虛擬仿真實驗在運動急救學課程教學中的應用與思考

毛雅蕓 李雪 沈高飛 吳衛兵*

(1.上海體育學院運動科學學院;2.上海體育學院教務處 上海 200438)

隨著虛擬仿真技術的不斷發展與成熟，其在教育領域的應用價值也日益凸顯。2013 年8 月，為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》和《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》等相關要求，教育部發布了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，且分別于2014年、2015年審核批準了共計200個國家級虛擬仿真實驗教學中心。此后，為進一步加強信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，促進高等教育實驗教學優質資源的開放共享，教育部辦公廳又于2017 年7 月印發了《關于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》。并在2018—2020 年期間，累計完成認定23 個學科領域的401 項和計劃認定26 個學科領域的305 項國家級虛擬仿真實驗教學項目。

各大高校積極響應教育部文件精神，極大地推動了示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設工作，使其在短短幾年內即呈現出學科門類廣泛、主題內容豐富的多元化發展趨勢。然而，在如火如荼的建設熱潮之后，教育工作者迎來的是更嚴峻的挑戰，如何將虛擬仿真實驗有序融入課程實驗教學安排、如何將虛擬仿真實驗合理結合傳統線下實驗教學、如何充分發揮虛擬仿真實驗教學智能教育的優勢等應用問題接踵而至。因此，該文將以上海體育學院運動急救學課程為例，對國家級虛擬仿真教學實驗項目——“運動傷害現場急救處理虛擬仿真實驗”的建設背景和應用情況展開介紹，并深入分析虛擬仿真實驗教學的優勢與不足，以期為今后虛擬仿真實驗教學實踐工作提供一些啟示和經驗。

1 虛擬仿真技術在急救學課程中的應用現狀

虛擬仿真實驗是現代化教學過程中孕育出的一個新成果，它利用計算機、多媒體、虛擬現實（Virtual Reality，VR）設備和技術等來模擬真實的實驗場景和實驗過程，以幫助學生對知識與技能更好地進行掌握和運用［1］。

近年來，我國應急救護教育雖然逐漸引起重視，公共急救設備、培訓機構以及受訓人數均有所增加，但由于人口基數多、地域范圍廣、城鄉差異大等原因，公眾的急救知識和急救技能普及率仍然偏低，整體急救能力遠遠落后于發達國家。大學生是一個受教育程度較高、學習能力較強的群體，畢業之后他們將走向各行各業，對他們開展高質量的急救課程，具有較大的可實施性和重要的社會意義［2，3］。然而，意外創傷事故的突發性、緊急性、復雜性和不可復制性，使得學生在真實急救現場往往慌張無措，無法學以致用，這一直是傳統課堂教學的難點，因此，將虛擬仿真技術應用于急救課程教學中是十分必要的。

胡春媚等［4］在研究中，以開展急救護理學課程教學的班級為例，采用了“虛擬仿真技術—智能化超級綜合模擬人（HPS）和急救技能實訓相結合”的新興教學模式，與“課堂講授—學生單項技能訓練—教師指導”的傳統教學模式進行比較。結果顯示，接受HPS 和急救技能實訓相結合教學的學生，其基礎理論和技能考核成績都要顯著優于對照組。虛擬仿真技術—HPS作為一種創新型的輔助教學，值得進一步推廣。金松洋等［5］研究發現，基于虛擬仿真智能訓練系統的混合式課程教學，可以通過多種信息技術，激發學生的學習興趣，還可以全面、客觀地記錄學習情況，更有利于幫助學生攻克知識的重點難點。江妍霞等［6］認為，VR和增強現實技術（Augmented Reality，AR）在臨床急救學課程教學中具有較強的應用優勢，它可以全仿真模擬技能培訓、重復訓練、節約教學資源、降低實操成本等。李賀等［7］通過探究混合式虛擬仿真實驗在急救醫學技能操作教學中的應用效果，發現其不僅能夠明顯增強學生對操作技能的掌握度，還可以提升學生對操作教學的滿意度。

2 上海體育學院虛擬仿真實驗在運動急救學課程中的應用實踐

2.1 虛擬仿真實驗項目的建設背景

運動急救學課程開設于1995 年，是上海體育學院一門開設時間長、受眾范圍廣的特色課程，現為上海體育學院8個專業本科生的專業素養必修課或專業素養選修課。課程內容主要包括現場急救的基礎知識和基本技術以及如何運用急救技能開展不同運動意外傷害的現場急救處理，如運動猝死、軟組織損傷、骨折損傷、關節損傷、內臟損傷、創傷性休克、氣道梗阻、中暑、淹溺等，共計16個章節。旨在提升學生運動損傷防護與急救的理論知識和實踐技能，加強學生正確處理運動損傷的動手操作能力，培養學生人道、博愛、奉獻的紅十字精神以及發展學生職業道德和社會責任感。

運動急救學作為體育院校的一門重要專業課程，與日?；顒?、體育鍛煉和運動訓練都密切相關，具有很強的實用性。在傳統課堂教學過程中，本課程通常以實操訓練為主、理論講授為輔，采取“邊講、邊學、邊練”的教學模式。然而，由于選課人數較多、課時安排有限、設備技術落后等原因，這種“教師先演示，學生后模仿”的教學方法，容易導致學生缺乏足夠的練習時間和充分的個人指導以及真實的情境體驗，從而降低學習興趣和學習效率，最終影響知識和技能的掌握與運用。

因此，為了更好地提升教學效果和質量，上海體育學院將虛擬仿真技術引入運動急救學課程的教學實踐中，于2018年完成了“運動傷害現場急救處理虛擬仿真實驗”項目的建設。該虛擬仿真實驗項目依托虛擬現實、人機交互、網絡通信、多媒體和大數據等先進信息技術，構建高度逼真的運動傷害場景，引導學生自主完成現場急救處理的學習和考核，讓原來一些“做不到、做不好、做不了、做不上”的實驗成為可能，有效解決了傳統實驗教學的難題，以滿足卓越人才培養的需求［8］。

2.2 虛擬仿真實驗教學的組織模式

運動急救學課程經過虛擬仿真實驗項目、慕課的陸續建設和應用后，已由過去單純線下傳統教學模式逐漸轉變成“虛擬仿真實驗+慕課+課堂講授+實操訓練”的線上線下混合式創新教學模式（見圖1）。課前實施線上教學，教師通過虛擬仿真實驗和慕課等平臺布置任務、遠程監管，學生則根據任務自主學習、發現問題；課中實施線下教學，教師通過組織課堂教學活動幫助學生解決課前疑惑、攻克重點難點、促進知識內化、鞏固操作技能；課后實施線上教學，教師定期在線輔導，引導學生積極完成線上測評、參與課外實踐活動。并在整個教學過程中，始終貫穿“以學生為中心”的教學理念，深入挖掘課程德育價值，全方面發揮課程傳遞知識、提升能力、立德樹人的育人作用。此外，該課程還將虛擬仿真實驗項目與慕課相結合，面向社會大眾免費開展運動急救學課程在線教學，使得感興趣的社會學習者也能夠遠程參與急救知識和技能的學習，截至目前為止，一共開展4 期在線課程，累計服務13349人次，此模式可為我國應急救護普及教育實施提供一些啟示與參考。

圖1 運動急救學課程“線上線下混合式教學模式”

2.3 虛擬仿真實驗教學的實施過程

2.3.1 利用虛擬現實技術模擬運動傷害情境

該課程的虛擬仿真實驗項目共由5 個模塊組成，利用計算機進行三維建模，再現了運動猝死、小腿骨折、踝關節扭傷、頭部出血和脊柱損傷等5種不同的運動傷害場景［9］。在虛擬實驗場景中，學生扮演救護員的角色，沉浸式地體驗運動場地上進行心肺復蘇、骨折臨時固定、關節扭傷包扎、頭部止血和擔架搬運的現場急救處理過程。這種極具真實感的實驗環境和人物，富有故事性的實驗設計和內容，都大大地提升了學生的學習興趣和參與熱情。

2.3.2 借助人機交互手段參與現場急救實踐

在整個實驗過程中，學生借助人機交互手段自主學習現場急救的程序和方法，通過移動或點擊鼠標來進行評估環境、判斷傷情、尋求幫助、實施救援、及時轉運等操作，以完成救助虛擬受傷運動員的任務。并且，由于虛擬仿真實驗的教學活動均發生于網絡環境中，不受課時、場地、人數及設備的限制，學生擁有了更多的實踐機會，可以充分參與現場急救的各個環節，反復練習現場急救的基本技術，從而盡快熟悉實驗流程和操作要點。

2.3.3 通過實時反饋系統評價現場急救效果

為了提高教學效率和檢測教學效果，虛擬仿真實驗系統還配有自動評價和實時反饋功能，對學生進行實驗全程追蹤指導。在學習模式中，學生可以通過系統提供的文字、語音、圖標等信息，分步學習現場急救知識和技術，且必須操作正確才可以進入下一環節。在考核模式中，學生不再得到任何提示，需獨自完成技能測試，系統則根據同步記錄的考核情況自動評分，并針對錯誤的步驟或答案給出解析。這使得學生可以邊練習、邊調整，及時查漏補缺、糾正錯誤，進一步加深對運動急救理論知識和實踐操作的理解。

3 虛擬仿真實驗教學的優勢

3.1 真實感的學習體驗

運動意外傷害事故通常具有突發性、緊迫性和隨機性，正是這些特點使得傳統實驗教學模式無法完全滿足學生現場事件應急處理能力的培養。而虛擬仿真實驗采用現代高科技信息技術所生成的多感知交互虛擬實驗環境，不僅可以使學生獲取三維立體的視聽感受，還能夠對虛擬環境內的物體進行操作，讓學生仿佛置身于真實的運動傷害情境中，擁有更接近真實運動傷害現場急救處理的學習體驗。

3.2 交互式的學習方式

虛擬仿真實驗更加強調學習的自主性，學生不再只是被動地接受知識和簡單地模仿練習，而需要與虛擬環境中的各種對象相互作用，在實驗中不斷進行評估、決策、實施、反饋、調整，最終達成學習目標。這種人機交互的學習方式，使得教材上一些晦澀難懂的知識變得更加直觀、立體、動態，同時可以培養學生的探索精神和實踐能力。

3.3 精細化的學習指導

傳統實驗教學過程中，由于課堂上學生人數眾多，教師需要一對多地進行示范和指導，在有限的時間內難以保證每位學生都獲得足夠的、有效的學習幫助。虛擬仿真實驗系統則通過人機交互機制實現一對一的教學服務，分步指導學生完成實驗，消除時間和空間的限制，使所有學生都能得到充分、正確、標準、規范的實踐技能訓練。

3.4 即時性的學習反饋

反饋是實驗教學過程中一個非常重要的環節，直接影響著學生的學習表現和學習效果。因此，虛擬仿真實驗系統采用全程追蹤監測與實時評價方式，即每一步操作無論正確與否，系統都會給出即時的反饋，并做出相應的變化，讓學生能夠隨時發現自己的學習問題、調整自己的學習方案、看到自己的學習成效，從而充滿信心地堅持完成學習。

4 虛擬仿真實驗教學的不足

4.1 無法完全取代線下實驗

雖然虛擬仿真實驗構建了高度逼真的實訓環境，能使學生獲得身臨其境的感受，但從本質上來說，學生并沒有實際動手操作，所有操作都是借助計算機完成的。因此，對于一些難度較大、步驟較多、要求較高的急救技術，如胸外心臟按壓、人工呼吸等，學生在虛擬實驗中無法親身感受到動作的速度、力度、深度，仍需要在線下實體實驗中反復練習，才能熟練掌握動作要點，真正提高自身的運動急救實踐技能。

4.2 虛擬實驗情境過于理想

考慮到經濟成本與應用普適，該課程在第一階段虛擬仿真實驗項目建設過程中只選取了幾個較為典型的運動傷害案例進行模擬，因此仿真實驗情境相對簡單化、理想化。但現實生活中的運動傷害意外事故，情況往往更加錯綜復雜，每次事件發生的原因和地點、受傷的人數和部位、傷情的嚴重程度、環境的危險程度等都各不相同，而這些不可控因素都將會影響現場急救處理的實施與效果。

4.3 缺乏團隊合作教學活動

發生運動傷害事故時，盡量爭取周圍人群的幫助，協調組織、團結作戰，是將現場應急反應能力發揮最大限度的重要原則。在傳統線下實驗教學課堂上，教師會組織學生進行分組練習，通過情景模擬、角色扮演等方式相互協作、相互配合，共同完成救助傷員的任務，此過程中可以很好地培養學生交流溝通能力和團結合作精神。然而，虛擬仿真實驗作為一種在線學習方式，學生則不需要其他人的幫助，利用一臺計算機即可獨自完成實驗，這在一定程度上減少了師生之間、生生之間的交流機會。

5 結語

虛擬仿真實驗是信息技術與實驗教學深度融合的新興產物，它實現了情景化教學、標準化示范和智能化評估，大大提高了實驗教學的效果，但是同時也存在一定的局限性，無法完全代替傳統實驗教學。因此，在教學實踐中仍需不斷探索，始終堅持以學生發展為中心，充分發揮虛擬實驗和實體實驗的優勢，相互結合、相互補充、相互促進，才能最大限度地滿足高質量人才培養的需求。