3D虚拟仿真传染病教学系统的构建实施和效果评价

Construction and implementation of three-dimensional virtual reality and its application effect in respiratory infectious disease education

摘要

目的 研究3D（three-dimensional，3D）虚拟仿真（virtual reality，VR）教学系统的构建实施和在呼吸道传染病教学中的应用效果。 方法 选择首都医科大学 2019 级临床医学（5+3）专业两个班的68名见习学生为研究对象。随机分为试验组和对照组，每组34名学生。对照组采用多媒体方法见习，试验组采用3D虚拟仿真教学系统见习，采用随堂考试和课程满意度调查问卷评价教学效果。 结果 试验组随堂考试成绩和课程满意度高于对照组，答题时间少于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。试验组在提升学习兴趣、突出重点知识、提高临床思维能力、沉浸式学习、提高学习效率、愿意推荐给同学、提升课程参与积极性等方面评分高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。 结论 当临床见习缺乏真实传染病病例时，3D虚拟仿真传染病教学系统可以作为弥补再现临床病例，在传染病见习中有一定应用价值。

Abstract

Objective To study the construction and implementation of three-dimensional virtual reality and its application effect in respiratory infectious disease education. Methods A total of 68 students from 2 classes of 2019 in Capital Medical University were selected and randomly divided into the experimental group (n=34) and the control group (n=34). The control group adopted multimedia teaching while the experimental group received three-dimensional virtual reality simulation teaching system. Follow-up exams and course satisfaction questionnaires were used to evaluate teaching effectiveness. Results The respiratory infectious disease knowledge assessment and course satisfaction scores of the experimental group were higher than those of the control group (P＜0.05), the answering time was shorter than the control group (P＜0.05). The scores of the experimental group were higher than those of the control groups in enhancing learning interest, highlighting key knowledge, improving the ability of clinical thinking, immersion learning, improving learning efficiency, willing to recommend to classmates and improving course participation. The difference was statistically significant (P＜0.05). Conclusion In case of shortage of clinical infectious disease cases, 3D virtual simulation infectious disease teaching system can be used as a remedy to reproduce clinical cases, which has certain application value in infectious disease practice.

关键词

3D虚拟仿真 / 呼吸道传染病 / 见习 / 应用效果

Key words

three-dimensional virtual reality / respiratory infectious disease / practice / application effect

传染病威胁人类的健康和生命，随着2008年《扩大国家免疫规划实施方案》的实施，大部分传染病的发病率降低，呈临床散发，一些传染病已经被消灭^［1-2］。临床见习是理论课教学和实习之间的桥梁，对训练医学生的临床思维至关重要。传染病流行的季节性和地域性特点导致与见习内容相关的传染病病例可遇不可求。缺乏课程相关的见习病例会影响传染病学见习效果。仿真模拟教学是现代医学教育的重要手段，已经在外科、妇科、口腔科等手术科室的临床教学中应用^［3-5］。3D模拟虚拟仿真是情景再现教学方法的一种创新^［6］。依托3D动画模拟医患，借助互联网，医学生扮演接诊的医生，将医患沟通、医生诊治过程和患者病情变化等情景再现，使医学生仿佛置身于真实的临床现场，促使学生主动思考，增加学习兴趣与积极性^［7-8］。本研究旨在探讨3D虚拟仿真教学系统的构建实施及其在呼吸道传染病教学中的应用效果。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选择首都医科大学 2019 级临床医学（5+3）专业两个班的68 名见习学生为研究对象。其中男 28 名，女 40 名。在完成前期呼吸道传染病理论教学的基础上，两个班分别只选择1个见习内容进行3D虚拟仿真教学。第1个班级3D虚拟仿真教学内容为新型冠状病毒感染，第2个班为百日咳。第1个班的32名学生随机分为新型冠状病毒试验组（n=16名）与对照组（n=16名），第2个班的36名学生随机分为百日咳试验组（n=18名）与对照组（n=18名）。

1.2 研究方法

两组见习内容为呼吸道传染性疾病中的新型冠状病毒感染和百日咳，因病房缺乏课程相关临床病例，对照组采用幻灯片（PPT）见习，具体过程为：①借助、图片、视频等多媒体手段学习；②进行讨论和发言；使用雨课堂进行随堂考核（新型冠状病毒感染和百日咳各6道单选题，每题1分）；学生讨论、教师答疑并总结。

试验组采用3D虚拟仿真教学系统见习，具体过程为：①带教老师介绍3D虚拟仿真教学系统操作方法；②每位学生使用已安装3D虚拟仿真教学系统的电脑操作；③使用系统中的“结构化评估模块”进行随堂考核（题目同对照组）；④学生讨论、教师答疑并总结。

1.3 观察指标

1.3.1 理论知识考核

使用雨课堂或者3D虚拟仿真教学系统的“结构化评估模块”进行随堂考核。考核教学大纲要求掌握及熟悉的内容，包括新型冠状病毒感染和百日咳的定义、临床表现、分期（或分型）、病原学、流行病学特点、发病机制、实验室检测、诊断、治疗原则和预防措施等，满分为12分。

1.3.2 满意度调查

使用问卷星做满意度问卷调查，随堂完成。自制《呼吸道传染性疾病见习教学满意度调查表》评价教学效果，经3名教学干事和6名临床带教教师论证。采用国际通用的Likert 5级评分法，分数越高，代表对问题肯定程度越高，8～10分为非常好，6～7分为较好，4～5分为一般，2～3分为较差，0～1分为很差。问卷内容效度系数为0.89，Cronbach's α信度系数为0.90^［9］。

1.4 统计学方法

采用Stata 14.0统计学软件进行数据分析，计量资料用均数±标准差（x±s）表示，两组间比较采用t检验；计数资料用例数或百分率表示，组间比较采χ ²检验或Fisher精确检验。不符合正态分布的计量资料采用以中位数（四分位间距）［M（Q ₁，Q ₃）］表示，组间比较采用非参数检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 考核成绩比较

两组性别、年龄比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。两组随堂考试无缺考现象；试验组考核成绩高于对照组，答题时间少于对照组，差异有统计学意义（均P＜0.05）（表1）。

2.2 问卷调查结果比较

本研究发放问卷68份，回收有效问卷68份，回收率为100%。试验组在提升学习兴趣、突出重点知识、提高临床思维能力、沉浸式学习、提高学习效率、推荐给同学、提升课程参与积极性等方面评分高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.3 3D虚拟仿真传染病教学系统的构建

3D虚拟仿真传染病教学系统的构建实施需要融入虚拟仿真教学过程的管控，以保证教学质量。撰写虚拟仿真的脚本要按照临床思维有序铺开，基于思维导图搭建模块框架，再根据病例特点做3D建模。合格的虚拟仿真脚本要求病案典型、资料完整、思路清晰及主线明确。构建3D虚拟仿真传染病教学系统关键流程见图1。3D模拟虚拟仿真操作系统成形后要经过反复试用和反馈修改，临床教师、教学干事和系统开发工程师等都要参与，力求操作方便、情景病例典型、重点知识突出、符合教学大纲要求（图2）。

2.4 传染性疾病3D虚拟仿真操作系统

3D虚拟仿真传染病教学系统是依托3D动画模拟医生和患者，借助互联网，医学生扮演接诊的医生，将医患沟通、医生诊治过程和患者病情变化等情景再现，使医学生仿佛置身于真实的临床现场，促使学生主动思考、学以致用，训练临床思维。新型冠状病毒感染是典型的新发突发传染性疾病，百日咳是一种临床散发、少见但是有再现趋势的呼吸道传染病，新型冠状病毒感染3D模拟虚拟仿真教学系统的操作界面见图3，设置老年患者感染新冠的情景，通过3D模拟将疾病的临床表现，重症高危人群、诊治要点等融入情景病例教学。百日咳3D模拟虚拟仿真教学系统的操作界面见图4，以2个月的百日咳患儿作为情景病例教学，呈现百日咳的易感人群，并把临床中积累的百日咳音频融入情景病例，让学生身临其境，对百日咳“鸡鸣样”咳嗽特点印象深刻。

3 讨 论

国内的医科大学临床课程是以理论授课为主、临床见习为辅的教学模式。传染病散发和季节性发病的特点导致临床见习病例短缺、学习资源不足^［10］。传染病专业的临床教师一直思考的问题是如何在有限的见习时间内让学生见识到典型的传染病病例，从而达到强化传染病学知识、提高临床思维能力的目的。面对新发传染病和突发传染病，3D模拟虚拟仿真既能保证临床见习教学质量，又无交叉感染风险。

3D虚拟仿真模拟教学系统是传染病学教育教学改革的一次实践。部分传染病在全国范围内已罕见，即使在传染病医院也少见，这些临床病例是传染病教学的宝贵资源。如何保存好和使用好这些优质病例资源，让更多的学生受益，是值得研究的课题。当今社会信息技术的应用为提高传染病教学质量提供了坚实的基础条件。虚拟仿真是先进信息技术的代表，应用于教学领域能极大地丰富教学手段^［11］。2013年，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，虚拟仿真教学成为当前高等教育改革的热点之一^［12-13］。3D模拟系统能实现情景再现，预演真实的临床和实现病案立体化。3D模拟系统通过三维建模展示患者的临床表现，通过人机交互方式和虚拟现实等智能化技术手段，逼真地呈现典型的传染病病例。虚拟仿真脚本呈现了教案设计的逻辑性，是连接教学设计团队和开发制作团队的重要纽带^［14］。

多媒体或数字学习资源帮助学生高效学习，借助互联网技术的虚拟世界，为临床教师和医学生、医学生和患者创造了“同一时空”，实现教师与学生、学生与患者的互动。部分传染病病例可遇不可求，3D模拟再现传染病病例，提供优质教育。本例试验组随堂考试成绩和课程满意度高于对照组，提示3D虚拟仿真教学效果优于PPT见习教学，与国外研究结果相似^［15］。虚拟仿真高度再现了医生接诊患者的场景，学生以实习医生的角色接诊患者，训练临床思维。由于教学病例有限，传统见习以小组为单位询问病史，而翻转课堂、以问题为基础的教学虽然扩大了学生参与面，但是课堂讨论时间有限，部分学生不参与或参与不充分。虚拟仿真借助于电脑，让学生沉浸式学习^［16］。每位学生都参与病史收集、病例分析、方案制定等过程。操作3D虚拟仿真教学系统能促使学生思考，训练学生的临床思维。虚拟仿真的考核模块能及时评价和反馈教学效果，实现教与学的有机统一。研究^［17］显示，3D虚拟仿真教学系统能增强学生信心。虚拟仿真事先设定好程序和情节，学生模拟诊疗，如果模拟患者病情好转，学生获得成就感，形成良性循环；诊治不当时学生能发现知识短板，激发责任感和学习动力。3D虚拟仿真系统纳入了疾病指南或者专家共识，让学生以见习为契机，探索学习高质量的文献，了解最新研究进展。其中，教师点评模块是对重点知识总结和升华，借助系统实现了学生与教师的沟通。

3D虚拟仿真模拟系统为了实现对临床病例的最佳模仿，其脚本、建模、设计质量和复杂程度较高。未来的3D虚拟仿真模拟系统还可以分层、分期、分模块训练，以满足本科见习、全科医生规培、医防融合、进修医生等不同医务工作者的学习需求。我国医务工作者积累了应对重大突发公共卫生事件的宝贵经验，我们应该将这些呼吸道传染病预防的理念教授给学生^［18］。有组织的情景模拟教学和反复进行临床实践，能够在短期内显著提升实习医生的临床技能^［19］。未来的3D虚拟仿真模拟传染病教学系统应纳入传染病预防的理念和强化临床技能训练，实现集学习和临床实践为一体的传染病强化培训平台，为新发和突发传染病储备力量。

3D虚拟仿真传染病教学系统是以临床案例为基础的教学方法在传染病学见习中的应用。新兴的教学方式能够很好地弥补传统教学存在的问题，但是尚有部分内容不能被模拟，因此，3D虚拟仿真传染病教学系统并不能完全取代传统教学，应该把新兴的教学方式与传统教学方式相互结合^［20］。3D模拟虚拟仿真能将疾病相关指南和研究进展纳入系统，便于学生预习、复习和测试。传染病3D模拟虚拟仿真系统可以弥补缺乏相关传染病病例对见习的影响，提高学生的兴趣和技能。见习是临床和实习的桥梁，临床见习时真正面对患者、真实地问诊和查体能让学生收获更多知识、体验以及经验。传染病见习应该以真实临床见习为主，虚实结合，以达到更好的见习效果。

参考文献

[1] Lee J M， Jansen R， Sanderson K E， et al. Public health emergency preparedness for infectious disease emergencies： a scoping review of recent evidence［J］. BMC Public Health， 2023， 23（1）： 420.

[2] 王雪， 李析蒨， 刘俊宝， 宫腔镜手术模拟系统在妇产科教学中的应用［J］. 中国实验诊断学， 2023， 27（7）： 882， 后插1.

[3] 李娅宁， 刘云松， 董美丽， 中国本科口腔医学院校使用虚拟仿真教学技术情况的调查研究［J］. 口腔疾病防治， 2023， 31（7）： 506-512.

[4] 李春生， 申震， 肖慧杰， 外科虚拟仿真平台结合多元化教学模式促进外科实践教学改革［J］. 中国实验诊断学， 2022， 26（2）： 311-313.

[5] Zhao J， Xu X， Jiang H， et al. The effectiveness of virtual reality-based technology on anatomy teaching： a meta-analysis of randomized controlled studies［J］. BMC Med Educ， 2020， 20（1）： 127.

[6] 邱嫔， 李思瑾， 陈素珍. 情景再现模式结合典型病例在中医研究生临床教学中的探索［J］. 国际中医中药杂志， 2019， 41（1）： 88-90.

[7] Chen F Q， Leng Y F， Ge J F， et al. Effectiveness of virtual reality in nursing education： meta-analysis［J］. J Med Internet Res， 2020， 22（9）： e18290.

[8] 孙玉， 张洪海， 王海燕， 思维导图联合基于问题学习教学法在传染病见习中的应用［J］. 中国医药导报， 2021， 18（13）： 64-67.

[9] Abdulrahaman M D， Faruk N， Oloyede A A， et al. Multimedia tools in the teaching and learning processes： a systematic review［J］. Heliyon， 2020， 6（11）： e05312.

[10] 祝陈平， 何桂娟. 国内外虚拟仿真技术在护理教育领域运用研究的可视化分析［J］. 中医教育， 2023， 42（4）： 34-40.

[11] 刘亚丰， 苏莉， 吴元喜， 虚拟仿真教学资源建设原则与标准［J］. 实验技术与管理， 2017， 34（5）： 8-10.

[12] 中华人民共和国教育部. 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知［EB/OL］.［2023-09-10］.

[13] 潘晋， 顾园， 秦啸峰， 医学虚拟仿真实验的教案设计及脚本撰写［J］. 医学教育管理， 2023， 9（4）： 469-473.

[14] Shao X F， Yuan Q， Qian D Q， et al. Virtual reality technology for teaching neurosurgery of skull base tumor［J］. BMC Med Educ， 2020， 20（1）： 3.

[15] O'Connor M， Stowe J， Potocnik J， et al. 3D virtual reality simulation in radiography education： The students' experience［J］. Radiography， 2021， 27（1）： 208-214.

[16] Towers A， Dixon J， Field J， et al. Combining virtual reality and 3D-printed models to simulate patient-specific dental operative procedures—a study exploring student perceptions［J］. Eur J Dent Educ， 2022， 26（2）： 393-403.

[17] 牟丹蕾， 张彤， 程香普， 援非抗击埃博拉医疗培训经验与启示［J］. 医学教育管理， 2015， 1（4）： 300-302， 306.

[18] 熊静， 张婕， 李馨蕊. 情景模拟教学应用于临床实习的模式探索和效果评价［J］. 医学教育管理， 2023， 9（2）： 191-200.

[19] 凌琳， 付娟娟， 范懿隽， 虚拟现实技术在住院医师规范化培训中的应用［J］. 医学教育管理， 2023， 9（3）： 360-364.

基金资助

教育部产学合作协同育人项目(220601285291949)

首都医科大学附属北京佑安医院中青年孵育项目(BJYAYY-YN2022-11)