药理学虚拟仿真课程建设的探索与实践

Exploration and practice of virtual simulation course development of pharmacology

摘要

随着医学技术的不断创新和医疗需求的增加，培养具备先进技能和跨学科知识的医学专业人才成为当务之急。虚拟仿真技术在医学教育中具有巨大潜力，能够提供真实的临床体验和高效的教学。本文探讨了虚拟仿真课程的现状和实践，以满足新医科背景下的医学教育需求，提高医学生的专业技能和临床准备度，为医学教育提供一个有前景的解决方案。

Abstract

With continuous innovations in medical technology and an increasing demand for healthcare, it is imperative to train medical professionals with advanced skills and interdisciplinary knowledge. Virtual simulation technology holds tremendous potential in medical education, providing real clinical experiences and efficient teaching. This paper explores the development, implementation, and practice of virtual simulation courses in the new era of medical science, aiming to meet the evolving educational demands and enhance the professional skills and clinical preparedness of medical students. It presents a promising solution for the future of medical education.

关键词

虚拟仿真课程 / 挑战 / 实践

Key words

virtual simulation courses / challenges / practice

人类疾病进展具有多重诱因，涉及解剖学、生理学、病理学、诊断学等多门学科，目前的药理学临床实践教学对医学生而言较难开展，涉及医学伦理等诸多因素。医学院校开展动物实验的目的是培养学生动手能力。但在实践中也存在不同物种之间生理、代谢和遗传差异，同时实验条件的标准化不足可导致实验结果的不一致性现象。随着医学技术的不断创新，虚拟仿真技术在医学教育中作用愈加重要。

1 虚拟仿真课程国内外研究现状

国外医学教育中的虚拟仿真课程处于快速发展的阶段，得到了广泛应用^［1］。首先国外医学院校投入大量资源和资金，拥有先进的虚拟仿真技术设备和平台。这些设备包括高度逼真的虚拟人体模型、仿真手术器械、虚拟手术系统等，能够为学生提供高质量的学习体验。其次，虚拟仿真技术在国外医学教育中的应用领域非常广泛，涵盖了解剖学、生理学、药理学、临床技能等多个方面^［2］。学生可以通过虚拟仿真课程进行模拟手术、临床案例分析、实验操作等，加深对医学知识的理解和掌握。国外医学教育倡导问题驱动和实践导向的教学模式，虚拟仿真课程更注重学生的实践操作和自主学习。学生可以通过虚拟仿真技术进行反复练习和模拟操作，提高技能水平和应对临床挑战的能力。一些国外医学院校采用个性化学习平台和智能化教学系统，根据学生的学习需求和水平，量身定制虚拟仿真课程，提供个性化的学习体验和教学指导^［3］。国外医学院校积极推动虚拟仿真技术在医学教育中的研究和发展，不断探索新的教学方法和技术手段。一些先进的医学院校还与科研机构和医疗设备公司合作，开展跨学科的虚拟仿真项目，推动医学教育的创新和发展^［4］。

中国医学教育中的虚拟仿真课程目前正处于快速发展的阶段，虽然相对于国外还存在一些差距，但在技术应用和实践教学方面已经取得了一些进展。近年来，中国医学院校和教育机构开始投入大量资源和资金，一些学校建立了先进的虚拟仿真实验室，配备了高清晰度的虚拟人体模型、仿真手术器械等，为学生提供更加真实的学习环境^［5］。虚拟仿真技术在中国医学教育中的应用领域逐渐拓展，不仅局限于基础理论教学，还涉及临床技能训练、医学影像诊断、手术模拟等方面。中国医学教育开始倡导问题驱动和实践导向的教学模式，一些学校采用互动式虚拟仿真教学系统，让学生通过模拟操作和场景演练，加深对医学知识的理解和应用能力。为了促进虚拟仿真教育的发展，一些医学院校和教育机构开始建立虚拟仿真教学资源共享平台，将优质的教学资源和课程内容进行整合和共享，为全国各地的医学教育提供支持和帮助^［6］。

2 虚拟仿真课程建设在医学教育领域面临的挑战

尽管我国的虚拟仿真实验建设取得了较大的进展，但仍然面对诸多挑战。首先，面对的问题就是硬件设备的选择。虚拟仿真技术包括虚拟现实（virtual reality，VR）、增强现实（augmented reality，AR）、混合现实（mixed reality，MR）等，不同技术有不同的优势和应用场景^［7］。选择适合项目需求的技术，设备的维护、计算机硬件和软件的更新、系统稳定性等因素构成了虚拟仿真对教育机构的第一步挑战。其次，创建高质量的虚拟仿真内容，维护和更新虚拟环境^［8］，以反映最新的医学知识和实践，需要大量时间和资源构成了虚拟仿真课程建设所面临的第二方面的挑战。此外，虚拟仿真课程建设后的应用与实践需要教师接受专业培训，了解如何使用虚拟仿真平台，提供实时反馈，并引导学生的学习，由此可见，此过程中的培训师资需投入大量时间^［9］。虚拟仿真环境还需要考虑学生和实验数据的安全和隐私，确保信息安全和合规性可能需要额外的措施^［10］。克服这些挑战需要不断技术创新、跨学科合作，以及医学教育体系的适应性和开放性^［11］。

3 虚拟仿真实验解决方案

面对这些挑战，医学教育机构、虚拟仿真开发者和虚拟仿真技术的实践者需要仔细策划和执行虚拟仿真课程，以充分发挥其潜力，提高学生的医学知识和临床技能^［12］。解决这些挑战需要合作、创新和不断改进。首先，争取教育主管部门加大教学硬件的建设与资助，以支持虚拟仿真技术的购买和维护。虚拟仿真开发者应深入研究选择最适合的虚拟仿真平台，以最大程度减少成本和提高性能^［13］。开发长期规划，以确保虚拟仿真技术的可持续性和未来发展。其次，建立内容开发团队。聘请专业的内容开发人员，确保虚拟仿真环境具有高质量的内容；同时，还可与其他教育机构、医疗机构或科技公司建立合作伙伴关系，分享资源和实践^［14］。虚拟仿真开发者建立内容更新机制，及时反映医学领域的最新进展，并提供专门的师资培训，使教师了解虚拟仿真技术的使用和教学方法^［15］。此外，还可建立教师社区，促进教师之间的知识共享和经验交流，以提高教学效果^［16］；虚拟仿真开发者应定期维护、更新硬件和软件，以确保虚拟仿真环境的稳定性，并提供技术支持团队，解决学生和教师遇到的技术问题；确保虚拟仿真环境符合医疗信息安全和隐私法规，并采取措施保护学生和患者的敏感信息，包括数据加密和访问控制^［17］（图1）。作为虚拟仿真课程的实践者，教师需要在授课中提供明确的学习目标和反馈机制，以激发学生的兴趣和动机。创造具有挑战性和趣味性的虚拟学习体验，以增强学生的自律性^［18］。制定明确的评估标准，以确保学生的虚拟仿真实践得到适当的评估^［19］。总之，解决这些挑战需要综合的方法，包括管理、技术、教学和合作，以确保虚拟仿真课程能够提供高质量的医学教育。

4 药理学虚拟仿真课程的探索与实践

药理学是一门以解剖学、生理学、病理学等为基础的，为临床合理用药防治疾病提供基本理论的医学基础学科。药理学教学非常讲求理论与实践结合，单纯的理论讲授和书本文字描述难以让学生理解复杂的疾病发病原因，同时疾病模型建立及药物干预的实验教学却面临着仪器成本高、医院医疗资源紧缺以及医学伦理道德的严重困难，无法自由地实现学生自主操作实验，成为了药理学教学的一大痛点。针对以上问题，迫切需要一套人体模型的虚拟仿真教学软件，对于建立人类生理和病理性疾病原理的感性认知、在虚拟应用中反复实践，加深理解相关的重点方法和技术，完善从理论到应用的综合思维具有重要意义。

4.1 虚拟仿真课程的建设

4.1.1 虚拟设备建设

在建设初期从学生需求分析出发，明确项目的目标和需求。目前虚拟仿真技术包括虚拟现实、增强现实、混合现实。VR是一种通过计算机生成的虚构环境，让用户感觉好像置身于一个完全不同的现实中。在VR中，用户通常完全沉浸于虚拟环境中，屏蔽了外界的真实环境。用户通过佩戴头戴式显示器等设备，完全沉浸于虚拟体验中^［20］。AR是通过在现实世界上叠加或混合虚拟元素，使用户同时感知虚拟和真实的信息。在AR中，用户仍然能够看到和感知真实世界，同时也能看到叠加在现实环境中的虚拟元素。AR技术通过使用透明显示或投影技术，将虚拟信息融入用户的真实感知中^［5］。MR是介于VR和AR之间的一种技术，它将虚拟和现实元素融合在一起，创建一个新的、综合的环境。在混合现实中，用户既可以与虚拟元素进行交互，也能够与真实环境进行互动。这使得虚拟和现实元素在用户感知中更为融合。最终选择VR设备提供高度逼真的虚拟手术平台以及实时互动工具，确保学生能够在模拟环境中获得最为真实的临床体验^［21］。硬件设备包括头戴式显示器、手部追踪设备、仿真工具等。在这一过程中与教育专家、医学专业人员和技术人员合作，确保虚拟仿真系统能够满足实际教学需求^［22］。

4.1.2 软件平台建设

虚拟课程软件的开发具有广泛的教育和培训意义。开发或选择适用的软件平台，对于提高学习效果、拓展教学手段、促进远程教育和个性化学习等方面都有积极作用。IDEAVR是Microchip Technology推出的一款用于电压调节（automatic voltage regulator，AVR）微控制器开发的集成开发环境。它提供了一个集成的开发环境，支持AVR系列芯片的编程，包括编写、编辑和调试代码。IDEAVR支持AVR微控制器的C语言和汇编语言。利用这一功能程序员可以编写嵌入式系统代码。IDEAVR还提供了强大的调试功能，包括实时变量监视、断点设置、单步执行等。这些功能帮助开发人员诊断和解决代码中的问题。IDEAVR通常配备了仿真工具，允许程序员在不使用硬件的情况下测试和调试代码。IDEAVR提供了项目管理工具，允许开发人员组织和管理嵌入式系统项目，包括文件组织、编译选项、链接选项等。一些IDEAVR版本支持插件，允许开发人员通过安装插件来扩展开发环境的功能和特性。基于以上优势，依托IDEAVR这一软件平台，为学生提供沉浸式的学习体验，在虚拟环境中进行仿真实践，大大增加实验的真实感和参与感，提高学生操作技能。

4.1.3 实验内容开发

依据药理学的学科特点，建设疾病模型与药物应用虚拟仿真实验库，包括高血压疾病及药物干预作用、心力衰竭及药物干预作用、动脉粥样硬化血栓形成及药物干预作用等一系列虚拟仿真实验项目，其中一期设计了药物对消化性溃疡疾病作用的虚拟仿真实验。课程内容紧密围绕着医学课程的核心知识和技能展开。制定多媒体教材，包括3D动画演示疾病模型、动物实验手术模拟、虚拟药物临床使用等交互式内容模块。设计直观、易用的用户界面，使学生能够轻松导航、与系统互动，并获取实时反馈以增强学生的学习体验。

4.2 虚拟仿真课程的实施方法

4.2.1 整合课程体系

为确保虚拟仿真与传统教学相衔接，帮助学生更好地理解理论知识并将其应用于实践。将虚拟仿真课程融入药理学课程体系，使其成为正式学习计划的一部分。首先，确定虚拟仿真课程的学习目标，利用3D动画演示消化性溃疡疾病发生发展，有助于理解药物的作用机制。其次，设计虚拟场景，模拟临床环境中使用抗消化性溃疡药物的实际情境。展示抗消化性溃疡药物在人体内的作用过程，包括药物的吸收、分布、代谢和排泄等药理学作用，再引入抗消化性溃疡药物的基本知识、作用机制、用途、不良反应等方面的内容。利用虚拟仿真技术，设计交互式学习活动，考虑包括患者信息、诊断、处方情况等多个方面，让学生在虚拟环境中积极参与，应用所学的知识进行处方设计、调整剂量、观察药物效果等。提供实时反馈机制，使学生能够了解在虚拟场景中的决策和操作的结果。这有助于学生纠正错误、改进学习策略。此外，教师还设计了用虚拟仿真来模拟真实的病例，通过案例分析学生可以了解不同情境下使用抗消化性溃疡药物的合理性和效果。在虚拟环境中比较不同药物的特性和适应证。设计评估工具，以测量学生在抗消化性溃疡药物知识方面的理解程度。提供即时反馈，以便学生可以了解并改进他们的学习方法^［23］。

4.2.2 设计个性化学习路径

在设计虚拟仿真课程之前，要了解学生的背景、学科水平、学科兴趣和学习目标。通过问卷调查、面谈或学业顾问的建议，获得学生的个体需求信息，并根据学生的需求设定明确的学习目标。这些目标应该既符合课程要求，又满足个性化学习路径的要求，确保每位学生都能在虚拟仿真课程中获得个性化的学习经验^［24］。其次，将虚拟仿真课程划分为模块，每个模块涵盖一个特定的主题或技能。这种模块化设计允许学生根据他们的学习需求选择和重组模块，形成个性化的学习路径。考虑学生的不同学习风格和偏好，有的学生喜欢通过视觉方式学习，而有的学生可能更偏好文字或互动式学习。教师为每个模块提供不同难度层次的学习任务，以满足不同水平学生的需求。高水平学生可以挑战更复杂的任务，而初学者则可以从基础开始。

4.2.3 建立反馈与评估机制

利用虚拟仿真技术提供实时反馈机制，帮助学生及时纠正错误并改进技能；同时，建立有效的评估机制，客观评估学生在虚拟环境中的表现，使学生能够在错误发生时立即得知，并有机会进行纠正。这有助于防止错误的积累，提高学生对特定主题或技能的理解。学生通过在实时仿真环境中进行任务和活动时获得及时反馈，能够更深入地理解概念和应用技能，有助于满足学生不同的学习速度、风格和需求，提高教学的针对性^［25］。通过及时看到成果和进展，学生更有可能保持对学习的兴趣。通过实时反馈学生可进行自我调节，了解自己的强项和薄弱项，减少学生在错误上花费的时间，提高教学效率，有助于培养学生的自主学习和自我管理能力，建立积极的学习态度和自信心。此外，教师在实时反馈中能够更迅速地识别学生的困难点，提供更有针对性的支持，减少后续教学的时间成本^［26］。

5 结 语

在医学教育的新时代，药理学虚拟仿真课程的建设不仅是教育技术的更新，更是跨越时空的教育变革之旅。然而，虚拟仿真课程的建设充满挑战，技术设备的限制、师资建设和学生参与度等问题亟待解决。但正是这些困难，推动创新与课程设计完善。

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基金资助

2022年皖南医学院质量工程项目(2022jbgs09)