冒小妹　顧準(zhǔn)　郁惠珍　金晨

摘 要：數(shù)字孿生系統(tǒng)可以通過建立數(shù)字模型模擬實(shí)際系統(tǒng)的行為和性能，為生物醫(yī)藥的研究和應(yīng)用提供更加準(zhǔn)確、高效的方法。隨著社會(huì)的發(fā)展、時(shí)代的更迭，數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)逐漸拓展到眾多領(lǐng)域中，例如生物醫(yī)藥領(lǐng)域。為了更好地發(fā)展生物醫(yī)藥事業(yè)，加強(qiáng)數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，探討數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，包括教學(xué)手段、教學(xué)方法和教學(xué)效果等方面，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行闡述，最后提出數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用應(yīng)注意的問題和發(fā)展趨勢(shì)，希望能為相關(guān)單位及工作人員提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生系統(tǒng)；生物醫(yī)藥類專業(yè)；教學(xué)應(yīng)用；教學(xué)手段；教學(xué)方法；教學(xué)效果

2019年5月16日，習(xí)近平總書記在給“國際人工智能與教育大會(huì)”的致賀信中強(qiáng)調(diào)中國高度重視人工智能對(duì)教育的深刻影響，鼓勵(lì)大力發(fā)展智能化、交互式在線教育模式，增強(qiáng)在線教育體驗(yàn)感，推動(dòng)線上線下教育融通。

“數(shù)字孿生”這一概念是在2011年被提出的，實(shí)際上是指通過數(shù)字化的方式創(chuàng)建實(shí)體的虛擬模型，并對(duì)物理實(shí)體的空間和時(shí)間維度進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)和動(dòng)態(tài)表征[1]。隨著我國科技領(lǐng)域事業(yè)的快速發(fā)展和數(shù)字化技術(shù)的普及，數(shù)字孿生系統(tǒng)逐漸成為一個(gè)熱門的研究方向。數(shù)字孿生系統(tǒng)可以通過建立數(shù)字模型模擬實(shí)際系統(tǒng)的行為和性能，為各項(xiàng)研究和應(yīng)用提供更加準(zhǔn)確、高效的方法，涵蓋地理學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)等理科、工科和文科領(lǐng)域[2]。當(dāng)前，數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果，例如在醫(yī)療設(shè)備優(yōu)化、手術(shù)規(guī)劃和治療方案?jìng)€(gè)性化等方面都有廣泛的應(yīng)用[3]。近年來，在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)過程中，數(shù)字孿生系統(tǒng)成為一種新型教學(xué)手段和方法。

1?數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

近年來，我國科技領(lǐng)域事業(yè)不斷邁向新的發(fā)展歷程，各種具有時(shí)代特色的科技產(chǎn)品相繼涌現(xiàn)，成為人們生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，不僅提高了人們的生活質(zhì)量與生產(chǎn)效率，還大幅提升了我國的社會(huì)生產(chǎn)力。數(shù)字技術(shù)是新時(shí)期我國大力推廣的一項(xiàng)創(chuàng)新科技。隨著數(shù)字化浪潮的興起，各種虛擬仿真技術(shù)不斷進(jìn)入人們的視野，例如虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)，還衍生出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)、全息投影（也稱虛擬成像技術(shù)）等[4-5]。傳統(tǒng)的VR技術(shù)具有實(shí)時(shí)交互和應(yīng)用廣泛的優(yōu)勢(shì)，可以營造出高度逼真的虛擬環(huán)境，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺；用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行自由操作，可以更好地探索和了解所模擬的對(duì)象。這一技術(shù)被廣泛應(yīng)用于游戲、教育、醫(yī)療等領(lǐng)域，可以滿足不同類型的需求[6-7]。但是，其局限性也比較明顯，VR技術(shù)主要適用于虛擬環(huán)境的建模和仿真，基本依賴于虛擬世界，缺乏與實(shí)物的交流。

現(xiàn)階段，我國生物醫(yī)藥類專業(yè)在教育教學(xué)事業(yè)發(fā)展過程中的“三高三難”（即高投入、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)，難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)）問題尤其突出，比如動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[8]。一是院校需要花費(fèi)大量的人力、物力購買、飼養(yǎng)和照顧實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，二是學(xué)生在動(dòng)物的解剖、給藥等操作難度大的實(shí)驗(yàn)中需要反復(fù)練習(xí)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有高標(biāo)化要求，以避免病原微生物感染等潛在的危害。普通的VR技術(shù)操作以按鍵或鼠標(biāo)點(diǎn)擊為主，而數(shù)字孿生技術(shù)可以配備與機(jī)器連接的實(shí)體動(dòng)物模型，通過真實(shí)地看、摸、做等方式實(shí)現(xiàn)學(xué)生各個(gè)感官功能的有效發(fā)揮，真正做到虛實(shí)結(jié)合、有效訓(xùn)練。

2?數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用手段

在新時(shí)期背景下，數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，加強(qiáng)數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的研究成為生物醫(yī)藥類專業(yè)教育事業(yè)未來發(fā)展歷程中的不可逆趨勢(shì)。數(shù)字孿生系統(tǒng)可以作為一種全新的教育教學(xué)手段，用于生物醫(yī)藥類專業(yè)的教學(xué)活動(dòng)中。利用數(shù)字孿生系統(tǒng)，教師可以向?qū)W生展示生物醫(yī)藥領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)以及具體過程，幫助學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)知識(shí)和技能。數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用手段主要包括以下3種。

（1）數(shù)字化仿真實(shí)驗(yàn)。數(shù)字孿生系統(tǒng)可以幫助生物醫(yī)藥類專業(yè)教育工作者在課堂教學(xué)活動(dòng)開展過程中進(jìn)行虛擬化的實(shí)驗(yàn)。在此情況下，生物醫(yī)藥類專業(yè)教育工作者可通過建立數(shù)字模型模擬實(shí)驗(yàn)過程，并向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果。學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟后，可以在系統(tǒng)中通過點(diǎn)擊、按鍵或者移動(dòng)操作界面等一系列操作，闖關(guān)式地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)、熟悉實(shí)驗(yàn)的各個(gè)流程。此部分應(yīng)用與普通的VR技術(shù)類似。

（2）虛擬手術(shù)/解剖模擬。這部分內(nèi)容是數(shù)字孿生系統(tǒng)的一大突出優(yōu)勢(shì)，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以開發(fā)出與虛擬界面連接的實(shí)物模型，教師以此模擬手術(shù)/解剖過程，并向?qū)W生展示手術(shù)過程以及操作技巧，學(xué)生也能切實(shí)提高手術(shù)操作能力和手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力。新西蘭兔是生物學(xué)中研究心血管及消化道疾病的常用動(dòng)物模型，以此為例，通過虛實(shí)結(jié)合的方式構(gòu)建新西蘭兔的生理系統(tǒng)。其中，外置的智能傳感兔全身覆蓋真實(shí)柔軟的毛發(fā)，具有仿真的肌肉組織、手感真實(shí)有彈性的仿真皮膚和完整的仿真骨骼結(jié)構(gòu)，配備真實(shí)針具用來模擬扎針、抽血操作，另有專業(yè)的三維解剖系統(tǒng)以滿足教師教學(xué)和學(xué)生訓(xùn)練對(duì)解剖的需求。

（3）智能輔助診斷。教師通過建立數(shù)字模型模擬疾病治療的過程，并向?qū)W生展示診斷過程以及診斷技巧。學(xué)生能借此深入了解疾病原理和診斷技巧，從而提高診斷能力和診斷準(zhǔn)確率。

以上3種應(yīng)用手段都可以通過數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，有效提高生物醫(yī)藥類專業(yè)教育教學(xué)活動(dòng)開展的效率和質(zhì)量。加強(qiáng)數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用不僅可以幫助相關(guān)教育工作者更好地傳授知識(shí)，還可以幫助生物醫(yī)藥類專業(yè)學(xué)生更好地掌握相關(guān)方面的知識(shí)和技能，為生物醫(yī)藥領(lǐng)域的健康穩(wěn)定發(fā)展培養(yǎng)出更多專業(yè)水平達(dá)標(biāo)的高素質(zhì)人才。

3?數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用方法

3.1? 教師演示法

生物醫(yī)藥類專業(yè)教育工作者在教學(xué)活動(dòng)開展過程中可以通過數(shù)字孿生系統(tǒng)為學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的演示并作出詳細(xì)講解，充分發(fā)揮數(shù)字孿生系統(tǒng)的可視化功能，向?qū)W生展示生物醫(yī)藥領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)和過程，幫助學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)知識(shí)和技能。以新西蘭兔系統(tǒng)的透明/可視化功能為例，該系統(tǒng)支持一鍵皮透明、骨透明、肌肉透明，漸進(jìn)式控制整體透視，模擬表皮、肌肉、骨骼、血管等全部組織結(jié)構(gòu)從微透到全透的過程變化，通過這些妙趣橫生的演示，學(xué)生能更加輕松地掌握相關(guān)方面的理論知識(shí)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，豐富學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，為學(xué)生未來的職業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2? 學(xué)生操作法

在運(yùn)用學(xué)生操作法開展生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)活動(dòng)時(shí)，教師可以在課堂上為學(xué)生分配相應(yīng)的任務(wù)，要求學(xué)生利用數(shù)字孿生系統(tǒng)開展模擬實(shí)驗(yàn)、虛擬手術(shù)模擬或者智能輔助診斷等操作，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和應(yīng)用能力。例如學(xué)生在開展兔類實(shí)驗(yàn)的過程中，可以選擇不同類型的鉗、針，用于縫合內(nèi)臟、血管、內(nèi)部組織、肌肉等部位。系統(tǒng)具有進(jìn)針路徑記錄功能，學(xué)生能更好地了解器械手術(shù)解剖點(diǎn)、插入位置。

3.3? 個(gè)性化學(xué)習(xí)法

數(shù)字孿生系統(tǒng)可以充分結(jié)合學(xué)生的不同需求和能力，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源以及學(xué)習(xí)路徑。教師可充分利用數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和人工智能功能，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并根據(jù)學(xué)生自身的特點(diǎn)以及實(shí)際需求，為學(xué)生提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源以及學(xué)習(xí)建議，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)滿意度，為后續(xù)教學(xué)工作的開展提供助力。

3.4? 團(tuán)隊(duì)合作法

在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)活動(dòng)中，教師可以將學(xué)生分成不同的小組，要求他們利用數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作以及項(xiàng)目實(shí)踐，有效提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力以及項(xiàng)目管理能力。

3.5? 小結(jié)

數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用方法可以根據(jù)具體的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生需求進(jìn)行選擇和組合，相關(guān)教育工作者也可以根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及學(xué)生反饋選擇合適的應(yīng)用方法，提高生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)效率和質(zhì)量。

4?數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用效果

4.1? 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性

數(shù)字孿生系統(tǒng)有外置的實(shí)物模型，如人體骨骼、肌肉系統(tǒng)或者實(shí)驗(yàn)鼠、兔、犬、猴模型，給學(xué)生強(qiáng)大的視覺沖擊，緩解學(xué)生對(duì)真實(shí)操作的恐懼，通過豐富的教學(xué)內(nèi)容和互動(dòng)式學(xué)習(xí)方式吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

4.2? 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量

學(xué)生通過模擬實(shí)驗(yàn)、虛擬手術(shù)和智能輔助診斷等應(yīng)用手段不斷練習(xí)，通過增加練習(xí)次數(shù)、提高操作難度和精度提高實(shí)踐能力和應(yīng)用能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量的大幅度提升。

4.3? 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力

數(shù)字孿生系統(tǒng)可以通過個(gè)性化學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作等應(yīng)用手段，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力，從而為生物醫(yī)藥領(lǐng)域的發(fā)展培養(yǎng)更多的人才。根據(jù)學(xué)生的不同需求和能力，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)建議，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生之間的互動(dòng)和交流，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力。

4.4? 提高教師的教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量

數(shù)字孿生系統(tǒng)可以為教師提供更豐富、更直觀、更準(zhǔn)確的教學(xué)資源和工具，從而提高教師的教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

5?存在的問題和挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用也面臨一些問題和挑戰(zhàn)，主要包括以下4個(gè)方面。

5.1? 技術(shù)支持不足

數(shù)字孿生系統(tǒng)需要強(qiáng)大的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支持，以保證其在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用效果。然而，目前國內(nèi)數(shù)字孿生系統(tǒng)的技術(shù)水平較低，需要加強(qiáng)研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，以更好地應(yīng)用于生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)。

5.2? 應(yīng)用場(chǎng)景單一

目前，數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景主要集中在實(shí)驗(yàn)?zāi)M和手術(shù)模擬等方面，缺乏其他方面的應(yīng)用和創(chuàng)新。因此，需要加強(qiáng)對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)的研究和探索，擴(kuò)大其應(yīng)用場(chǎng)景和領(lǐng)域，更好地支持生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)的發(fā)展。

5.3? 數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定

數(shù)字孿生系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)支持，以更好地模擬和仿真動(dòng)物體內(nèi)的生理和病理過程。然而，由于數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定，數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用效果和準(zhǔn)確性存在一定的局限性。相關(guān)人員需要加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)管，提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用效果和準(zhǔn)確性。

5.4? 人才缺乏

數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用需要具備一定的計(jì)算機(jī)技術(shù)和醫(yī)學(xué)知識(shí)，因此，需要培養(yǎng)一批具備跨學(xué)科背景和綜合能力的人才，以支持?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。

6?結(jié)語

數(shù)字孿生系統(tǒng)是一種新型教學(xué)模式，能更好地支持生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)的發(fā)展。數(shù)字孿生系統(tǒng)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力，同時(shí)可以提高教師的教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。然而，數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用也面臨一些問題和挑戰(zhàn)，需要加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和數(shù)據(jù)支持，擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)景和領(lǐng)域，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和人才培養(yǎng)水平，從而更好地支持生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)的發(fā)展。隨著技術(shù)和教育的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生系統(tǒng)在生物醫(yī)藥類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用前景會(huì)越來越廣闊。

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