虚拟仿真实验平台在诊断学实践教学中的应用

Application of Virtual Simulation Experiment Platform in Diagnostic Practice Teaching

摘要

目的 探讨虚拟仿真实验平台在诊断学实践教学中的应用效果。 方法 选择2021年秋季学期于同济医学院附属协和医院学习诊断学的2019级临床医学五年制学生54人，随机分为实验组和对照组。对照组采用理论授课、检体技能实践操作练习和视频反馈的传统教学模式，实验组在传统教学的基础上结合虚拟仿真实验教学，对比分析两组学生相关测评成绩及满意度情况。 结果 对照组和实验组的基础理论成绩相当。实验组的腹部检体技能成绩和腹部检体视频成绩显著高于对照组，差异有统计学意义。问卷调查结果显示，超过半数的学生在此之前没有体验过或只体验过一次虚拟仿真实验，并且超过半数的学生可以在30分钟之内完成本虚拟仿真实验。大部分学生对虚拟仿真实验有兴趣，并且认为对知识和能力的提升有帮助。 结论 虚拟仿真实验与传统教学模式的结合可以丰富教学的内容和形式，弥补传统教学模式的缺陷，进一步提升了诊断学教学的效果和质量。

Abstract

Objective To explore the application effect of virtual simulation experiment in Diagnostics teaching. Methods A total of 54 Clinical Medical students of grade 2019 who studied diagnostics in the Union Hospital Affiliated to Tongji Medical College in the spring semester of 2021 were selected and divided into the experimental group and the control group randomly. The control group adopted the traditional teaching mode of theoretical teaching, practical operation of physical examination skills and video feedback, while the experimental group combined the virtual simulation experiment teaching on the basis of the traditional teaching. Relevant evaluation scores of the two groups of students and students’ satisfaction were compared and analyzed. Results There was no significant difference in theoretical scores between the experimental group and the control group. The physical examination skills and video scores of the experimental group were higher than those of the control group. The results of the questionnaire showed that more than half of the students had not experienced or only one virtual simulation experiment before, and more than half of the students could complete the virtual simulation experiment within 30 minutes. Most students were interested in the virtual simulation experiment and think it was helpful to improve their knowledge and ability. Conclusion The combination of virtual simulation experiment and traditional teaching mode can enrich the content and form of Diagnostics teaching, make up for the defects of traditional teaching mode, and further improve the effect and quality of diagnostics teaching.

Graphical abstract

关键词

虚拟仿真技术 / 诊断学 / 教学改革 / 教学满意度 / 医学教育技术 / 临床技能

Key words

Virtual simulation technology / Diagnostics / Teaching reform / Teaching satisfaction / Medical education technology / Clinical skills

随着科学技术的不断发展和医学教育的不断更新，“以虚助实、虚实结合”的临床实践教学模式被众多高等医学院校相继应用^［1］。虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术，就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。鉴于其直观可靠、交互性好、沉浸感强的特点，目前已广泛地应用于医学教育的各个学科和环节，有效解决了医学实践教学中面临的高投入、高损耗、高风险的痛点及难点^［2］。例如非重症医学专业住院医师机械通气教学^［3］、口腔医学生种植技能培训^［4］、基于unity3D的虚拟仿真手术训练体系^［5］等，均有效地改善了医学实践教学质量，缓解了校内教学资源紧张。

“诊断学”是连接基础医学和临床医学的重要桥梁学科，也是培养医学生成为临床医生的关键学科^［6］，也是各专业医学生迈向临床的起始学科^［7］。诊断学技能训练是诊断学课程中至关重要的核心环节^［8］。在实践教学中，传统的诊断学教学方式通常使用心、肺、腹部的三维模型进行技能操作训练，但三维模型中存在一些问题，如视角盲点无法显示，抽象知识无法显示，不能多层次、清晰地显示人体内部解剖结构，给教学带来了困难^［9］。腹部脏器多，结构复杂，疾病涉及临床内外妇儿各科。腹部体格检查是医生临床诊断的基础技能之一，但在实际临床环境中，为充分保护患者的利益，医学生在没有进行充分训练之前，不允许亦不可能在处于身心痛苦的患者身上进行体格检查操作训练。虚拟仿真实验可以模拟腹部各脏器生理与病理的变化，使学生能够在不影响患者安全和隐私、没有临床风险的环境中反复练习，将理论知识转变为操作技能。同时呈现三维场景和视图，创建逼真的临床场景，加强临床紧迫感，并将医学理论知识、实践操作技能、临床思维能力等知识灵活集成到虚拟场景中，让学生在环境中有一种身临其境的感觉，弥补了传统心肺腹部三维模型操作训练的不足，更全面地提高了学生的知识水平 ^［10-11］。本虚拟仿真实验采用最新的3D虚拟仿真技术，融合物理诊断学的核心知识点，模拟真实问诊和体格检查过程。研究采用随机对照方法，探讨基于虚拟仿真训练的诊断学混合式教学模式的实践效果。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究的研究对象为2021年秋季学期学习诊断学的2019级临床医学五年制学生54人，随机分为实验组和对照组（每组27名学生）。两组由同一家医院的相同教师教授，已经将教学方法告知了学生，并获得了他们的同意和合作。两组之间的一般资料比较均无统计学意义（Ｐ>0.05），具有可比性（见表1）。

调查问卷发放给2021年秋季学期学习诊断学并且完成了虚拟仿真实验的学生，包括2019级临床医学专业、医学影像专业、预防医学专业、口腔医学专业、基础医学专业。共回收问卷154份。

1.2 研究方法

对照组：学生采用传统的诊断学教学模式。理论知识由教师集中传授，学生倾听、记忆和理解知识。检体技能部分男女分开授课，先由教师向学生模拟示范问诊、体格检查等内容，讲解动作要领以及易错点，学生再分为4~7人的小组进行检体技能训练。

实验组：在传统教学模式的基础上，采用基于虚拟仿真训练的诊断学混合教学模式。具体方法如下。

1.2.1 虚拟仿真实验设计

本实验教学课程针对教学中亟待解决的实际问题，结合腹部体格检查的特点，依据“能实不虚、虚实结合”的设计理念，通过虚拟现实技术构建高度仿真的虚拟实验环境及病例对象。这使得线上再现病例腹部体格检查的诊断操作场景，将知识、实践操作技能、临床思维能力等知识与技能融合在虚拟情景中，开发与现有实体模型相结合的可视化虚拟仿真教学。通过透视内脏，解决医学学习中内脏病变“看不见，摸不着”的问题，引导学生在透彻理解病变机制的思维训练中掌握腹部体格检查方法，从而强化学生从理论到实践的学习体验，帮助学生实现从课堂到临床的思维连接与能力培养。

本虚拟仿真实验为我校第一临床学院诊断学教研室与专业公司联合开发，实验教学场景源于真实临床场景，利用3D虚拟仿真技术搭建病房、病人、医生等多种复杂模型，实现与临床一致的高度仿真。该虚拟仿真系统采用三维仿真技术进行制作，在3dsMAX软件进行模型、动画等的制作，通过Unity 3D进行交互制作。模拟临床氛围，并通过教学设计，将医学理论知识、实践操作技能、临床思维能力、医德人文关怀等知识融合在虚拟的情景中，让学生以人机交互的方式身临其境，帮助学生掌握实验技能。通过腹部视诊、腹部听诊、腹部叩诊、腹部触诊、坐位检查五个模块的训练，从知识学习、能力培养、实践训练三个维度提高学生腹部体格检查的能力。实验分为练习模式和考核模式，练习模式是对腹部体格检查的整个流程进行系统学习，掌握腹部体格检查相关操作规范及各模块知识点，考核模式要求学生在规定时间内完成全部操作，系统将自动进行评分，并最终计算得分，通过数据分析形成个性化报告，据此进行针对性精准教学。实验内容包括腹部的体表分区与腹腔内脏器的对应关系；腹部的正常结构及异常体征的临床意义和鉴别；腹部检查视诊、听诊、叩诊、触诊的流程、步骤与方法；常见腹部疾病的压痛点；腹部病理学性肿块触诊法；Murphy征阳性、Courvoisier征阳性的表现和意义；肝脾触诊的方法；肾和膀胱的触诊方法；液波震颤、振水音的阳性体征及其临床意义；泌尿系统疾病压痛点的定位；腹膜炎时腹部检查可能出现的体征；腹部检查中的人文关怀要点等。

1.2.2 实验平台

本试验已迁入校园服务器，系统操作平台采用Web浏览器，登录不受时间、地点、人数和设备的限制。在练习模式下，学生可以反复练习，巩固知识点。在考核模式下，五大模块满分各为100，每个模块考核完成后，系统会显示此模块学生的得分以及题目回答情况，学生通过五个模块的考核后，显示本次考核的总分以及详细得分情况。

1.2.3 教学实施

课前阶段：①我们采用虚拟仿真平台进行预习及测验。在本实验开始前，学生已完成诊断学理论部分的学习以及腹部体格检查技能操作课程，对腹部体格检查的原理、方法、意义都有了一定的了解。结合理论和技能课程，教师提前发布相关任务，对学生进行实验预习指导。在实验阶段，学生首先自主完成腹部体格检查练习模式，进行相关知识点的学习，对掌握不透彻的部分反复演练。然后通过考核模式评价学生对相关知识点的掌握情况；②我们采用视频法进行诊断性测验。完成虚拟仿真平台的线上学习后，学生录制腹部体格检查的视频并上传云端，教师批改评分，人工智能分析比对。评分及比对结果可使学生初步了解自己知识及技能的掌握情况，也使教师明确教学重点和难点，便于其在课堂上有的放矢地去指导学生。

课中阶段：通过虚拟技术透视内脏，学生自主学习移动性浊音和肝脏触诊等腹部体格检查内容。对掌握不透彻的部分反复演练。然后通过考核模式评价学生对相关知识点的掌握情况。引导学生探究腹部体格检查与疾病的关系，透过现象看本质，将理论知识、虚拟技术与临床情景联系起来。引导学生思考如何通过体格检查和体征为疾病诊断提供依据。在授课过程中，通过虚拟实验中的与患者真实沟通，体现出课程思政，将人文关怀融入临床真实情境中。

课后阶段：学生根据系统反馈找出实验问题，重新实验，改进实验结果，形成“学习-实验-评价-反馈-改进”闭环运行的自成长评价反馈体系。学生可利用电脑随时上线实验，还可通过手机扫码进入课程讨论帮助群，实现师生实时互动，便于教师及时针对具体问题组织学生讨论或进行个别答疑，拓展了教学空间，实现线上实验与线下教学有机融合。在课程完成后，进行学生自评、小组互评以及教师评价等多元化评价，总结课程中的重难点和薄弱环节，对学生掌握情况进行总结和分析，进一步改善教学方式和过程，完善课程设计。

1.3 评价指标

课程结束后，采用考核成绩和问卷调查的方式进行教学评价。考核成绩包括虚拟仿真实验的各模块的得分情况以及期末考试成绩。期末考试成绩包括理论考试成绩、检体技能操作考试成绩和视频成绩。问卷调查包括虚拟仿真实验的一般情况调查和教学满意度的调查。

1.4 统计学方法

运用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，虚拟仿真实验的各模块的得分情况、理论考试分数、检体技能操作考试分数、视频分数为计量数据，通过正态性测试符合正态分布，以x±s表示，独立样本t检验用于两组间比较。文中计数资料用χ²检验。P<0.05表明差异有统计学意义。

2 结果

2.1 教学质量评估

将实验组完成虚拟仿真实验情况进行分析整理，包括考核模式的完成时间以及腹部视诊、腹部听诊、腹部叩诊、腹部触诊和坐位检查五个模块的训练成绩。从结果来看，完成考核模式的时间在9~59 min，平均完成时间为19.96 min。腹部视诊、腹部听诊、腹部叩诊模块掌握的情况较好，腹部触诊、坐位检查相对较差（见表2）。

将对照组和实验组的诊断学成绩进行比较。对照组和实验组的基础理论成绩相当，差异无统计学意义（P<0.05）。实验组的腹部检体技能成绩和腹部检体视频成绩显著高于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）（见表3）。

2.2 虚拟仿真实验学情调查

对2021年秋季学期学习诊断学并且完成了虚拟仿真实验的学生发放调查问卷，共回收有效问卷154份。35.71%的学生在这次虚拟仿真实验之前没有体验过其他的虚拟仿真实验，本实验为第一次尝试。40.91%的学生在此之前只体验过3次以下的类似实验。超过一半的学生在30 min以内可以完成本虚拟仿真实验（见图1）。

2.3 教学满意度调查

有82.47%的学生表示对虚拟仿真实验有兴趣，84.42%的学生认为其对知识和能力的提升有帮助。60.39%的学生希望虚拟仿真实验可以拓展到除腹部体格检查外的其他体格检查中。大部分的学生认为虚拟仿真实验具有加深某些知识点的理解、可以反复练习、不受时间地点限制等优点（见图2）。

3 讨论

虚拟仿真技术是用一个系统模仿另一个真实系统的技术，目前在航空、化工、建筑、机械、教育、医疗等多个领域有了广泛的应用^［12-15］。随着“健康中国”规划、信息技术和数字化技术快速发展，将虚拟仿真实验融入教学将成为未来医学教育的发展趋势 ^［16-19］。本研究将虚拟仿真实验引入诊断学的实践教学中，是一种融合了技术、内容、方式、方法于一体的实验教学新尝试。开展以学生为中心的教学改革，以符合学生认知特点进行教学设计与技术优化，引导学生围绕患者临床征象开展临床思维。便于学生建立诊断学操作与疾病之间的联系，形成感性的认知，加强对临床疾病体征的理解。

3.1 理论与实践教学融通，真实模拟场景，培养学生临床思维

诊断学技能训练是临床医学教育中至关重要的核心环节。但为充分保护患者的利益，医学生在没有充分训练之前，不允许亦不可能在处于身心痛苦的病人身上进行诊断技能操作。腹部体格检查尤其是肝脾触诊、移动性浊音叩诊等是教学中的重点，亦是难点。现有教学手段与方法不能多层次地展现人体内部解剖结构，导致视角盲点无法呈现、抽象知识难以展示，技能教学孤立而分散，学生获得的感性知识不足，难以形成综合的临床思维与判断。因此，需要建立以虚拟仿真承载的诊断学实践平台，作为训练医学生临床实践能力和职业素养的教学途径。

本实验教学课程首次实现了腹部体格检查脏器特征可视化虚拟操作。针对教学中亟待解决的实际问题，结合腹部体格检查的特点，依据“能实不虚、虚实结合”的设计理念，通过虚拟现实技术构建高度仿真的虚拟实验环境及病例对象。使得线上再现病例腹部体格检查的诊断操作场景，将知识、实践操作技能、临床思维能力等知识与技能融合在虚拟情景中，开发与现有实体模型相结合的可视化虚拟仿真教学。通过透视内脏，解决医学学习中内脏病变“看不见，摸不着”的问题，引导学生在透彻理解病变机制的思维训练中掌握腹部体格检查方法，从而强化学生从理论到实践的学习体验，帮助学生实现从课堂到临床的顺利过渡。利用界面模型的动态变换形象展示患者体内不同的变化，克服实体实验缺陷。以学生为主体开展自主学习、自主考核，开发学生的创新潜能，培养学生的创新精神。

本研究中，实验组学生和对照组学生的理论成绩没有明显差异，但实验组学生在腹部体格检查的技能成绩和视频成绩上有明显提升。说明通过传统教学模式，即视频观摩、教师示范、学生互练，学生对于基础理论知识已经有很好的掌握。但在实践方面，通过虚拟仿真的训练，学生可以更深入地理解各种病理征的手法和表现，身临其境地处于临床场景，有助于学生对检体技能的掌握。同时，实验组学生在虚拟仿真实验考核中体现出了腹部触诊和坐位检查两个模块存在知识欠缺，这两个模块也是腹部体格检查中容易出错和忽视的难点，通过学生反复的练习和教师有针对性的指导，可以对薄弱环节进行精准提升。目前已有学校开发诊断学PBL（Problem-base Learning）案例的相关虚拟仿真实验^［20］，但在体格检查的内容上还存在很大的开发和改进空间。

3.2 虚实结合，开发全新教学模式，促进课程改革和技术创新

传统的临床体格检查教学需要大量的资源和成本投入，包括患者的配合、医疗设备的准备等。很多有意义的腹部临床体征如急腹症、腹水、肝硬化等只有在特定患者上才有表现，无法提供持续的操作实践机会。基层医学院校的教学医院同时还面临患者多样性有限的挑战。虚拟仿真实验可以节省大量的资源，在虚拟环境中无限次、多元化展示临床有特征性意义的阳性体征，大幅度降低教学资源成本、时间成本与空间成本。医患沟通能力的培养是体现医学生教育中思政环节最突出最直观的部分。由于学生缺少与患者沟通交流的机会，难以理解患者的身心痛苦，导致在临床上体格检查操作中难以与患者有效沟通。虚拟仿真实验能够提供标准化的患者交互场景，使医学生或医生在不同的训练环境中得到一致的实践体验。这对于医学生在不同情况下运用医患沟通技巧至关重要。

交互式虚拟仿真实验教学课程基于“虚实结合”为原则，通过线上虚拟交互训练与线下实体模型训练相互补充，学生自主学习与教师教学相结合，可以突破时间和空间的限制，增强学生“理论”和“实践”的双重学习体验 ^［20-21］。教学由“以教促学”转变为情景探究式学习，提高了教学的丰富性。研究结果显示，35.71%的学生在这次虚拟仿真实验之前没有体验过其他的虚拟仿真实验，40.91%的学生在此之前只体验过3次以下的类似实验，说明虚拟仿真技术在医学教育方面还属于起步阶段，尚未达到普及程度。82.47%的学生表示对虚拟仿真实验有兴趣，84.42%的学生认为其对知识和能力的提升有帮助。大部分的学生认为虚拟仿真实验具有加深某些知识点的理解、可以反复练习、不受时间地点限制等优点。说明虚拟仿真实验能够提高学习积极性和教学效果，非常适合在诊断学实践教学中继续推广。

通过“线上线下混合”的教学模式，可以帮助提升教师的线上线下混合教学理念，掌握混合式教学的方法，为优质课程资源的建设奠定理论基础^［22-23］。

3.3 知行合一，持续改进，学习自成长评价反馈体系闭环运行

虚拟仿真实验分为练习模式和考核模式，通过练习模式可以让学生多次练习，巩固知识，保证实验的有效性。考核模式可以检验学生的知识掌握情况，针对每个实验结果，系统给出分析评价和反馈意见。学生根据系统反馈找出实验问题，重新实验，改进实验结果，形成“学习-实验-评价-反馈-改进”闭环运行的自成长评价反馈体系。学生与虚拟患者进行互动，根据患者的反应获得反馈，进行自主学习和自我评估。教师能够通过平台监控学生的操作，并提供即时指导和建议。将人工智能与教学评估深度融合，形成“虚实结合+数据分析+视频反馈教学”的实践教学评估法，从体检手法、操作内容、操作顺序、操作熟练度、时间管理、人文关怀进行多维度评估。

课程成绩评定采用以核心素养为导向的多元评价方法。利用数据分析加强对学生能力的检测，全面评价学生的临床思维、专业能力和医德人文素养，减少终结性评价带来的弊端，促使学生更为高效地自主学习。详见评估执行细则。通过虚拟仿真实验及操作视频反馈等信息化教学方法，鼓励学生培养刻苦钻研、精益求精的工匠精神和不断改进学习方法的创新精神。

4 结语

本文探索了虚拟仿真实验平台在诊断学教学中运用的可能性和教学效果，结果表明其可以提高学生的自主学习能力以及学习的积极性，同时提升检体技能的操作水平。面对新的教学模式，学生和教师均要做出积极的改变，并且将虚拟仿真实验融入传统教学的时机、方式进行统筹规划，使教学的全过程更科学合理化、规范化，为培养符合国家和社会需求的医学人才做贡献。

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基金资助

2025年华中科技大学同济医学院附属协和医院研究生课程思政与教学改革项目(XHYB-2025060)

2025年华中科技大学同济医学院附属协和医院研究生课程思政与教学改革项目(XHYB-2025036)

2024年华中科技大学研究生教学改革研究项目(2024PY15)

2022年华中科技大学同济医学院第一临床学院教学改革研究项目(2022XH024)

2022年华中科技大学同济医学院第一临床学院教学改革研究项目(2022XH041)