数字化背景下基础医学教学全景实验室建设的思考

Reflections on the construction of a panoramic laboratory for basic medical teaching in the context of digitization

摘要

数字化浪潮下，传统的医学实验教学方式需要创新和升级。随着信息技术的发展和应用，全景实验室在教育领域中崭露头角。本研究基于基础医学实验教学的实际需求，结合全景实验室发展历程和现有应用，探讨基础医学教学全景实验室的建设基础和理念、构建与应用、挑战与思考，以期为数字化背景下基础医学教学全景实验室建设提供建议，为后续深入研究和建设提供参考和思路。

Abstract

Under the wave of digitization, the traditional way of medical experiment teaching needs to be innovated and upgraded. With the development and application of information technology, panoramic laboratory has emerged in the field of education. Based on the actual needs of basic medical experiment teaching and combining the development history and existing applications of panoramic laboratories, this paper discusses the construction basis and concept, construction and application, challenges and reflections of panoramic laboratories for basic medical teaching, so as to provide thoughts for the construction of panoramic laboratories for basic medical teaching in the context of digitization, and provide references and ideas for subsequent in-depth research and construction.

Graphical abstract

关键词

数字化 / 全景实验室 / 基础医学实验 / 实验教学 / 人工智能

Key words

digitalization / panoramic laboratory / basic medical experiment / experiment teaching / artificial intelligence

在数字化科技快速发展的当下，数字化转型已经成为全球教育领域不容忽视的重要趋势。医学教育在培养医疗专业人才方面扮演着举足轻重的角色。基础医学实验教学不仅对学生掌握理论知识的程度进行实践性检验，更是塑造其临床思维和操作技能的关键途径^[1]。随着数字化和人工智能（artificial intelligence，AI）时代的到来，医学人才培养的需求和方式发生了根本性转变，也给基础医学实验教学带来新的挑战和机遇^[2-3]。

在数字化浪潮下，医学教育强调培养学生个性化学习和终身学习的能力，因而传统的实验教学方式需要进行创新和升级。学生不再受限于实体实验室的时间和空间，而可以在虚拟的环境中进行自主学习和实践操作，这要求基础医学实验教学不仅要提供高品质的模拟环境，还需要能够适应在线教学的要求，从而实现线上线下的顺畅衔接^[4-5]。全景实验室已在多个学科领域展现其卓越的教学潜力^[6-7]。通过沉浸式体验，全景实验室为学生提供了三维立体、交互式的实验环境，极大地增强了学习的趣味性和效果^[8-9]。在基础医学领域，全景实验室能够模拟复杂的实验操作，使抽象概念得以直观呈现，协助学生提升理解能力和实践技能。

此次研究旨在探讨在数字化时代，如何规划、实施和优化基础医学教学全景实验室；关注实验室的硬件设施配置，包括虚拟现实设备的选择和软件平台的开发，以及实验教学内容的数字化设计和更新策略。此外，还将分析在建设过程中可能面临的技术挑战，如信息安全风险、资金投入等，并尝试探讨全景实验室对医学人才培养水平提升的影响，以及面临的困难和改进方向，为医学全景实验室未来发展提供参考和建议。

1 全景教学及全景实验室的兴起

全景教学采用先进的虚拟现实（virtual reality，VR）技术和增强现实（augmented reality，AR）技术，为学习者提供身临其境的学习体验。全景实验室作为这一理念的具体实践，突破了传统实验室的限制，为学习者提供了无边界的学习空间。

全景教学可以追溯到21世纪初。随着信息技术的快速发展，尤其是VR技术和AR技术的发展，全景教学这一概念从科幻走向现实。最初，全景实验室主要应用于军事训练、建筑设计等领域，但随着医学教育对实践操作和情景模拟的重视，全景实验室开始在基础医学教育中崭露头角^[10]。全景相关技术应用范围广泛，涵盖了解剖学^[11]、病理学^[12]、生物化学^[13]、医学机能学^[14]、医学微生物学^[15]等多个基础医学学科。学生可以在虚拟环境中进行精细的解剖操作练习，或者在人体模型上观察疾病的发展过程，极大地提升了学习的直观性和互动性。全景实验室应用的案例丰富，例如，在哈佛医学院，学生可以利用VR设备进行三维人体结构的探索，这是一种虚拟解剖课程。在远程教育领域，全景实验室也扮演着至关重要的角色。这种创新型教学方法不仅可以降低实验成本，还能提高教学效率，展现其实际价值和深远影响^[16]。

全景教学和全景实验室的兴起标志着医学教育朝着更加现代化、实践导向的方向发展。这为提高医学人才培养的质量和效率提供了新的可能性。随着技术不断升级和优化，全景实验室的应用前景将更广阔，值得在实际中进行深入探索。

2 基础医学教学全景实验室建设的基础和理念

全景教学在基础医学实验教学中的应用不仅革新了教学模式，也对新实验室的设计提出更多的要求。通过深入理解和遵循相关理论，能够更好地规划和建设适应数字化时代的全景实验室，为医学教育的现代化转型提供有力支持。基础医学教学全景实验室建设的基础和理念如图1所示。

2.1 应用基础

全景教学以现代信息技术为基础，结合三维虚拟环境和实际实验，为基础医学实验提供了丰富的实践场景和互动体验。该方法的理论基础主要来自VR技术和AR技术的不断发展。这些技术为学生打造了沉浸式学习环境，能够模拟复杂的解剖结构、生理过程、病理生理学机制和药物作用机理等内容，从而加强学生对知识的直观理解^[17]。

2.2 设计原则

确保基础医学教学全景实验室的安全性，并严格遵守生命科学实验的伦理规范，同时还需要综合考虑以下基本原则：

①整体与开放 充分考虑教学应用的整体流程，注重融合各类信息资源，同时平衡信息共享和信息安全之间的关系。

②可扩展与易维护 设计应具备前瞻性，充分考虑升级、扩容、扩展和维护的可行性，同时优化业务处理的响应速度和统计汇总的准确性。

③经济与实用 力求节约项目投资，价格合理，设计务实，注重实际效果，遵循实用且经济的原则，合理运用现有设备和信息资源。

④先进与成熟 充分应用先进成熟技术，以满足建设需求，将科学管理理念与尖端技术手段紧密结合，采用先进且合理的业务流程，符合技术发展方向。

⑤可靠与稳定 各环节需具备故障分析、恢复和容错能力，确保安全体系建设、复杂环节解决方案和系统切换，保证系统安全可靠、稳定性高。

⑥安全与保密 将安全置于首位，保障信息资源充分共享的同时确保信息的保护和隔离；充分利用日志系统、健全的备份和恢复策略以增强系统的安全性。

2.3 构建模式和方向

在数字化时代，基础医学实验教学的全景实验室构建正在朝着智能化、个性化和网络化迈进。通过运用云计算、大数据和人工智能等先进技术，实验室能够灵活更新实验内容并个性化定制，以满足不同学生的学习需求。此外，跨学科融合也为实验教学带来新的机遇。例如，与生物信息学、医学影像学等领域的密切结合，进一步扩展了教学内容的广度和深度。

2.4 应用理念

随着VR技术的飞速发展和广泛应用，借助裸眼3D和VR技术的全景教室已经开始盛行，并不断扩展其适用范围。包括：①逼真的互动教学提升了在线课堂的互动性，促进东西部学校，甚至世界各地学生之间的在线交流；学生指向扩声技术，创造出生动的教学声景；多角度录制教师授课，确保每一个细节都能完整呈现。②全新的VR教学方式使得师生在不佩戴设备的情况下体验VR场景，采用多组VR模型对照教学。③360°实景教学展示全景视频，实现多维信息展示，身临其境地感受真实的教学氛围。④倡导小组化教学，鼓励分工合作，利用多屏幕互动展示。⑤同步课堂功能从共享课程拓展到共享整个课堂，实现备课和上课同步进行，共同构建和分享教学资源。

3 数字化背景下基础医学教学全景实验室的构建与应用

数字化背景下基础医学教学全景实验室的构建涉及硬件设备配置、软件平台配套、教学内容构建、实施方案和管理模式建设，以及效果评价体系建设。如图2所示。

3.1 硬件设备配置

伴随科技的不断发展，全景实验室应配备先进、优质的硬件设备，比如高分辨率全景摄像头、虚拟现实头盔、高速网络连接和强大的数据处理系统等，以满足数字化基础医学教学全景实验室的个性化需求和全面需求。通过精心设计和超前配置高端硬件，着力创造极富沉浸感和交互性的学习环境，让学生深度融入精心设计的学习场景，从多维空间角度真切感受组织结构的神奇精妙，从动态变化流程的路径理解信号转导和物质代谢的顺畅高效，在模拟仿真的医疗场景中反复践行医学理论学习与医疗实践的知行合一。

3.2 软件平台配套

实验室软件平台的建设是关键。数字化全景实验室不仅需要配置高度智能的教学管理系统，还必须保证系统可有效整合实验课程资源库、提供在线互动平台，以及整合数据分析工具等多方面功能。以Unity或Unreal Engine等虚拟实验室平台为例，可用于具有交互性的模拟实验，学习管理系统也能够监测学生的学习进度，并量身定制个性化的学习路线。实时反馈和远程协作功能也是实验室建设中不可或缺的一部分，使用在线协作工具进行学习的学生，在实验技能掌握方面得到明显的改善。

3.3 教学内容构建

全景教学理念下的实验内容设计与构建同样不可忽视。采用虚拟现实技术，实现了对真实场景的高度模拟，为学生提供了更加直观深刻的学习体验。以人体解剖模型设计为例，学生通过虚拟环境进行精细地操作练习，能够更加生动地理解和掌握相关知识。同时，实验内容的更新需要紧跟最新的医学研究成果和技术发展，以确保内容的科学性和时效性。全景教学理念旨在为学生创造更加沉浸式的学习体验，通过模拟真实场景，使学生能够身临其境地感受学科知识，从而增强学习的深度和广度。在人体解剖模型设计方面，虚拟现实技术为学生提供了观察人体内部结构的全新视角，使得其学习过程更加生动有趣。另外，随着科技的不断进步和医学研究的不断深入，实验内容更新迭代至关重要，保持与时俱进，才能使教学内容始终具有前沿性和引领性。

3.4 教学实施方案和管理模式建设

在全景实验室教学实施方案建设和管理模式建设方面，通过对传统实验教学模式的改革，引入线上线下混合学习策略，以适应快速发展的教育变革。在线上学习阶段，利用先进的云计算技术，实现规模化、远程化、虚拟化的实验教学，有效减轻实验室资源的压力，为学生提供更为便捷和高效的学习体验；在线下学习过程中，则更专注于培养学生的实践操作技能和问题解决能力，以便他们更好地应对未来遇到的挑战。同时，建立健全的监测和评估机制显得尤为重要，这可有效保障实验教学活动的质量和效果，推动整体教学水平的提升，为学生成长成才创造更为有利的条件。

3.5 教学效果评价体系建设

采取多样化的方法和途径评价实验教学效果，应当包括但不限于形成性评估、自我评价，以及同伴评价等。通过有效评估，教师可以更加全面地了解学生在学习过程中所取得的进步以及所面临的挑战，更好地指导学习。另外，融合大数据和人工智能技术在实验教学中的应用，能够对学生学习行为进行深度分析，为改进教学方法提供更加具有说服力的依据，有助于优化教学策略和提升教学效果。

4 基础医学教学全景实验室构建的挑战与思考

在数字化时代浪潮中，基础医学实验教学正经历着变革和挑战。全景实验室作为一种新兴的教学实验室，在其建设过程中也面临着一系列关键性挑战。这些挑战不仅涉及技术的革新，还涉及资源分配和人才培养，如图3所示。

4.1 技术挑战

构建全景实验室所面临的核心挑战之一来自技术方面。尽管技术水平的飞速发展为医学实验提供了前所未有的视觉效果和互动体验，但其是否能够充分支持并满足基础医学实验教学的需求，仍有待进一步探讨。例如，VR技术和AR技术的准确性、稳定性、与其他设备的兼容性，以及如何有效地将其融入实验课程当中，以确保学生在虚拟环境中能够获得真实的学习体验，同时又能够避免可能带来的潜在风险（包括系统宕机、数据延误、信息误导等问题）。

4.2 资金需求

资金投入是极为关键的考量因素。全景实验室的建设需要考虑高昂的设备采购费用、软件开发成本、教学内容开发，以及维护费用等多方面经费支出。如何在投入资金的同时取得预期的教学效果，并确保资金得到最有效地利用，是每位决策者都必须面对的现实挑战。据目前市场调查数据显示，购置一套中高端全景实验室设备可能需要超过百万元的费用，此外长期运营和维护成本也不容忽视。因此，科学合理的预算规划和全面的经济效益评估变得尤为紧迫和必要。

4.3 人才培养和管理的挑战

人才培养和管理对于全景实验室发挥长效作用至关重要，在此过程中，教师不仅需要具备熟练的新技术技能，还需要灵活适应并引领学生从传统的实验操作方式向虚拟学习环境下的自主学习方式转变。同时，学生也需要具备更为全面的数字素养，以便能够充分利用全景实验室深入探索和实践。这种变革毋庸置疑地对教师团队的结构以及教育管理体系提出了更加严格的挑战和要求，需要师生共同努力应对。

4.4 信息安全风险

信息安全风险的重要性绝不可被低估，特别是如今正处于数据大量涌入和网络广泛渗透的时代。确保学生隐私得到最大限度保护，并维护实验数据安全的重要性不言而喻，务必警惕任何未经授权的访问或意外的信息泄露。因此，在推进实验室综合发展的过程中，需严格遵循该准则，应建立健全的数据管理体系和严密的安全防护机制，以确保所有教学行为都在法律与伦理框架内有序进行。

尽管基础医学教学全景实验室的构建面临着多重挑战，但只要有效地、积极地和全面地应对这些挑战，且充分利用当今众多新兴技术，合理且充分配置相关资源，进一步加大和提升人才培养的力度，就有可能成功地创立起一个高效、安全的全新实验教学模式，以推动和促进医学教育的现代化进程，并为未来的医学教学发展奠定坚实的基础。

5 讨论与展望

全景实验室作为数字化时代涌现出来的创新工具，在医学人才培养中发挥着有力的推动作用。其提供了身临其境的学习体验，使学生能够在虚拟环境中开展实践操作，显著提升了实验教学的实际效果和效率，也带来了明显的促进创新思维和问题解决能力的优势。这种革命性的教学方式变革标志着未来医学教育将更加注重实践与理论的完美结合，引领医学教育进入新时代。虽然全景实验室有着广阔的发展前景，但全景实验室的建设也面临着多重挑战。其中，资金投入作为重中之重，需要全面评估项目的经济效益和长期投资回报，确保可持续发展。技术成熟度和信息安全问题同样不容忽视，确保系统稳定运行和数据安全是至关重要的。此外，人才储备也是亟须解决的挑战，教师需要具备掌握新技术的能力，而学生的适应度和接受度也值得深入关注和加强。

综上，全景实验室的建设无疑为医学教育的未来发展勾勒出了充满潜力的蓝图。不断探索、创新和完善全景实验室在医学实验教学领域的应用，提升实验教学的质量和广度，推动实验教学向更高水平迈进，为整体医学教育体系的进步助力，为培养更多杰出的医学人才打下坚实基础，共同铸就医学教育的美好未来。

参考文献

[1] 李鸿飞. 教育数字化转型赋能高校实验室创新发展[J]. 中国现代教育装备, 2024(5): 1-2.

[2] 原宝华, 张阳, 胡浩. 基础医学实验教学的信息数字化建设与课程整合研究[J]. 中国医学教育技术, 2019, 33(5): 559-562.

[3] 刘爽, 黄思源, 庞国际. 医学数字化中的虚拟仿真实验系统设计[J]. 电子技术, 2024, 53(1): 224-225.

[4] 廖志银, 翁登坡, 霍朝霞, 等. 分子医学教学实验室信息化管理的探索与实践[J]. 基础医学教育, 2023, 25(10): 912-916.

[5] 余蕾. 基础医学虚拟仿真教学平台应用的探索与思考[J]. 智慧健康, 2023, 9(28): 95-98.

[6] 刘媛, 徐建春, 肖志勇, 等. 全景技术在教室信息服务中的应用探索[J]. 科技创新与应用, 2023, 13(12): 173-176.

[7] 韩志俊, 马玉兰, 李明强, 等. 全景技术在医学免疫学实验准备过程中的应用探索[J]. 现代医药卫生, 2021, 37(16): 2840-2842.

[8] 李进. 数字化装备在实验教学和跨学科实践中的应用[J]. 中国现代教育装备, 2024(4): 3-6.

[9] 余蕾. VR应用下的基础医学虚拟仿真实验教学策略研究[J]. 新闻研究导刊, 2024, 15(2): 89-91.

[10] 李茜, 于鹏丽. 医学教育技术: 发展历程、 现状与趋势[J]. 中国医学教育技术, 2020, 34(4): 418-421.

[11] 李长兴, 代冬芳, 郭中献, 等. 虚拟仿真技术在人体解剖学实验教学中的应用及存在的问题[J]. 解剖学杂志, 2023, 46(2): 173-174.

[12] 冯莉, 石琳萱, 吕静瑶, 等. 虚拟仿真实验和PBL教学法结合在病理学中的探索[J]. 华北理工大学学报(医学版), 2023, 25(2): 140-144.

[13] 张亚琴, 张颖, 张伟, 等. 虚拟仿真在生物化学实验教学中的应用与探讨[J]. 基础医学教育, 2024, 26 (1): 70-75.

[14] 王涛, 王嘉禧, 刘娜, 等. 教育机器人在基础医学实验教学中的应用探索[J]. 中国医学教育技术, 2023, 37(4): 428-432.

[15] 林琼希, 曹虹. 虚拟仿真实验在医学微生物实验混合式教学中的应用[J]. 基础医学教育, 2021, 23(4): 255-258.

[16] 马瑞祾, 韩开, 徐娟. 数字化转型背景下国内外教育元宇宙研究对比分析: 基于CiteSpace的科学知识图谱[J]. 中国医学教育技术, 2024, 38(1): 10-22.

[17] 陈孝钟, 陈瀛. 教育可持续数字化转型内涵、 挑战和实施策略[J]. 中国医学教育技术, 2023,37 (5): 499-508.

基金资助

教育部产学合作协同育人项目(220901282154531)

教育部基础学科拔尖学生培养计划2.0研究课题(20212025)