原創(chuàng)性交互式三維動(dòng)畫課件在耳鼻喉科教學(xué)中的應(yīng)用

金曉峰，唐 琦，楊 華，高志強(qiáng)，姜 鴻，馮國(guó)棟，查 洋，潘 慧

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 1耳鼻咽喉科 2教育處， 北京 100730

·教學(xué)與科研·

原創(chuàng)性交互式三維動(dòng)畫課件在耳鼻喉科教學(xué)中的應(yīng)用

金曉峰1，唐 琦1，楊 華1，高志強(qiáng)1，姜 鴻1，馮國(guó)棟1，查 洋1，潘 慧2

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院1耳鼻咽喉科2教育處， 北京 100730

交互式三維動(dòng)畫；耳鼻喉科學(xué)；教學(xué)質(zhì)量評(píng)分表

耳鼻喉科解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、疾病眾多，學(xué)習(xí)難度大。耳鼻喉科解剖特點(diǎn)是洞小腔深、結(jié)構(gòu)重要、功能復(fù)雜，許多精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)，如中耳、內(nèi)耳結(jié)構(gòu)需要顯微放大才能清晰顯示；其中一些特殊結(jié)構(gòu)，如耳蝸、前庭、半規(guī)管、聽小骨等，需要準(zhǔn)確理解其三維空間相對(duì)位置，因而使老師的教學(xué)和同學(xué)的學(xué)習(xí)均有一定難度。在以往教學(xué)中，授課老師以文字描述和平面圖片為主講解耳鼻喉科復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，但同學(xué)們聽完后經(jīng)常介于似懂非懂狀態(tài)，實(shí)際教學(xué)效果受限。另外，解剖和功能密不可分，不能正確理解和掌握某個(gè)結(jié)構(gòu)的解剖知識(shí)就很難理解其生理功能及病理狀況下的致病機(jī)制。如在學(xué)習(xí)耳科重要的聽覺(jué)傳導(dǎo)通路這一部分內(nèi)容時(shí)，如何能夠?qū)訉舆f進(jìn)地講解聲音經(jīng)外耳→中耳→耳蝸→柯替器→耳蝸毛細(xì)胞→頂端纖毛擺動(dòng)→離子通道開放→神經(jīng)沖動(dòng)形成→向聽覺(jué)中樞傳導(dǎo)這一系列聽覺(jué)解剖與相關(guān)功能機(jī)制，若僅靠文字和普通圖片講解，同學(xué)們理解非常困難，進(jìn)而可能影響其學(xué)習(xí)興趣，在一定程度上導(dǎo)致醫(yī)學(xué)生對(duì)耳鼻喉科學(xué)“知難而退”。

交互式三維動(dòng)畫又稱交互式3D動(dòng)畫，是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的新興技術(shù)。三維動(dòng)畫軟件可在計(jì)算機(jī)上首先建立一個(gè)虛擬的世界，設(shè)計(jì)師在這個(gè)虛擬的三維世界中按照要表現(xiàn)的對(duì)象形狀尺寸建立模型以及場(chǎng)景，再根據(jù)要求設(shè)定模型的運(yùn)動(dòng)軌跡，虛擬攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)和其他動(dòng)畫參數(shù)，最后按要求為模型賦上特定的材質(zhì)，并打上燈光。當(dāng)這一切完成后就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)算，生成最后的畫面。交互式三維動(dòng)畫則是在此基礎(chǔ)上，加入人機(jī)交互，產(chǎn)生對(duì)操作直接反饋的動(dòng)畫形式，可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的視覺(jué)效果和身臨其境的逼真感覺(jué)。

隨著技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)的客觀需要,在保留傳統(tǒng)授課媒介優(yōu)秀內(nèi)容的同時(shí)，耳鼻喉科教學(xué)需要補(bǔ)充更加富有表現(xiàn)力的授課媒介。動(dòng)畫以其形象直觀、表現(xiàn)力豐富的特點(diǎn)不僅可以激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣,而且可以幫助他們更深刻地理解復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)和生理功能。但目前適用于耳鼻喉科教學(xué)使用的交互式三維動(dòng)畫課件非常稀缺。面對(duì)這種局面，在北京協(xié)和醫(yī)院教育處和北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院教學(xué)科研改革基金的資助和支持下，北京協(xié)和醫(yī)院耳鼻咽喉科教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)不斷努力，自主探索設(shè)計(jì)和創(chuàng)作了交互式三維動(dòng)畫課件耳科解剖部分，應(yīng)用于北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院本科生教學(xué)中，并通過(guò)設(shè)計(jì)的評(píng)分表由醫(yī)學(xué)生進(jìn)行無(wú)記名評(píng)分，以檢驗(yàn)原創(chuàng)性3D課件實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，取得了較好的教學(xué)效果。

材料和方法

交互式三維動(dòng)畫制作方法

建模：根據(jù)專業(yè)解剖書籍及既往文獻(xiàn)[1- 2]，采集耳部重要解剖結(jié)構(gòu)在空間坐標(biāo)系定位數(shù)據(jù)，確立聽小骨、耳蝸、半規(guī)管等三維空間坐標(biāo)架構(gòu)；采用建模軟件MAYA v6.5建立三維模型，包括解剖結(jié)構(gòu)和交互式結(jié)構(gòu)的制作，要求表現(xiàn)效果嚴(yán)格與實(shí)際效果一致，包括標(biāo)準(zhǔn)造型、轉(zhuǎn)面圖、結(jié)構(gòu)圖、比例圖、分解圖等，通過(guò)典型動(dòng)作設(shè)計(jì)(如幾個(gè)特定角度及旋轉(zhuǎn)展示該解剖結(jié)構(gòu)的最明確特征)，并輔以文字說(shuō)明而實(shí)現(xiàn)。

劇本編寫：根據(jù)教學(xué)內(nèi)容需要，對(duì)教學(xué)動(dòng)畫進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)，主要包括劇本創(chuàng)作、分鏡頭劇本創(chuàng)作。將想表述的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)分鏡頭劇本，將文字進(jìn)一步視覺(jué)化，包括鏡頭的類別和運(yùn)動(dòng)、構(gòu)圖和光影、運(yùn)動(dòng)方式和時(shí)間、音樂(lè)與音效等。其中每個(gè)圖畫代表一個(gè)鏡頭，文字說(shuō)明用于如鏡頭長(zhǎng)度、臺(tái)詞及動(dòng)作等內(nèi)容。

場(chǎng)景設(shè)計(jì)：場(chǎng)景是整個(gè)動(dòng)畫中景物和環(huán)境的來(lái)源，包括平面圖、結(jié)構(gòu)分解圖、色彩氣氛?qǐng)D等，通常用一幅圖表達(dá)，根據(jù)教學(xué)需要編寫。

動(dòng)畫制作：根據(jù)前期設(shè)計(jì)，在計(jì)算機(jī)中通過(guò)軟件3DMAX、AutoCAD、Maya,按照攝影原理在三維動(dòng)畫軟件中使用攝影機(jī)工具，導(dǎo)入三維模型，實(shí)現(xiàn)分鏡頭劇本設(shè)計(jì)的鏡頭效果。最后，用輻射度渲染方式進(jìn)行渲染，即根據(jù)場(chǎng)景的設(shè)置、賦予物體材質(zhì)和貼圖、燈光等，由程序繪出一幅完整的畫面或一段動(dòng)畫。

交互式設(shè)計(jì)：根據(jù)分鏡頭劇本與動(dòng)作設(shè)計(jì)，運(yùn)用已設(shè)計(jì)的造型在三維動(dòng)畫制作軟件中制作出每一個(gè)分解動(dòng)畫片段。分別導(dǎo)入Adobe Flash Professional CS 5.5軟件，通過(guò)操作關(guān)鍵幀以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作與畫面的變化，達(dá)到交互。設(shè)定動(dòng)畫的主要畫面為關(guān)鍵幀，關(guān)鍵幀之間的過(guò)渡由計(jì)算機(jī)完成。三維軟件大都將動(dòng)畫信息以動(dòng)畫曲線表示，動(dòng)畫曲線的橫軸是時(shí)間(幀)，豎軸是動(dòng)畫值，可以從動(dòng)畫曲線上看出動(dòng)畫設(shè)置的快慢急緩、上下跳躍。

后期合成：將教學(xué)所需的講解音頻及文字，按照分鏡頭劇本設(shè)計(jì)，通過(guò)非線性編輯軟件編輯，最終生成動(dòng)畫影視文件。

教學(xué)效果評(píng)分表

在廣泛采用的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)(system for evaluation of teaching qualities，SETQ)量表基礎(chǔ)上[3- 5]，參考其他量表[6- 9]，對(duì)學(xué)生進(jìn)行開放式調(diào)查采集評(píng)價(jià)指標(biāo)，精簡(jiǎn)后編制耳鼻喉科教學(xué)方法評(píng)分表(system for evaluation of otolaryngology teaching qualities, SEOTQ),共8項(xiàng)評(píng)分指標(biāo)(表1)。

課件效果評(píng)估群體

選擇北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院2010級(jí)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)耳鼻喉科學(xué)醫(yī)學(xué)生為課件效果評(píng)估群體，同時(shí)要求同學(xué)們填寫計(jì)算機(jī)知識(shí)熟練程度信息。評(píng)估測(cè)試當(dāng)天在場(chǎng)醫(yī)學(xué)生共74名。

講課方法及觀察指標(biāo)

在耳科解剖教學(xué)中，由同一位老師，在同一次講課中先后采用傳統(tǒng)二維課件和交互式三維動(dòng)畫課件進(jìn)行講解。兩種課件的文字信息內(nèi)容、老師口頭講解內(nèi)容和講述時(shí)長(zhǎng)均相同。

表 1 耳鼻喉科教學(xué)方法評(píng)分表

教學(xué)結(jié)束后，采用SEOTQ評(píng)分表，讓同學(xué)們對(duì)兩種課件、教學(xué)方式及教學(xué)效果進(jìn)行無(wú)記名評(píng)價(jià)，并對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行分析比較。

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié) 果

受試者一般資料

本研究共納入2010級(jí)臨床醫(yī)學(xué)八年制醫(yī)學(xué)生74名，其中男性30名(40.5%)，女性44名(59.5%)；年齡23～25歲。受試者教育程度全部為大學(xué)本科,學(xué)習(xí)耳鼻喉科學(xué)時(shí)間均<2個(gè)月。受試者計(jì)算機(jī)知識(shí)熟練程度統(tǒng)計(jì)資料顯示，65%受試者的計(jì)算機(jī)水平為“熟練掌握Word、PowerPoint等軟件及擴(kuò)展功能”，16%具有更加高級(jí)的計(jì)算機(jī)軟件知識(shí)，19%為“初步掌握Word、PowerPoint等軟件”(圖1)。

圖 1 受試者計(jì)算機(jī)軟件掌握程度(n=74)

耳部解剖交互式三維動(dòng)畫

根據(jù)解剖書籍及文獻(xiàn)所述耳部重要解剖結(jié)構(gòu)空間位置，最終制作出耳部解剖(第一階段)3D演示動(dòng)畫，全程伴隨語(yǔ)音解說(shuō)，并在關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)處設(shè)置人機(jī)交互(圖2～4)。

圖 2 動(dòng)畫第一部分：顳骨(深藍(lán)色，以人體面朝向觀察者為初始角度) A.軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°；B,E,F.軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°；C.軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)135°；D.軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)225°

圖 3 動(dòng)畫第二部分：中耳、內(nèi)耳三維結(jié)構(gòu) A.耳廓、外耳道軟骨部、骨部；B.中耳、內(nèi)耳結(jié)構(gòu)，海藍(lán)色顯示鼓膜；C.橙色顯示錘骨；D.黃色顯示砧骨；E.紫色顯示鐙骨；F.深藍(lán)色顯示半規(guī)管

圖 4 動(dòng)畫第三部分：雙側(cè)半規(guī)管空間位置 A.半規(guī)管在人體位置；B.A圖放大；C.B圖放大；D.C圖放大; E.軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，在側(cè)位顯示右半規(guī)管空間位置；F.軸向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)270°，在側(cè)位顯示左半規(guī)管空間位置，實(shí)線標(biāo)示水平面，虛線標(biāo)示外半規(guī)管平面，顯示外半規(guī)管向前上與水平面成25°夾角

二維及三維課件教學(xué)效果分析比較

發(fā)放SEOTQ評(píng)分表74份，回收74份，回收率100%。SEOTQ評(píng)分表統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，三維課件8項(xiàng)指標(biāo)得分全部高于二維課件，兩者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)。二維課件總體得分為(3.52±0.97)分,三維課件總體得分為(4.45±0.70)分，三維課件得分明顯高于二維課件，兩者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)(圖5)。

圖 5 內(nèi)耳解剖教學(xué)二維及三維課件教學(xué)效果比較SEOTQ:耳鼻喉科教學(xué)方法評(píng)分表； 兩組各指標(biāo)評(píng)分及總體評(píng)分比較，*P<0.001

討 論

1910年美國(guó)教育家Flexner在考察了155所醫(yī)學(xué)院后發(fā)表了著名的《Flexner報(bào)告》，該報(bào)告的可靠性和客觀性使美國(guó)醫(yī)學(xué)會(huì)(American Medical Association，AMA)決定大力改革醫(yī)學(xué)教育不足之處,認(rèn)證后關(guān)閉了一半不合格的醫(yī)學(xué)院，使美國(guó)醫(yī)學(xué)教育從學(xué)徒式培訓(xùn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐源髮W(xué)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育模式，樹立了醫(yī)學(xué)教育必須是精英教育的理念，也成為世界醫(yī)學(xué)教育改革的模范和奠基石[10]。2010年以來(lái)，研究者們總結(jié)分析一個(gè)世紀(jì)以來(lái)醫(yī)學(xué)教育改革的經(jīng)驗(yàn)，指出全球醫(yī)學(xué)教育系統(tǒng)總體上仍不適應(yīng)全球衛(wèi)生環(huán)境，并提出了一系列醫(yī)學(xué)教育改革的建議和理念[11]。隨著時(shí)代和科技的發(fā)展以及知識(shí)載體的迅速革新，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)現(xiàn)代的需要。以往教-學(xué)雙方信息不對(duì)稱的狀態(tài)現(xiàn)在甚至可能出現(xiàn)倒置。隨著網(wǎng)絡(luò)作為知識(shí)載體的爆發(fā)式擴(kuò)容和無(wú)線上網(wǎng)作為獲取知識(shí)手段的普及性，學(xué)生幾乎可以隨時(shí)隨地對(duì)感興趣或有疑問(wèn)的內(nèi)容通過(guò)搜索引擎檢索到最新和權(quán)威的知識(shí)，這對(duì)授課老師的知識(shí)儲(chǔ)備、傳授知識(shí)的載體和媒介的吸引力均提出了很高的要求。根據(jù)本研究調(diào)查表資料，81%的醫(yī)學(xué)生具有熟練的計(jì)算機(jī)常規(guī)應(yīng)用知識(shí)，對(duì)于多媒體的熟悉程度和要求也相應(yīng)較高，為此老師的授課方式需要順應(yīng)形勢(shì)及時(shí)跟進(jìn)。

耳鼻喉科學(xué)的學(xué)習(xí)從解剖開始，對(duì)耳鼻喉科三維解剖結(jié)構(gòu)的掌握是后續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。這部分內(nèi)容中很多概念所表述的空間結(jié)構(gòu)十分抽象，老師難以用語(yǔ)言描述，采用實(shí)物模型和幻燈照片演示可以達(dá)到部分效果，但均受到一定限制。原因在于實(shí)物模型展示受眾有限，不適用于大課；幻燈片所展示的平面圖形不能清楚闡釋解剖學(xué)中的三維抽象概念和生理機(jī)制,很大程度上限制了教學(xué)效果。2013年北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院對(duì)65位同學(xué)開展的解剖學(xué)學(xué)習(xí)問(wèn)卷調(diào)查顯示，56.5%的同學(xué)認(rèn)為“需要記憶的內(nèi)容太多，背不下來(lái)”, 22.6%的同學(xué)認(rèn)為“立體空間感不好，記住了也不明白解剖結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置”[12]。

從20世紀(jì)80年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,動(dòng)畫在制作流程、藝術(shù)效果上發(fā)生了革命性的變化。電腦技術(shù)不但能夠使傳統(tǒng)動(dòng)畫制作周期縮短，節(jié)約動(dòng)畫制作成本，提高效率，而且計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用將動(dòng)畫的形象和背景直接由計(jì)算機(jī)完成，使人們看到的虛擬畫面更加逼真、更加接近于現(xiàn)實(shí)自然的畫面效果。在此基礎(chǔ)上形成的交互式三維動(dòng)畫可以達(dá)到非常強(qiáng)大的表現(xiàn)效果和教學(xué)效果。

交互式動(dòng)畫所具有的人機(jī)交互、立即反饋，是其他常規(guī)教學(xué)手段所不具備的。交互式三維動(dòng)畫進(jìn)一步把動(dòng)畫所具有的視聽合一功能與計(jì)算機(jī)交互功能結(jié)合在一起，產(chǎn)生出一種新的圖文并茂的、立即反饋的人機(jī)交互方式。這樣一種交互方式對(duì)于教學(xué)過(guò)程具有重要意義，它能夠有效地激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)欲望，從而形成學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。交互性使得交互式動(dòng)畫不僅是教學(xué)的手段方法，而且可以成為優(yōu)化教學(xué)模式和教學(xué)思維的一個(gè)重要推動(dòng)力。

交互式三維動(dòng)畫提供的外部信息不是單一感官刺激，而是多種感官的綜合信息來(lái)源。這對(duì)于知識(shí)的獲取和保持，都是非常重要的。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，人類獲取的信息主要來(lái)自視覺(jué)，同等條件下視覺(jué)獲取知識(shí)的效率約是聽覺(jué)的1.2倍[13]。多媒體課件既能看得見，又能聽得見，還能用手操作，通過(guò)多種感官刺激獲取的信息量也相應(yīng)擴(kuò)大，而獲取的信息量越大可以掌握的知識(shí)量就會(huì)越大。因此，交互式三維動(dòng)畫對(duì)于知識(shí)的理解、記憶和保持都優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)效果，本課題的對(duì)比研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。耳鼻喉科解剖是教學(xué)中最大的難點(diǎn)之一，以內(nèi)耳半規(guī)管為例，半規(guī)管由三根互成90度角的半圓環(huán)組成[1]，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，通過(guò)二維圖和半規(guī)管角度數(shù)字表，抽象地理解它們之間的三維空間關(guān)系，難度較大。本研究分別采用傳統(tǒng)二維課件和交互式三維動(dòng)畫進(jìn)行相關(guān)教學(xué)，結(jié)果顯示后者教學(xué)效果明顯好于前者。

交互式三維動(dòng)畫技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)教學(xué)的重要媒介模式,但應(yīng)用時(shí)不能完全替代傳統(tǒng)媒介。三維動(dòng)畫作為輔助教學(xué)、提高質(zhì)量的手段，仍非常有必要與傳統(tǒng)多媒體教學(xué)形式有機(jī)結(jié)合，才能更恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值。三維動(dòng)畫教學(xué)應(yīng)該以現(xiàn)代教育思想、理論作指導(dǎo)，老師需要學(xué)習(xí)和掌握教學(xué)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想以指導(dǎo)自己的多媒體教學(xué)，科學(xué)地設(shè)計(jì)多媒體課件，在課堂學(xué)習(xí)中有機(jī)結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)手段與三維動(dòng)畫課件的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮多媒體形式豐富的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，并積極調(diào)動(dòng)同學(xué)的興趣。老師還需要注意平日對(duì)教學(xué)素材的積累，特別是一些生動(dòng)的場(chǎng)景，要及時(shí)捕捉住思維中的靈感和精彩要素，并恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用到三維動(dòng)畫創(chuàng)作中。

綜上，在耳鼻喉科教學(xué)領(lǐng)域，交互式三維動(dòng)畫技術(shù)的應(yīng)用空間很大，相信對(duì)于其他?？频慕虒W(xué)也有一定借鑒作用。但本研究當(dāng)前的創(chuàng)作和應(yīng)用還僅處于起步探索階段，協(xié)和耳鼻喉科教學(xué)改革和科研團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)努力，不斷完善。相信隨著計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，交互式三維動(dòng)畫在耳鼻喉科教學(xué)的應(yīng)用將會(huì)更加全面和深入。

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十二五國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAI12B00/2012BAI12B01),北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院教學(xué)科研改革基金資助項(xiàng)目(2012)

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