輔助生殖技術(shù)等特殊專業(yè)的醫(yī)學(xué)技能訓(xùn)練創(chuàng)造了基本條件,學(xué)生掌握了相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)后能夠在虛擬場(chǎng)景中反復(fù)練習(xí),避免以無(wú)技能或者低技能狀態(tài)進(jìn)入臨床學(xué)習(xí),降低了未來(lái)在真實(shí)醫(yī)療實(shí)踐過(guò)程中可能出現(xiàn)的安全、質(zhì)量和倫理風(fēng)險(xiǎn)。生殖科醫(yī)師也能夠沉浸在虛擬場(chǎng)景中,進(jìn)行各種復(fù)雜或者特殊手術(shù)的實(shí)際操作,體驗(yàn)并學(xué)習(xí)如何應(yīng)對(duì)臨床手術(shù)中的各類突發(fā)情況。不但節(jié)約了培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員的成本和時(shí)間,而且使非熟練人員進(jìn)行手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。對(duì)改善不同地域醫(yī)療手術(shù)水平發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀有著重大意義。

1.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)茉⒔逃跇?lè)、寓教于行 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成了醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域里最主要的教學(xué)方式。本科生不再受限于傳統(tǒng)課堂的空間和時(shí)間,能夠利用空閑時(shí)間和任意地點(diǎn),按照角色扮演游戲的攻關(guān)式的操作指引,完成了只有在真實(shí)環(huán)境下才具備的操作流程。這種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式既鞏固了所學(xué)知識(shí),又加深了記憶,還緊密結(jié)合了理論與實(shí)踐。所有的訓(xùn)練與學(xué)習(xí)都充滿了快樂(lè),很受醫(yī)學(xué)師生們的歡迎。虛擬仿真平臺(tái)是真正能夠達(dá)到跨區(qū)域、無(wú)時(shí)限、多角度、高效率的教學(xué)與訓(xùn)練工具。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 由實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法等組成,以一對(duì)不孕不育癥患者夫婦的門(mén)診就醫(yī)過(guò)程為線索展開(kāi),簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)面臨的不孕不育的人群現(xiàn)狀,輔助生殖技術(shù)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊灾委熁颊卟辉胁挥膯?wèn)題為中心,指導(dǎo)學(xué)生了解胚胎冷凍發(fā)展歷史、學(xué)習(xí)低溫生物學(xué)基本原理以及冷凍保護(hù)劑類型,幫助學(xué)生快速掌握玻璃化冷凍胚胎技術(shù)和胚胎復(fù)蘇技術(shù)。實(shí)驗(yàn)原理通過(guò)動(dòng)畫(huà)視頻生動(dòng)形象地呈現(xiàn)胚胎發(fā)育、冷凍胚胎、復(fù)蘇胚胎等過(guò)程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)操作視頻和虛擬實(shí)驗(yàn)操作部分。實(shí)驗(yàn)操作視頻包括小鼠胚胎的體外受精、受精卵的培養(yǎng);虛擬實(shí)驗(yàn)操作包括胚胎玻璃化冷凍、胚胎復(fù)蘇。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。通過(guò)虛擬演示和操作掌握輔助生殖基本理論知識(shí),包括胚胎發(fā)育過(guò)程、卵裂期的胚胎評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、玻璃化冷凍和復(fù)蘇基本原理等;通過(guò)觀看視頻和虛擬互動(dòng)掌握玻璃化冷凍胚胎技術(shù)和解凍胚胎技術(shù);培訓(xùn)學(xué)生輔助生殖技術(shù)的實(shí)際操作能力,具備嫻熟和精湛的技藝,擁有良好的心理素質(zhì)。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)原理。首先建立小鼠促排卵—體外受精動(dòng)物模型,實(shí)驗(yàn)以6～8周SPF級(jí)昆明小鼠為材料,皮下或者腹腔注射PMSG 5～10IU,48～50h后再通過(guò)皮下或者腹腔注射hCG誘導(dǎo)LH峰出現(xiàn)并誘導(dǎo)排卵,然后在雌鼠的輸卵管壺腹部撿出成熟卵母細(xì)胞。取雄性小鼠附睪及輸精管中擠出精液,得到成熟的精子,通過(guò)常規(guī)IVF進(jìn)行體外受精,獲取到受精卵。然后觀察評(píng)估胚胎,第3天選擇性冷凍,擇期復(fù)蘇進(jìn)行移植。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)方法。學(xué)生首先需要注冊(cè)學(xué)號(hào)姓名,輸入賬號(hào)和密碼后就可以登錄進(jìn)入本項(xiàng)目平臺(tái)。第一次登陸學(xué)習(xí),建議先通過(guò)病例背景部分了解本實(shí)驗(yàn)的男女雙方患者基本情況包括既往史和現(xiàn)病史等。然后,根據(jù)平臺(tái)指引播放動(dòng)畫(huà)視頻,掌握實(shí)驗(yàn)原理。再播放實(shí)際操作視頻預(yù)習(xí)即將進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)操作流程,觀看完成之后才可以進(jìn)入正式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模塊。學(xué)生能夠自主依據(jù)本學(xué)期課程教學(xué)進(jìn)度選擇適當(dāng)?shù)纳险n時(shí)間。最后,學(xué)生在線提交生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,教師在線及時(shí)查閱學(xué)生的客觀題考核結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告,統(tǒng)計(jì)整個(gè)課程學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)情況,線下及時(shí)跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)效果,及時(shí)得到反饋,有利于調(diào)整實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度和深度,完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)方法

2.2.1 以多學(xué)科交叉為特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。輔助生殖技術(shù)人員必須掌握好生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、氣象學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)等豐富學(xué)科知識(shí)以及擁有良好的心理素質(zhì)。老式傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)今信息時(shí)代的需要。隨著人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展和普及,極大地加速了生殖醫(yī)學(xué)與其他各學(xué)科之間的交叉和滲透,傳統(tǒng)意義上的學(xué)科之間的邊界越來(lái)越模糊和淡化[6-7]。未來(lái)培養(yǎng)新的復(fù)合型人才就應(yīng)該具備一定的跨學(xué)科、跨專業(yè)、復(fù)合型的知識(shí)結(jié)構(gòu),掌握科學(xué)的思維方式、具備解決復(fù)雜問(wèn)題的方法以及終身學(xué)習(xí)的能力。

2.2.2 以臨床病例為引導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。以不孕癥患者病例為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,詳細(xì)介紹了不孕癥的定義、病因、診斷和治療手段以及輔助生殖技術(shù)的應(yīng)用等核心內(nèi)容,使學(xué)生對(duì)這個(gè)較為陌生的鄰域有所認(rèn)知和了解,激發(fā)了學(xué)生對(duì)生殖醫(yī)學(xué)的興趣,使課本上生硬枯燥的知識(shí)躍然紙上,讓每個(gè)學(xué)生從被動(dòng)聽(tīng)變?yōu)橹鲃?dòng)做,從被動(dòng)思考變?yōu)橹鲃?dòng)想。而傳統(tǒng)課堂教師教學(xué)只能生硬地以板書(shū)或者幻燈片展示輔助生殖技術(shù)的理論,學(xué)生依舊缺乏實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn),畢業(yè)之后不能進(jìn)入胚胎實(shí)驗(yàn)室操作。

2.2.3 以線上加線下的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。借助線上線下混合式教學(xué)資源,可以把學(xué)生的學(xué)習(xí)由淺入深地引向深度學(xué)習(xí),充分給予學(xué)生充足的學(xué)習(xí)時(shí)間,盡可能讓每個(gè)學(xué)生都能帶著預(yù)備扎實(shí)的知識(shí)理論進(jìn)入教師面對(duì)面的線下課堂,讓師生之間的溝通效率更高[8]。特別是針對(duì)虛擬仿真胚胎冷凍和復(fù)蘇的操作中需要注意的細(xì)節(jié)如在不同液體中浸入時(shí)間是多久、吹吸多少次、裝載在載杠上的液滴大小等實(shí)際問(wèn)題。這種混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法讓學(xué)生能夠積極思考,多提出難度比較大的問(wèn)題,教師也相應(yīng)對(duì)實(shí)際操作的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行有力補(bǔ)充。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)存在的缺點(diǎn)

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的維護(hù)時(shí)間成本不足 教育部2018年發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的工作的通知》,雙一流高等院校都在建設(shè)各個(gè)重點(diǎn)學(xué)科的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通常這些項(xiàng)目需要高校投入一定數(shù)額的啟動(dòng)資金,耗費(fèi)一定的時(shí)間建成所需學(xué)科的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬平臺(tái)運(yùn)行一段時(shí)間后,開(kāi)發(fā)和維護(hù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的工作量是巨大的,比如硬件和軟件的迭代更新或者運(yùn)行期間不斷的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。這就需要國(guó)家相關(guān)部門(mén)出臺(tái)機(jī)制來(lái)激勵(lì)、保障教師和學(xué)校對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的可持續(xù)性投入。否則,一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很可能在幾年之后就因?yàn)橘Y金和時(shí)間上的支持不足而成了擺設(shè),偏離了設(shè)置虛擬平臺(tái)的初衷,也浪費(fèi)了教師的精力和時(shí)間,得不償失。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)備尚不成熟 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使用到的顯示設(shè)備除了最常見(jiàn)的電腦顯示器外,還可以選配的其他高端顯示設(shè)備,主要包括VR、AR、MR等終端,還包括移動(dòng)終端、三維桌面終端。但是,絕大多數(shù)用戶還是以鼠標(biāo)作為主要交互方式。因?yàn)轭^戴VR在使用一段時(shí)間后,部分用戶會(huì)感覺(jué)頭昏、惡心甚至嘔吐;其次,頭戴VR佩戴舒適度不佳,廠家生產(chǎn)成本費(fèi)用高,售價(jià)達(dá)數(shù)千元,過(guò)高的價(jià)格和舒適感不好限制了該設(shè)備在高校的普及。只有頭戴VR、觸控手套的生產(chǎn)成本降低,特別是索尼等品牌全能一體機(jī)的上市,才能提高使用普及率。

3.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)存在共享困難 大多數(shù)高校所采用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)接口沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),造成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源和學(xué)校教學(xué)管理平臺(tái)互相不兼容,影響了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源的共享和應(yīng)用,阻礙了大規(guī)模數(shù)據(jù)的共享[9]。另外,針對(duì)高校都開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)通用實(shí)驗(yàn),高校之間可以通過(guò)虛擬大教室的形式展開(kāi)聯(lián)合教學(xué),這對(duì)高校的專屬服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)安全性提出了更高的要求[10]。學(xué)校需要配備專門(mén)人員24h對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊等進(jìn)行排查和維護(hù),日常管理難度日益增加。近年來(lái)興起的第三方設(shè)備市場(chǎng),由于廠家采用的系統(tǒng)架構(gòu)不同即產(chǎn)品的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)不同,導(dǎo)致不同設(shè)備建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)兼容性差,不便于優(yōu)勢(shì)資源的共享。

4 小結(jié)

在新冠疫情流行的大背景下,輔助生殖實(shí)驗(yàn)室由于實(shí)驗(yàn)條件、儀器設(shè)備和準(zhǔn)入門(mén)檻等因素的限制,輔助生殖操作技術(shù)無(wú)法開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。因此,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和實(shí)施,有效彌補(bǔ)了常規(guī)教學(xué)中的不足,減少了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中臨床實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的投入[11-12]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)充分突出了實(shí)操性強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)低、效率高等特征,重點(diǎn)突出以學(xué)生實(shí)操為主,得到廣大師生的一致認(rèn)可[13-15]。同時(shí),貫徹了新冠疫情防控期間的高校教學(xué)要求“停課不停教、停課不停學(xué)”,反映了國(guó)內(nèi)高校為適應(yīng)新技術(shù)革命變化所做的不懈努力和取得的顯著成效。