医学影像技术专业虚拟仿真实验教学的开展与效果评估

医学影像技术专业虚拟仿真实验教学的开展与效果评估

董祥梅1  ,张彦超2 ,徐建忠2 ,夏天3   ,李永生2

1.牡丹江医学院附属红旗医院

2.牡丹江医学院医学影像学院

3.上海培云教育科技公司

摘要：医学影像技术专业虚拟仿真实验教学是一种通过虚拟仿真技术模拟真实临床环境，提供学生实践操作和诊断能力培养的教学方法。本文通过虚拟软件仿真的方式，总结了医学影像技术专业虚拟仿真实验教学的开展与效果评估的相关研究。研究发现，虚拟仿真实验教学可以有效提高学生的实践操作能力和诊断能力，激发学生的学习兴趣和主动性。此外，虚拟仿真实验教学还可以提供一个安全和控制的环境，减少对患者的风险。具体的效果评估需要根据实际教学情况进行具体分析和评估。

关键词：虚拟仿真；实验教学；学习兴趣；效果评估

进入新世纪以来，人工智能技术的发展一方面改变了人们的生产、生活方式, 另一方面在教育教学领域产生了深远的影响，从而导致教学手段、组织形式、教学模式等方面也发生了深刻的变革。我国《国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010-2020年) 》提出“信息技术对教育发展具有革命性影响”, 突出强调技术由应用转向支撑、便于建设优质教育资源和信息化教学环境[1]。2018年教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》，将推动信息技术和教学实践的深度融合作为核心理念, 从应用入手切入教学深度融合, 调动一切可调用力量, 推动教育教学的变革与信息化发展[2-4]。同年，在第十一届“中国大学教学论坛”上，教育部高教司司长提出了建设中国五大“金课”的规划，并作了题为《建设中国金课》的报告，其中建设虚拟仿真“金课”，是一大重要任务和目标[3]。报告强调虚拟仿真是一种新的教育生产力，虚拟仿真“金课”的开设是“智能+教育”的创新一招，建设虚拟仿真“金课”，可破解高校实验实训教学老大难问题，使原来“做不到”、“做不好”、“做不了”、“做不上”的实验实训教学得以解决[5]。报告强调国家虚拟仿真实验教学项目就是国家级“金课”，教育部和教育厅将通过多种途径，从政策保障、组织保障、机制保障、评价保障、经费保障五大保障，加大对建设国家和地方“金课”的支持力度，培养创新型、复合型、应用型人才[6-8]。

自2020年以来，国内疫情反复发作，很多高校都在不同时间段开展了网络教学进行授课，理论授课采取线上授课效果尚可，可是部分课程的实验教学却遇到了很大的困难[9]。医学影像技术是现代医学中不可或缺的重要学科，对医学诊断和治疗起着重要作用。虚拟仿真实验教学作为一种新兴的教学手段，可以提供高度模拟的实验环境，帮助学生更好地理解和掌握医学影像技术[10]。为了完成疫情期间网络线上授课情况下实验教学任务，我校医学影像技术专业医学影像设备学课程，采用虚拟仿真，开展了线上实验教学实践。

   虚拟仿真是现阶段非常有效的一种教学方式，该方式有效解决了部分课程实验原理深奥不容易被学生理解，实验设备体积庞大、价格昂贵、学校无法配置困难[11-13]。我校医学影像设备学所讲授的DR、CT、MRI等大型影像设备的原理与结构内容实验教学存在上述问题。之前我院采用医院里面淘汰的大型设备真机来进行实验教学。但这类设备占地面积大，安装维护等费用高，而且数量上也满足不了教学需求。为此我院在2020年采购了上海培云教育科技公司的虚拟仿真实验教学软件，来满足实验教学要求。

   我院购置的教学软件包含了DR仿真操作实验，CT原理仿真实验，MRI原理仿真实验，该软件原本安装在实验室计算机内供上机操作，后因疫情学生改为线上授课，不能进入实验室进行操作。经过学校与软件公司的协商，公司推出了网络版虚拟仿真实验项目，把学生需要操作的实验项目在网站上注册后即可进行实验操作，解决了网上授课的难题，这使得我院在疫情期间仍然能够顺利完成该课程的实验教学任务。

1 基于DR虚拟仿真实验教学内容的设计

   DR虚拟仿真软件的训练模式的入口如图1所示。

图1-DR仿真软件入口    图2-DR设备室场景

点击图中DR设备室大门，即可进入DR设备室进行模拟摆位操作。进入DR设备室后所展现的场景如图2所示。

本场景仿真完全是基于3D 场景建模，可以模拟现实中的绝大部分空间位置关系。它可以模拟基础的 DR 设备的操作，包括球管移动控制，旋转控制，检查床移动，水平探测器、竖直探测器等取出放入操作，可以模拟人体的摆位操作，根据检查要求可以实现头、颈、肩、手、胸、腰、腿等各种体位多达 20 余种摆位模拟训练。它也可以对操作过程进行判断，帮助用户发现操作过程中的问题，如球管是否就位，探测器是否就位，照射距离是否安全，人体摆位与选择的部位是否相对应等。自定义的人体摆位编辑,可任意增加人体摆位到系统中。

经过模拟软件的训练之后学生即可进行考核模式，在考核模式计算机程序会根据操作人员的每一步操作的准确度和所用时间给出分数。经考核之后后台还给出考核成绩的分析数据。

图3 整体样本考核成绩分布图4 未训练直接参加考核的样本成绩分布

1.1 考核整体分析与结论：

（1） 整体样本成绩分布（包含未训练直接考核和训练后考核）（如图3所示）基本符合整体分布，说明平台的题目设置较为合理；

（2）未训练直接考核的样本平均成绩为94分，标准差为21.5（如图4所示），而训练后考核的平均成绩为106分，标准差为18.8（如图5所示），说明经过平台训练后的成绩提升明显，且成绩分布更加集中。

（3） 未训练直接考核的样本平均可达94分。其原因是，一些基础流程性工作（比如扫码、更换检查服），属于较为简单的考核，故区分度不高；也体现出基本功能能力不需要长时间训练。

（4） 区分度主要表现在不同检查部位的规范摆位上，既体现了对检查技术的掌握情况，同时训练也会增强熟练程度（摆位时间长短与得分相关）。该部分是检查技术的核心，也说明需要经过训练才能得到技能提升，也是本考核系统的价值所在，能对核心技能素养进行区分。

1.2 个体样本的随训练次数变化成绩分布

下面以样本1至样本20训练次数与成绩变化的直方图为例，来分析20个个体样本的成绩变化规律。

表1 个体样本训练次数与成绩关系

表1 个体样本训练次数与成绩关系（续表1）

表1 个体样本训练次数与成绩关系（续表2）

表1 个体样本训练次数与成绩关系（续表3）

2 分析与讨论

（1）20个个体样本中，除样本3、8、14、15的成绩变化斜率较小，其它样本的成绩随训练次数的增加增长明显；

（2）根据样本3的成绩分布图可以看出，其成绩抖动上下加大，因此成绩斜率较小，可能是没有掌握学习或训练方法原因，这是一类特殊情况；

（3）样本8、14、15成绩斜率较小的原因是3个样本的基础扎实、动手能力较强，成绩都在高位轻微浮动的结果，这是另一类特殊情况，即使这样成绩斜率依然为正，说明训练对于保证成绩的稳定性也有帮助；

（4）所有个体样本的成绩曲线都出现了不同程度的浮动，这主要是由于系统中的训练体位采用的是随机产生的形式，即每次摆位的体位是不一样的（非固定的题目），不同检查的摆位操作有难易之分，因此同一个学习者会出现成绩抖动；

（5）将样本3、8、14、15的成绩斜率从右侧表中删除后，对剩余16个样本进行正态分布分析，发现更符合正态分布，此时斜率的平均值为1.41，应用整体样本分析中未训练直接考核的样本平均成绩94分作为截距，可推算出（140-94）/1.41=33.6，即一般情况下，学生需要训练34次左右才能达到比较满意的成绩，说明本平台对于初学者有一定门槛，可以满足批量化的规范化教学。

3 结论

通过以上结果分析虚拟仿真实验教学在医学影像技术专业教学中的应用一方面可以提高学生的实践操作能力和诊断能力，另一方面通过虚拟仿真实验的反复练习，学生可以加深对医学影像设备与技术的理解和掌握。虚拟仿真实验教学可以激发学生的学习兴趣和主动性。通过问题导向的学习方法，学生可以将理论知识与实践相结合，提高影像设备的操作与维护能力。虚拟仿真实验教学可以提供一个安全和可控制的操作环境，让学生在没有真实患者的情况下进行实践操作和诊断，减少对操作者与患者的风险。

具体的效果评估还需要根据实际教学情况进行具体分析和评估，包括学生的学习成绩、实践操作能力的提高程度以及学生的反馈等。学生经过本仿真软件学习之后，提高了对知识点的掌握水平，认识到还存在不足。以及今后的改进方向和如何更好加强学习与训练来提高学生的操作能力与认知水平。以上即为我院20级医学影像技术专业在疫情期间通过培云科技虚拟仿真软件的实验数据。希望该种教学方法能够为其他院校提供帮助与借鉴。

本文系牡丹江医学院教育教学改革培育项目，项目编号:MYPY20210004

参考文献

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[2]陆薇,王盼霞.高职院校虚拟仿真实验教学在“医学影像设备学”中的应用与探索[J].科技风,2022,No.505(29):77-79.

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[13]Zhang, M., & Li, H. (2018). Research on medical imaging technology education based on virtual simulation technology. Medical Education, 44(2), 97-100.

通讯作者：李永生（1978-）牡丹江医学院医学影像学院医学影像技术与设备实验室副主任

研究人工智能技术影像设备的相结合。