基于职业卫生与职业医学实验教学中使用虚拟仿真实验平台的调查分析
时间：2023-04-07 23:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
苏 雄，闫 涛，李乐慧，李乌云塔娜，张星光
（内蒙古医科大学公共卫生学院，内蒙古 呼和浩特 010110）
2020年国务院颁发的《关于加快医学教育创新发展的指导意见》中指出，以新医科统领医学教育创新，加强培养体系建设，强化预防医学本科专业学生实践能力培养，将公共卫生与预防医学相关学科专业纳入“国家关键领域急需高层次人才培养专项招生计划”支持范围。优化学科专业结构，体现“大健康”理念和新科技革命内涵，对现有专业建设提出理念内容、方法技术、标准评价的新要求，强力推进医科与多学科深度交叉融合。推进医学教育课堂教学改革，着力提高教学水平，强化对学生公共卫生与预防医学、传染病防控知识等的教育，强化现代信息技术与医学教育教学的深度融合，探索智能医学教育新形态，建设医学虚拟仿真实验教学一流课程。
在新冠肺炎疫情背景下，很多高校为了满足正常的实验教学需要，将虚拟仿真技术引入教学之中。虚拟仿真主要依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，让学生可以在虚拟环境中开展实验，最终实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，是学科专业与信息技术深度融合的产物[1]。职业卫生与职业医学是公共卫生与预防医学的一个重要分支学科，主要研究工作条件对健康的影响，防治职业病，创造卫生、安全、舒适和高效的工作环境，以保护和促进劳动者的健康，从而提高劳动生产率，有较强的实践性。职业卫生与职业医学的实验教学目的在于培养学生的实践操作能力和解决职业环境中遇到问题的能力，对学生预防医学综合素质的提高有重要作用[2]。良好的职业劳动条件对健康有利，而不良的条件则可使健康受到损害，严重的可导致职业人群患职业病，给社会和家庭带来沉重的负担。内蒙古医科大学公共卫生学院环境与职业卫生学教研室承担着学院预防专业的环境卫生学、职业卫生和职业医学等课程的教学。本次调查中，教研室教师利用国家虚拟仿真实验教学项目共享平台、依托内蒙古医科大学蒙医学虚拟仿真实验教学中心建立的公共卫生虚拟仿真平台，选择了4个在职业卫生与职业医学中涉及的实验开展虚拟仿真教学，同时选择2017级预防医学专业学生为授课对象进行初步实践，得到了真实、积极的反馈与评价，现将调查分析介绍如下。
1.1 对象
将2017级预防医学专业73名学生作为研究对象，其中男生16人，女生57人。
1.2 教学设计
教师对学生进行职业卫生与职业医学理论授课后，利用实验课时间发布学习任务，引导学生进行虚拟仿真实验教学，学生结合“虚拟教师”的要求和提示完成实验操作。学生可根据掌握程度进行多次操作练习，以最高得分记录实验成绩。最终通过实验有效成绩和问卷调查结果对使用虚拟仿真实验平台授课的教学效果进行评价。
1.3 方法
1.3.1 教学内容 教研室通过集体备课讨论，选取了4个虚拟仿真实验项目作为实验课教学内容，分别是“职业中毒处置与防控虚拟仿真实验”“突发化学中毒事故（液氨泄露）卫生应急处置虚拟仿真实验”“职业性尘肺病诊断虚拟仿真实验”“重大公共卫生事件应急处置的仿真教学（以环境重金属污染为例）”。
1.3.2 教学过程 教师利用账号登录虚拟仿真实验平台，发布学习任务和查看学生学习情况。学生通过账号登录后，按照使用虚拟仿真实验教学平台流程（见图1），查看自己的学习任务，完成实验课程学习。在虚拟仿真操作过程中，学生和教师可实现“闭环式”双向互动。实验操作完毕，教师根据学生的操作情况进行点评，然后进行小组讨论和学习经验分享。最后学生从实验目的、原理、方法、器材、步骤、结论等方面进行记录，撰写实验报告，并完成课后测验。
图1 使用虚拟仿真实验教学平台流程Figure 1 Process of using virtual simulation experiment teaching platform
1.3.3 效果评价 实验课教学效果评价由实验有效成绩和问卷调查结果组成。实验有效成绩满分为100分，由课程实验成绩（40%）、实验报告（30%）、课后测验（30%）三部分组成。学生完成4次虚拟仿真实验后，通过问卷星进行调查问卷的填写。调查问卷共设置单项选择题、多项选择题和开放式简答题。选择题涉及虚拟仿真实验教学的整体评价、平台的使用情况等，开放式简答题为学生填写在使用虚拟仿真实验平台过程中的不足及建议。
2.1 实验有效成绩
按照实验有效成绩的组成比例，分别给出每位学生4次实验的最终成绩，之后再求得平均分。通过对每位学生的实验有效成绩整理分析得出，总成绩≥90分的学生占61.64%，80～89分的学生占28.77%，70～79分的学生占6.85%，60～69分的学生占2.74%，大部分学生的实验课最终成绩在80分及以上。
2.2 调查结果
利用问卷星软件录入问卷，共发放73份问卷，收回有效问卷73份，有效问卷回收率100%。通过分析问卷可知，大部分学生对虚拟仿真实验教学有积极的认识，认为通过新的学习方式可培养发现问题、分析问题、解决问题的能力，能迅速掌握学习内容，并且愿意在未来的学习中继续使用虚拟仿真实验平台。95.89%的学生认为虚拟仿真实验让学习变得更有趣了，有68.49%的学生在使用过程中遇到了网络卡顿的现象，见表1。
表1 学生对虚拟仿真实验教学模式的综合评价[n（%）]Table 1 Comprehensive evaluation of students on virtual simulation experiment teaching mode[n（%）]
对于是否有必要进行实验教学改革，32.88%的学生认为很有必要，可以锻炼思维和动手能力，49.32%的学生认为有必要，可以丰富实验课程学习。调查通过几次操作才达到满意的水平（90分及以上），只有9.59%的学生1次达到，41.09%的学生2次达到，34.25%的学生3次达到，15.07%的学生4次及以上达到。在多选题调查中，对于哪些实验更适合被虚拟化，有63人（86.30%）认为是耗时长、成本高的实验，67人（91.78%）认为是危险性高的实验，48人（65.75%）认为是需要反复操作形成熟悉印象的实验。在问到虚拟仿真实验相比传统实验有什么好处，选择实验环境安全的有53人（72.60%），选择理论联系实践，将知识较好地运用于实验中的有57人（78.08%），选择多重学习模式，可反复学习，很实用的有60人（82.19%），选择操作容易、简单的有38人（52.05%），选择不担心设备损坏的有57人（78.08%），选择可作为实际操作之前的演练的有41人（56.16%），选择可以随时随地进行实验的有45人（61.64%），选择虚拟实验不需要投入大量的人力、物力的有41人（56.16%）。由此可见，多数学生对虚拟仿真实验的开设是认同的。在开放性简答题中，大部分学生认为当前的虚拟仿真实验平台很好，少部分学生认为当前虚拟仿真实验平台仍有改进空间，主要集中在“增加开设虚拟仿真实验的项目数”“适当增加导向或者提示内容”等。
3.1 利用虚拟仿真实验平台可提高职业卫生与职业医学实验教学质量
职业卫生与职业医学的实践内容往往发生在职业环境中，传统实验教学只能在学校普通实验室中进行，有一定局限性，学生很难身临其境。此外，由于学校实验场所等条件限制，无法开设耗时长、成本高、危险性高的实验，如职业卫生事故调查、电离辐射的测量、职业性突发化学中毒事件应急处理等。虚拟仿真技术在一定程度上解决了以上问题，这种方式能节约大量资源，并且能避免由于部分实验所产生的“三废”对环境的污染，特别适合在职业卫生与职业医学实验中应用[3]。课程中引入的4个职业卫生与职业医学虚拟仿真实验案例，打破了传统实验教学场所等方面的限制，能让学生在安全环境下进行实验操作，对职业卫生与职业医学实验教学质量的提高具有重要意义。
3.2 利用虚拟仿真实验平台可提高职业卫生与职业医学实验教学效果
传统的实验教学模式主要是教师讲授，学生按照报告中的实验步骤进行验证性的实验操作。在这种教学模式下，学生的基本动手操作能力可得到提升，但学生缺乏处理一个完整职业案例的思维逻辑训练，这在一定程度上限制了学生发现问题、分析问题和解决问题能力的提高，导致学生学习主动性和积极性下降，实验教学效果也会随之下降。此次在职业卫生与职业医学中引入虚拟仿真实验项目，内容丰富生动，激发了学生的兴趣，培养了学生的自主学习能力，教学效果显著提升。在实验效果评价中，大部分学生的成绩在80分及以上。通过发布问卷调查发现，大部分学生对虚拟仿真实验教学效果持积极的评价，愿意在今后的学习中继续使用。
3.3 合理利用虚拟仿真技术
在利用虚拟仿真实验教学平台的过程中，要以学生的需求为导向，充分考虑使用虚拟仿真技术的必要性和建设后的使用率，结合培养目标和课程特征，凸显专业特色和学科优势，按照“以虚促实、以虚促学、虚实结合、相辅相成”的原则，充分利用现代最新虚拟仿真技术，解决因现场环境、仪器设备及安全因素等现实条件受限导致无法正常开展线下实验教学的突出问题[4]。另外，由于虚拟仿真实验平台开发的难度、系统的兼容性等原因，还有很多需要更新升级的地方，如增加实验项目数量、提升系统的流畅度等。在虚拟仿真课程的制作过程中，存在一些技术挑战，例如医学教师虽然有计算机应用基础，但是缺乏课程开发能力，而开发课程的技术人员大多无医学背景，无法直接完成课程设计，因此，在虚拟仿真实验项目制作开发的过程中，技术人员应加强与高校任课教师的沟通。相关部门要制定行业标准及评价标准，保证教学内容的完整性、教学过程的准确性，加强实验教学资源的多样性，提高软件与各类移动设备的兼容性。要对使用虚拟仿真实验平台的教师进行专项培训，以达到完全掌握平台基本操作、注意事项等的程度。
3.4 建立虚拟仿真实验室
虚拟仿真教学是一种值得探索和推广的教学方法，随着现代信息技术的迅猛发展，VR虚拟现实仿真技术也在不断更新，它是在基于互联网信息技术基础上的综合性智能技术，以计算机仿真系统为依托，结合用户实际需求，设置相应参数，将抽象、静态的信息通过VR技术处理创建出动态的立体画面，为使用者呈现仿真实体行为的情境，感受身临其境的虚拟仿真世界，能全身心地沉浸其中。通过仿真情景化教学，让学生在虚拟实践过程中将所学理论知识融会贯通，真切体会虚拟仿真教学所强调的实践动手能力及解决问题的逻辑思维等，培养综合素养[5]。目前，虚拟仿真实验室得到国内外高校和研究机构的高度重视[2]，建议有经费支持的高校建立专业的虚拟仿真实验室，利用该实验室打造一批虚拟仿真“金课”[6]。相比传统的数字语言实验室或多媒体实验室只能提供听觉、视觉的感知，虚拟现实技术的应用能为用户带来包括触觉、嗅觉等更为丰富的感知体验[7]。虽然虚拟仿真实验室开发成本略高，但真正运用起来成本却很低，后期可通过高校之间合作共建的方式，整合优化教学资源，将虚拟仿真实验项目进行资源共享，提升虚拟仿真实验教学建设成效，推进高校实验教学信息化更好更快发展[8]。
虚拟仿真实验室利用VR在可视化方面的优势，大大减少了实验中的耗材，降低了在应用和使用过程中的成本。此外，虚拟仿真实验室可以通过虚拟环境技术，实现合作实验、远程实验、协同研究等，其具有的协作性优势是传统实验室不具备的。随着越来越多的专业领域利用虚拟仿真实验平台，虚拟仿真技术也会越来越成熟，将成为未来实验室发展的中坚力量。
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