3D可視化教學(xué)資源在組織胚胎學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

李躍萍　齊亞靈　鐘南田　張彥慧　洪燈

摘 要 人體任何組織、細(xì)胞都處于三維空間中，而現(xiàn)有的組織胚胎學(xué)教學(xué)，并不能使學(xué)生建立三維空間結(jié)構(gòu)概念。隨著計(jì)算機(jī)等新興學(xué)科在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的交叉滲透，為3D可視化教學(xué)資源（3D-VTR）庫的建立提供了可能性。3D-VTR可將傳統(tǒng)二維平面的組織切片“立”起來，使其結(jié)構(gòu)、概念深刻印在學(xué)生的記憶中。3D-VTR將在形態(tài)學(xué)教學(xué)中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞 組織胚胎學(xué)；3D可視化教學(xué)資源；教學(xué)改革；電子顯微鏡

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）20-0060-02

Application of 3D Visual Resources in Teaching of Histology and Embryology//LI Yueping， QI Yaling， ZHONG Nantian， ZHANG Yanhui， HONG Deng

Abstract Any tissues and cells in human body are located at three-dimensional space. While during the present teaching process， the stu-

dents have no three-dimensional structure conception. With the cross

penetration of new emerging sciences， such as computer science， in the field of medicine， it become possible for establishment of three-dimensional visualization of teaching resources（3D-VTR）. 3D-

VTR makes the structures in traditional two-dimensional plane stand

up， and turns them into a three- dimensional visual model or teaching

tools. These structures in three-dimensional space will give a deep impression in the students memory. 3D-VTR will play a new and important role in the teaching of morphology.

Key words histology and embryology； three-dimensional visualiza-tion of teaching resources； teaching reform； electron microscope

1 前言

組織胚胎學(xué)是研究機(jī)體微細(xì)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)功能、研究人類胚胎形成和發(fā)育的一門科學(xué)，是醫(yī)學(xué)院校重要的基礎(chǔ)學(xué)科。一個好醫(yī)生，常常能夠通過病人外在的癥狀和體征，聯(lián)想到內(nèi)在形態(tài)和功能變化，從而因病施治。萬丈高樓平地起，這就要求醫(yī)學(xué)生必須打好基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)知識功底。

2 組織胚胎學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)手段現(xiàn)狀分析

組織胚胎學(xué)屬形態(tài)學(xué)范疇，常常需要借助顯微鏡甚至電子顯微鏡來觀察結(jié)構(gòu)，需記憶的名詞、概念多。在現(xiàn)有的授課環(huán)節(jié)中，無論是理論課還是實(shí)習(xí)課，以教師的課堂講授為主，看PPT、模型、數(shù)字切片或顯微鏡等教學(xué)方式為輔。一個三維平面的立體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的視、聽模式只能幫助學(xué)生建立組織的二維平面結(jié)構(gòu)，并不能營造一個立體的空間結(jié)構(gòu)觀念，學(xué)生很難在第一時間接受所學(xué)知識[1]。

如果教師沒有很好的空間結(jié)構(gòu)描述、表達(dá)能力，或?qū)W生沒有很好的立體結(jié)構(gòu)思維，很多醫(yī)學(xué)名詞、復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其演變過程將變得難以理解，且容易遺忘，這使學(xué)生對組織胚胎學(xué)望而卻步、難以徹底“吃透”，失去進(jìn)行醫(yī)學(xué)探索的興趣。而學(xué)生課后復(fù)習(xí)主要是在圖書館、自習(xí)室或?qū)嬍腋鶕?jù)教材、課堂筆記、教科書上的圖片進(jìn)行理解、復(fù)習(xí)。這種學(xué)習(xí)模式不能將教材中抽象、復(fù)雜的內(nèi)容直觀、立體地表現(xiàn)出來，制約學(xué)生對人體微細(xì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知和理解。

3 3D可視化教學(xué)資源的興起及其在教學(xué)中的應(yīng)用前景

在人類的記憶和認(rèn)知系統(tǒng)中，視覺記憶是重要的組成部分。視覺工作記憶是視覺感知和概念上的表征建立聯(lián)系的直接渠道，它能夠同時對視覺目標(biāo)不同維度的屬性（如顏色、形狀、方向、位置等）信息進(jìn)行保持[2]。視覺條件下看到的物體越接近真實(shí)，對概念和構(gòu)成的理解與記憶也就越準(zhǔn)確。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)、3D打印技術(shù)等新興學(xué)科在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的交叉滲透，對知識的理解、學(xué)術(shù)體系的構(gòu)建等方面與原來相關(guān)的各個老學(xué)科有許多不同，具有全新的發(fā)展方向和自身特點(diǎn)。信息可視化、知識可視化領(lǐng)域的應(yīng)用和拓展，教學(xué)設(shè)計(jì)研究也出現(xiàn)可視化視覺轉(zhuǎn)向[3]，可視化教學(xué)研究也提上日程。

可視化（Visualization）技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術(shù)[3]。在計(jì)算機(jī)顯示屏里看到的三維圖形，是真實(shí)三維空間的一個影印版。為了讓學(xué)生看到的圖形更接近真實(shí)世界，在制圖過程中需要利用人眼具有的近大遠(yuǎn)小的視覺特性；同時在計(jì)算機(jī)屏幕上使用不同的色彩、灰

度，使人眼能感受到物體不同面的光線強(qiáng)弱，從而使人眼產(chǎn)生對三維立體圖像的感知。

以肝臟的肝小葉結(jié)構(gòu)為例，對比二維平面和三維平面帶來的視覺沖擊。如圖1所示，A圖是普通切片下所展示的畫面，而B圖則是人體肝臟的真實(shí)形態(tài)結(jié)構(gòu)（3D圖像）。如果利用更多的如B圖一樣的3D圖像和教具來進(jìn)行教學(xué)，相信學(xué)生會對三維平面的結(jié)構(gòu)記憶更深刻。endprint

在教學(xué)工作中，3D圖像可以多角度、多層次地給學(xué)生以感官沖擊，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。3D可視化教學(xué)將在教學(xué)過程發(fā)揮與眾不同、嶄新而重要的作用。在組織胚胎學(xué)教學(xué)中，3D可視化圖像將傳統(tǒng)二維平面的組織切片“立”起來，使其結(jié)構(gòu)深深地印刻在學(xué)生的記憶中。

進(jìn)入2014年，越來越多的本科院校和高等職業(yè)院校把建設(shè)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”作為主打工作，即通過計(jì)算機(jī)而實(shí)現(xiàn)仿真、交互平臺，幫助學(xué)生獲得對抽象知識的感性認(rèn)識。這個平臺的建設(shè)近兩年被高頻率地納入教育部的一系列重要文件中。針對高校對虛擬仿真教學(xué)的普遍需求，有很多虛擬仿真教學(xué)供應(yīng)商宣布推出“3D互動教學(xué)系統(tǒng)”。曼恒數(shù)字教育銷售總監(jiān)丁永軍介紹：“3D互動教學(xué)系統(tǒng)集合了三維可視化虛擬展示和智能互動兩大功能，可以讓復(fù)雜抽象的教學(xué)內(nèi)容變得生動易懂，實(shí)現(xiàn)邊學(xué)邊模擬實(shí)踐的高效教學(xué)?！薄?D可視化互動教學(xué)系統(tǒng)”的推出，意味著3D可視化教學(xué)資源被越來越多的商家和高校所重視，成為教學(xué)改革中一個具有鮮活生命力的新方向。

3D可視化教學(xué)可克服傳統(tǒng)教學(xué)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程更加直觀化、立體化與精細(xì)化，為醫(yī)學(xué)知識的理解、認(rèn)識與研究提供三維的可視化的解決途徑。3D可視化教學(xué)資源可賦予課堂教學(xué)一種逼真的、三維的甚至可以是動態(tài)的視覺刺激，便于教師和學(xué)生用以前不可想象的手段來獲取信息，發(fā)揮自己創(chuàng)造性的思維。3D可視化教學(xué)資源能揭開人體世界的神秘面紗，用更加接近真實(shí)的方式展現(xiàn)出人體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。而人體解剖學(xué)在3D可視化教學(xué)方面已經(jīng)走在前列，并取得很好的教學(xué)效果[4]。

4 3D可視化教學(xué)資源建設(shè)目前存在的問題

目前正處于發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時期，在教學(xué)方面利用計(jì)算機(jī)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)組織學(xué)與胚胎學(xué)結(jié)構(gòu)的三維可視化應(yīng)該是可行之事。在教學(xué)工作中可利用的3D可視化教學(xué)資源，不僅包含由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及繪制的3D圖像、3D模型，還包含由臨床工作來源的胎兒鏡、胎兒三維超聲圖像、畸形胎兒標(biāo)本；另外，泥塑手工可以利用超輕黏土等材料，讓學(xué)生在課外學(xué)習(xí)中將卵泡、肌組織等簡單的結(jié)構(gòu)通過動手的方式制作出來。這些技術(shù)和手段都可以被納入3D可視化教學(xué)資源（3D Visual Teaching Resources，3D-VTR）庫中。而在3D-VTR建設(shè)中還存在下面一些問題。

可利用的3D圖像少 在國外各醫(yī)學(xué)院校網(wǎng)站上，可見大量可利用的醫(yī)學(xué)3D圖像，圖像逼真、畫面清晰，但由于版權(quán)限制，需要醫(yī)學(xué)專業(yè)人員與計(jì)算機(jī)圖像繪制人員合作，如同建立人體解剖的3D可視化系統(tǒng)一樣，共同開發(fā)更多的3D圖像用于教學(xué)。

可利用的3D模型少，缺乏專業(yè)性 目前在我國市場上可購買的組織胚胎學(xué)3D教學(xué)模型種類少，做工粗糙，專業(yè)性不強(qiáng)，色彩對比度差，實(shí)用性弱，價格昂貴，與同款國外進(jìn)口模型相比差距大，難以大批量引進(jìn)并用于教學(xué)中。

臨床資源不能很好地服務(wù)基礎(chǔ)教學(xué) 在臨床工作中獲得的大量正?；虍惓５奶簣D片，如胎兒鏡、胎兒三維超聲圖片，在用于教學(xué)過程中最好能對圖片做更好的計(jì)算機(jī)處理，一方面避免倫理學(xué)問題，另一方面使圖像更虛擬、立體，并配以文字說明，才能具有更強(qiáng)的實(shí)用性。而在實(shí)踐中，由于缺乏計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)人員的參與，使這些臨床資源不能很好地服務(wù)于基礎(chǔ)教學(xué)。

5 結(jié)語

綜上，與人體解剖學(xué)相比，組織胚胎學(xué)所研究的對象多數(shù)是肉眼不可見的，涉及組織和細(xì)胞層面，需借助顯微鏡甚至電子顯微鏡才能看到的結(jié)構(gòu)。如何將這些微小的三維結(jié)構(gòu)由解剖層面推進(jìn)到組織甚至細(xì)胞層面，并展現(xiàn)在學(xué)生面前，這將會成為組織胚胎學(xué)教學(xué)發(fā)展的一個方向。我國目前鮮有有關(guān)組織學(xué)與胚胎學(xué)的3D可視化教學(xué)論文，相關(guān)教具及圖形還很匱乏，這需要計(jì)算機(jī)圖形處理、軟件開發(fā)人員與醫(yī)學(xué)教育工作者共同努力。相信3D-VTR庫的建立將有助于學(xué)生對組織胚胎學(xué)的學(xué)習(xí)、理解，為組織胚胎學(xué)教學(xué)工作帶來革新。

參考文獻(xiàn)

[1]胡忠良.數(shù)字切片在病理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)：基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育版，2010，12（8）：834-835.

[2]Luria R， Vogel E K. Shape and color conjunction stimuli are represented as bound objects in visual working memory[J].Neuropsychologia，2011，49（6）：1632-1639.

[3]錢旭鴦.教學(xué)設(shè)計(jì)可視化研究：教學(xué)設(shè)計(jì)的視覺轉(zhuǎn)向[J].全球教育展望，2010（7）：30-35.

[4]孟凡潔，張國榮.基于可視化數(shù)字人體平臺進(jìn)行解剖學(xué)教學(xué)改革[J].中國教育技術(shù)裝備，2016（6）：14-15.endprint