医学虚拟仿真教学的人工智能化前景探讨.pdf
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1、医学教育创新发展 收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 8基金项目:教育部产学合作协同育人项目(2 2 0 6 0 0 5 4 1 0 7 5 4 1 3);浙江大学医学院教育改革项目(j g y b 2 0 2 2 2 0 3 9)作者简介:宋 超(1 9 8 7-),男,主治医师,博士,主要从事儿童发育行为及医学教育研究。E-m a i l:s o n g c h a o 1 9 8 7z j u.e d u.c n通信作者:章 文(1 9 8 2-),男,讲师,哲学博士,主要从事生命伦理学及医学教育研究。E-m a i l:j s z w c n 1 2 6.c o m医学虚拟仿真教学的
2、人工智能化前景探讨宋 超1,章 文2,洪云霞1,叶 璟1(1.浙江大学医学院附属儿童医院/国家儿童健康与疾病临床医学研究中心,浙江 杭州 3 1 0 0 5 2;2.武汉东湖学院马克思主义学院,湖北 武汉 4 3 0 0 0 0)摘要:随着虚拟仿真技术在医学教育领域的应用日益增多以及人工智能的飞跃式发展,虚拟仿真技术和人工智能技术的融合发展趋势益发明显,此融合趋势包含了虚拟仿真技术的升级和医学教育技术的升级,二者都是由人工智能技术进步及其应用前景所推动的。虚拟仿真教学所产生的个性化数据,经由以机器学习为代表的人工智能技术进行分析处理,产生基于个性化数据而制定的符合医学学习者个体的评估标准和学习
3、方案。其中,个性化评估的运用前景包括临床技能训练、医学人文教育等方面;个性化学习的运用前景包括教育技术的数字化革命或数字化学习。临床技能训练更适合采用有监督的学习算法,并利用技术迭代确保评价参照系的可靠性。医学人文教育中虚拟仿真教学的人工智能化前景,目前更多集中在医患共同决策运用中,并在沟通培训平台、治疗可视化工具、决策支持工具等方面提供现实和潜在的应用价值。教育技术的数字化革命或者数字化学习,则带来了与医学虚拟仿真教学密切联系的教学法的范式变迁,这种变迁的最终指向就是以学生个性化学习数据为基础的医学教育新模式。虚拟仿真技术和人工智能技术相互促进,未来将共同推动医学教育的改革创新。关键词:医学
4、教育;虚拟仿真技术;机器学习;人工智能D O I:1 0.1 3 5 5 5/j.c n k i.c.m.e.2 0 2 3.0 5.0 0 1中图分类号:G 6 4 2.0 文献标识码:A 文章编号:2 0 9 6-3 1 8 1(2 0 2 3)0 5-0 5 1 5-0 5E x p l o r i n g t h e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s o f a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e i n m e d i c a l v i r t u a l s i m u l a t i
5、o n t e a c h i n gS ONG C h a o1,Z HANG W e n2,HONG Y u n x i a1,Y E J i n g1(1.C h i l d r e n s H o s p i t a l,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y S c h o o l o f M e d i c i n e/N a t i o n a l C l i n i c a l R e s e a r c h C e n t e r f o r C h i l d H e a l t h,H a n g z h o u 3 1 0 0 5 2;2
6、.S c h o o l o f M a r x i s m,Wu h a n D o n g h u U n i v e r s i t y,Wu h a n 4 3 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:W i t h t h e i n c r e a s i n g a p p l i c a t i o n o f v i r t u a l s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y i n t h e f i e l d o f m e d i c a l e d u c a-t i o n a n d t h e
7、 r a p i d d e v e l o p m e n t o f a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e,t h e i n t e g r a t i o n t r e n d o f v i r t u a l s i m u l a t i o n a n d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e i s b e c o m i n g m o r e a n d m o r e o b v i o u s.T h i s t r e n d i n c l u d e s t h
8、 e u p g r a d i n g o f v i r t u a l s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y a n d m e d i c a l e d u c a t i o n t e c h n o l o g y,b o t h d r i v e n b y a d v a n c e s i n a r t i f i c i a l i n t e l l i-g e n c e t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s.T h
9、 e p e r s o n a l i z e d d a t a g e n e r a t e d b y v i r t u a l s i m u l a t i o n t e a c h i n g i s a n a l y z e d a n d p r o c e s s e d t h r o u g h a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e t e c h n o l o g y r e p r e s e n t e d b y m a c h i n e l e a r n i n g,r e s u l t i n
10、 g i n e v a l u a t i o n s t a n d a r d s a n d l e a r n i n g p l a n s t a i l o r e d t o i n d i v i d u a l m e d i c a l l e a r n e r s b a s e d o n p e r s o n a l i z e d d a t a.T h e p r o s p e c t s f o r t h e a p p l i c a t i o n o f p e r s o n a l i z e d e v a l u a t i o n i
11、 n c l u d e c l i n i c a l 515 医学教育研究与实践 2 0 2 3年1 0月 第3 1卷 第5期 M e d i c a l E d u c a t i o n R e s e a r c h a n d P r a c t i c e O c t.2 0 2 3 V o l.3 1 N o.5s k i l l s t r a i n i n g,m e d i c a l h u m a n i t i e s e d u c a t i o n,w h i l e t h e p r o s p e c t s f o r t h e a p p l i
12、 c a t i o n o f p e r s o n a l i z e d l e a r n i n g i n c l u d e t h e d i g i t a l r e v o l u t i o n o f e d u c a t i o n a l t e c h n o l o g y o r d i g i t a l l e a r n i n g.C l i n i c a l s k i l l t r a i n-i n g i s m o r e s u i t a b l e f o r u s i n g s u p e r v i s e d l e
13、 a r n i n g a l g o r i t h m s a n d u t i l i z i n g t e c h n i c a l i t e r a t i o n s t o e n s u r e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e e v a l u a t i o n r e f e r e n c e f r a m e.T h e p r o s p e c t o f a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e i n v i r t u a l s i m u-l a t i
14、 o n t e a c h i n g i n m e d i c a l h u m a n i t i e s e d u c a t i o n i s c u r r e n t l y m o r e f o c u s e d o n t h e a p p l i c a t i o n o f j o i n t d e c i s i o n-m a k i n g b e t w e e n d o c t o r s a n d p a t i e n t s,a n d p r o v i d e s p r a c t i c a l a n d p o t e n
15、 t i a l a p p l i c a t i o n v a l u e i n c o mm u n i c a t i o n t r a i n i n g p l a t f o r m s,t r e a t m e n t v i s u a l i z a t i o n t o o l s,a n d d e c i s i o n s u p p o r t t o o l s.T h e d i g-i t a l r e v o l u t i o n o f e d u c a t i o n a l t e c h n o l o g y o r d i g
16、i t a l l e a r n i n g h a s b r o u g h t a b o u t t h e p a r a d i g m c h a n g e o f t e a c h i n g m e t h o d s c l o s e l y r e l a t e d t o m e d i c a l v i r t u a l s i m u l a t i o n t e a c h i n g.T h e u l t i m a t e d i r e c t i o n o f t h i s c h a n g e i s a n e w m o d
17、e l o f m e d i c a l e d u c a t i o n b a s e d o n p e r s o n a l i z e d l e a r n i n g d a t a.V i r t u a l s i m u l a t i o n a n d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e w i l l m u t u a l l y p r o m o t e e a c h o t h e r,j o i n t l y p r o m o t i n g t h e r e f o r m a n d i
18、n n o v a-t i o n o f m e d i c a l e d u c a t i o n i n t h e f u t u r e.K e y W o r d s:m e d i c a l e d u c a t i o n;v i r t u a l s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y;m a c h i n e l e a r n i n g;a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e 在现代信息社会以及人工智能飞跃式发展的情况下,为了更好推动教育与信息技术互动融合,发展新时代教育
19、中的新技术、新概念、新方法、新工具,教育部于2 0 1 8年发布 关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知,2 0 1 9年,教育部推动国家虚拟仿真实验教学项目建设工作。2 0 2 0年国务院办公厅发布 关于加快医学教育创新发展的指导意见,要求“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4 0 0门左右国家级医学虚拟仿真教学一流课程”。在政策引导下,我国虚拟仿真技术与医学教育深度融合,医学虚拟仿真教学蓬勃发展。虚拟仿真技术(v i r t u a l r e a l i t y,V R)是利用计算机仿真系统帮助人们创建和体验虚拟世界,同时利用特定算法实现一种模
20、拟环境,利用一种多源信息融合、交互的三维动态视景和实体行为的系统仿真让用户沉浸到该环境中1。医学虚拟仿真教育是以现代计算机技术为核心手段,虚拟仿真患者的躯体结构与病理机能、疾病表现与演变以及对患者的诊疗过程,从而代替模型及真实患者、真实临床过程进行教学、实践训练和能力评估的教学法2。随着人工智能技术发展,人工智能和虚拟仿真技术在医学教育领域已经产生了融合发展的前景。这种融合应用虽然还处于起步阶段,但国外医学教育者已经就此进行了一些探索。1 虚拟仿真技术的发展及个性化数据产生在医学教育中,虚拟仿真技术的发展获得了较多关注,一方面是医学教育中有使用标准化病人的传统,即通过模拟的方式进行教学和临床能
21、力评估,另一方面,医学教育中也广泛利用仿真模型进行教学,可以说,“仿真”“模拟”一直都是医学教育的方法论和关键词。虚拟仿真将拥有传统医学教育手段网络化、虚拟化,是医学仿真教育手段的创新发展。这种发展和我们时代的多媒体技术以及计算机仿真技术的发展密不可分。常见的虚拟仿真教学有两种形式,一是虚拟观察(演示),比如在免疫荧光试验虚拟仿真教学中,需要在暗室中观察荧光,现实观察受制于教室环境以及正常单元课堂时间,虚拟仿真教学则能提供较好的素材3。在虚拟观察及学生前期学习的基础上进行虚拟操作,则 是 虚 拟 仿 真 教 学 的 另 一 种 重 要 形 式,比 如 在C R I S P R基因编辑技术的虚拟
22、仿真教学软件中,直接就包含了原理演示和实训操作两个模块,软件通过模拟实验操作过程,学生在虚拟教学平台上进行操作4。这两个模块也构成了医学虚拟仿真教学的核心。虚拟仿真技术在医学教育中有特定益处,有观点认为,虚拟仿真教学有助于推动儿科专业毕业后教育发展,对儿科住院医师而言,虚拟仿真教学的可接受程度高,可产生更多更丰富的医学教学应用场景,还有助于保护患儿等5。但这些益处,都是基于“教育”本身而言的,从“学习”角度,我们应当在人工智能快速融于各领域应用的时代,结合医学教育,从完整的“教与学”角度,从虚拟仿真 人工智能(V R-A I)双技术协同发展前景来讨论医学教育中虚拟仿 真教学的人 工智能化学 习
23、前景问题。在虚拟仿真教学的探讨中,最容易被忽视,也最可能首先应用人工智能技术的场景在于个性化学习,所谓个性化学习,指的是在虚拟仿真教学过程中,学习者一定会产生具有个性或个体差异的学习数据,这些数据被人工智能技术进行分析处理,产生与学习者本人个性或个体差异相匹配的新的教学流程,并根据特定场景推送符合学习者个性的学习内容6。这是在西方国家已经在推动的一项医学教育改革内容,只是在现615 医学教育研究与实践 2 0 2 3年1 0月 第3 1卷 第5期 M e d i c a l E d u c a t i o n R e s e a r c h a n d P r a c t i c e O c
24、t.2 0 2 3 V o l.3 1 N o.5实工作中,这种推进依然包含着较多的愿景成分,我们要进一步将这种愿景整合到我们的医学教育研究与实践中来。2 通过机器学习分析虚拟仿真教学产生的数据2.1 个性化评估个性化评估是如何产生的?主要是通过虚拟仿真模仿器追踪人们在虚拟仿真训练中产生的所有关于操作行为和运动的大数据,进一步通过机器学习算法进行分析。这个方面的工作在医学工程专业领域正在开展,其中部分研究成果发表在医学期刊上,部分研究成果发表在计算机科学或工程学期刊上。据一项在虚拟仿真中使用机器学习评价外科手术操作的研究显示,医学期刊更擅长讨论学习质量,而计算机科学研究期刊则更擅长讨论监督式学
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