【最佳实践】基于知识图谱和虚拟仿真的医学教育数字化

【摘要】

党的二十大首次将“推进教育数字化”写进党代会报告，教育数字化转型已成为当前教育改革发展的首要任务，同时也为医学教育变革提供了机遇。本团队基于知识图谱和虚拟仿真等数字技术，以战略性新兴领域“十四五”规划教材建设为抓手，开设《认识新型冠状病毒》教育部重点教学资源示范课程和《BSL-2实验室中的流感病毒分离鉴定》国家虚拟仿真实验教学一流课程，推动课程模式及课程资源的多元化建设，并基于实验课程进行学生综合能力评价的能力图谱建设探索，创新对学生能力素质的测评方式，为推进医学教育数字化转型奠定基础。我们的教育数字化——从理论到医学教育实践已取得多项推广成果。

随着数字技术的飞速发展，教育数字化转型已成为高等教育生存与发展的必选项。不久前教育部印发《基础教育课程教学改革深化行动方案》中强调“推进数字化赋能教学质量提升”，可见推动教育数字化转型、切实提高教学质量，培养数字时代专业人才已成为当前教育改革发展的首要任务。教育数字化为教育带来了巨大的变革和机遇，其中新型教材建设、课程模式及课程资源重塑、教师队伍发展等都是高质量教育体系建设的重要内容。知识图谱（knowledge graph，KG）是目前教育等专业领域中发展最快、应用最广的一种知识表达和数字化处理人工智能技术，是一种基于语义的表示方法，可以将事物组织成一张图谱，通过节点（实体）和边（实体之间的关系）的结构，揭示实体事物之间的相互关系和内在规律。KG利用可视化的图谱，形象地展示特定领域知识的核心结构、发展历史、前沿领域及整体知识架构。数字技术和数据资源为核心的数字要素是深入推进教育数字化转型的关键，而KG做为数字化技术的重要工具之一，在教育数字化过程中起重要推动作用。本团队基于KG等数字技术，以教材建设为抓手，推动课程模式及课程资源多元化、多样化，并基于实验课程进行学生综合能力评价的能力图谱建设探索，为实现数字教学新生态奠定基础。本团队在以下方面进行了探索及实践。

一、新型教材建设推动教育数字化的实践

新型教材是建立在数字教材基础上的教材新类型，以其便捷性、富媒体性、个性化、开放性、交互性及高效传播等特点，通过数字赋能突破传统教材的局限，成为教育数字化转型的重要支撑。新型教材的开发与使用是建设教育强国的关键环节，是落实国家教育方针的载体，体现了服务于信息时代“数字原住民”的全新教育理念，承载着培养数字化社会需要人才的时代使命。

新型教材是传统纸版教材与现代数字化技术相融合的产物，既继承了传统教材的科学性、严谨性，又因借助先进的数字化技术而呈现出不同于传统教材的信息化特点。数字教材可以看成是以课程教学知识内容为基础，以富媒体数字元素呈现，依据教学活动需要整合各类学习交互、学习工具等要素，并按一定标准封装正式出版，通过互联网传播的用于课程教学的电子图书。现有的数字教材基本可归为3类：电子文本型、融媒体型及大规模开放在线型。

团队通过调研总结出新型数字教材的优势及特点，应具有但不限于： 

富媒体呈现　新型数字教材可克服传统纸质教材的限制，通过视频、虚拟仿真的形式为学习者做出沉浸式、形象化、立体化的呈现，实现教学内容的“情景化”和“形象化”。

个性化订制　新型数字教材依托的平台可以收集学习者的个性化学习数据， 进行全面分析和评估，以了解每位学习者的特点和需求，定制符合个人学习兴趣和需求的教学信息。这种利用数字化特点针对不同层次、不同学习目的使用者编写的“私人订制”教材，可满足不同个体的需求，实现“因材施教”。

交互性　学习者可以利用数字教材提供的多种形式进行学习、提交作业、自测，还可根据学习者的学习反馈，随时增设一系列新的学习体验。同时可以根据学习者的学习进度提供实训练习或操作，帮助学习者分析学习效果、列出不足。此外，还可提供多种直接、间接的交流，实现师生互动、学习者之间的互动交流。覆盖教学全过程　新型数字教材基于数字平台，将教学内容和教学活动一体化，涵盖教、学、练、测、评等核心教学环节。

快速更新及高效传播 2020年新型冠状病毒（SARS-CoV-2）在全球肆虐， 但《医学微生物学》教材中没有相关知识也无法即时更新，无知加重了社会的恐慌。数字化教材没有传统图书的出版周期问题，可随时更新。因其基于互联网，具有传播范围广、速度快的特点，学习者可在第一时间获得所需的专业知识。数字教材的这些特点使得学习者更易及时获得最新、最佳教材，同时推进资源共享和教育公平。

图1 目前已启动的新型教材

基于对新型教材的系列研究，团队提出新型教材的建设方案，即融合KG和虚拟仿真实验项目，利用富媒体技术打造突破传统教材内容及篇幅、学制及专业、可动态更新和开放性的数字教材。其中彭宜红教授作为主编之一的战略性新兴领域“十四五”规划教材《医学病毒学》和《医学病毒学实验》（科学出版社），及“101” 计划核心教材《病原生物与免疫学基础》（北京大学医学出版社），教材编写启动会已召开，与出版社一起打造适应于教育数字化转型的国家级新型教材。同时，团队根据学习反馈，在数字平台构建数字化《人体寄生虫学病例库》，创建基于KG的学习资源（图1）。

 二、课程资源建设推动医学教育实现“质量革命”

2020年教育部启动部分领域教学资源建设，分年度在部分重点领域建设优质教学资源库，探索“新工科、新医科、新农科、新文科”建设理念下教学资源建设新路径和人才培养模式。彭宜红教授作为教育部重点领域教学资源及新型教材建设专家组专家，带领本团队在病毒学领域教学资源共享服务平台（https://virology.spacekg.com）建设了两门与疫情密切相关的示范课程（图2），在教学过程中应用 KG，全面分解知识体系层次结构，明确学习目标和路径，及时提高教学及学习质量。同时作为过程性评价的重要环节及终结性评价的组成部分，优化了课程评估的结构，经过多轮教学实践，受到学习者的普遍欢迎。此外，教师在教学同时，利用相关平台可实现“教学资源系统化，学习反馈可视化，学习管理智能化”的转变，借此推动医学教育的“质量革命”。

图2 基于知识图谱的课程设计

三、利用虚拟仿真呈现实景教学

虚拟仿真通过计算机技术和虚拟现实技术，模拟真实环境和场景，为学习者提供更加真实、生动、直观的学习体验和实践操作，多感官的沉浸式学习有助于提高学习者的理解力和学习效果。利用这种技术，学习者足不出户就可“亲临现场”，并能实际动手完成一些诸如实验室诊断之类的操作（图3）。本团队建立的国家虚拟仿真实验教学一流课程《BSL-2实验室中的流感病毒分离鉴定》可以避免因生物安全问题所致的操作限制和危险，不仅如此，学习者还可反复进行操作和实践，提高实际动手能力，这种实验教学形式符合现阶段学习者的学习习惯， 课程反馈满意度极高。

图3 虚拟仿真呈现的教学实景

四、能力图谱建设助推高质量人才输出

能力图谱即包含学习者能力评价的KG。利用KG的底层原理，将每个知识点（“实体”）中蕴含的相关能力要素（“实体的属性”）进行匹配并标识，将能力要素评价体系融入KG的基本单元（点和线）中，即点和线中包含学科知识及与知识相匹配的多维度能力评价要素，并结合完成实验过程的试错及解决问题等过程指标，完成基于实践课程能力培养的能力图谱建设，运用海量数据形成学习者能力画像，推动教学评价科学化、个性化，落实因材施教的技术手段和具体参数。在能力图谱的基础上，建立混合式教学平台，推动教学范式创新。

例如，本团队在国家虚拟仿真实验教学一流课程《BSL-2实验室中的流感病毒分离鉴定》的中级KG 基础上，学习者通过问题引导、自主学习和思考，自主设计与实践，发展高层次思维能力，实现从不思到寻思、从浅思到深思、从顺思到反思的蜕变。在基于能力维度的高级KG创建中，不断充实实践教学资源库， 使 KG 为基调的课程建设趋于完善，从而真正体现教、学、实践一体化（图4）。能力要素体系的建立将从核心能力目标、过程与方法目标及情感态度与价值观目标入手，梳理出与KG框架匹配的能力要素评价要点，与KG整合对接形成相应的能力图谱。此外，图谱可以跟教学资源（教材、试题、教学视频，试卷等）构建关联， 进而通过用户信息和学习记录， 建立知识点与用户之间的关联，更加精准地刻画学习者知识掌握情况，更加准确地刻画资源，从而实现对用户精准的学情及能力养成的研判。

图4 基于流感病毒虚拟仿真实验的能力图谱建设

五、已取得的推广成果

1.新型教材建设：①战略性新兴领域“十四五” 规划教材：《医学病毒学》 和《医学病毒学实验》（科学出版社）；②“101计划”核心教材：《病原生物与医学免疫基础》（北京大学医学出版社）；③基于 KG的人体寄生虫学病例库建设。

2. 教育部重点教学资源病毒学领域示范课程：《认识新型冠状病毒》系列微课在病毒学领域教学资源共享服务平台（https：//virology.spacekg.com）上线， 作为该领域的示范课程被推荐申报第三批国家一流课程。

3. 建设国家虚拟仿真实验教学一流课程《BSL-2实验室中的流感病毒分离鉴定》（2020年）。

4. 研究课题“基于实践能力培养的医学病毒学能力图谱的建设” 已纳入国家虚拟仿真联盟基础医学专委会2023年工作计划（图5）。 

图5 国家虚拟仿真联盟基础医学专委会2023年工作计划摘要

5. 获批两项相关研究经费资助：①教育部产学合作协同育人项目《基于知识图谱的医学病毒学实验课程体系建设》，课题负责人彭宜红（图6）；②北京大学本科教改项目（2023 年）：医学病毒学数字教材建设方案研究， 课题负责人彭宜红，贾默稚。

图6 教育部产学合作协同育人项目立项

6. 受全国医学教育发展中心、全国医学院校教师教学发展联盟邀请，彭宜红教授联合复旦大学、协和医学院、教育部重点教学资源管理办公室等专家，承办第14期医教争鸣教师教学研讨活动（图7），受到全国医学院校教师及管理者的广泛关注和好评。

图7 第十四期医教争鸣教师教学研讨活动

参考文献

［1］ 李林，林巍，陈叶，夏长青，陈镇鑫. 对数字教材建设的认识与思考. 中国编辑. 2021（5）. 58-61.

［2］ 曾斌，刘海溧.我国数字教材建设与应用的路径探析.科技与出版.2023（2）. 62-68.

［3］王利永.新时期高等学校数字化教材开发现状及必要性刍议.传播与版权. 2020（3）.116-118.