數(shù)字化虛擬仿真在局部解剖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用?

張 齊 周國偉 賀毅呈 肖 冰 陳 旦 劉 晟 潘愛華 鄧小華△

(中南大學(xué), 1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)與神經(jīng)生物學(xué)系, 2 湘雅醫(yī)學(xué)院臨床五年制2014級, 3 湘雅三醫(yī)院放射科, 長沙 410013)

局部解剖學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)采用理論講授、尸體解剖操作相結(jié)合的方法,再以教科書、圖譜、模型等作為輔助,在一定時期滿足了教學(xué)的需要。但隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展,三維可視化系統(tǒng)可將CT、MRI二維圖像轉(zhuǎn)化為三維可視化圖像并應(yīng)用于臨床外科疾病的診治[1]。這種傳統(tǒng)教學(xué)法凸顯其不足： 教科書和圖譜是二維模式圖,而人體解剖需要三維空間想象力來加深對解剖概念及空間形態(tài)的記憶;其次,內(nèi)容多、課時少、尸體標(biāo)本來源困難等問題[2,3],直接影響教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)和質(zhì)量的提高。

臨床外科及影像學(xué)的快速發(fā)展,對其相關(guān)的重要基礎(chǔ)課程局部解剖學(xué)提出了新要求。自1989年起,美國、韓國、日本和我國相繼啟動了“數(shù)字人”計劃并應(yīng)用于解剖學(xué)教學(xué)中[4]。本校相繼引進(jìn)了“中國數(shù)字人系統(tǒng)”、“美國數(shù)字人系統(tǒng)”和“數(shù)字解剖臺”。將“數(shù)字化虛擬仿真系統(tǒng)”(digital virtual simulation system, DVSS)應(yīng)用于解剖學(xué)教學(xué),取得了良好的教學(xué)效果。

1 材料和方法

1.1 研究對象

2014級臨床醫(yī)學(xué)學(xué)生134人,組成4個教改班,分成2個實驗班和2個對照班。實驗班和對照班學(xué)生男、女比例、入學(xué)成績和系統(tǒng)解剖學(xué)考試成績相當(dāng)。每次授課以1個教改班為單位,即30人左右。每個班由1位教師承擔(dān)教學(xué)任務(wù)。

1.2 DVSS簡介及應(yīng)用

DVSS包括“中國數(shù)字人”、“美國數(shù)字人”和“數(shù)字解剖臺”。

“中國數(shù)字人解剖系統(tǒng)”由山東易創(chuàng)電子有限公司研發(fā),為單機版,由教師示教和學(xué)生操作相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)。該系統(tǒng)的界面分為3大區(qū)域： 斷層顯示、三維顯示、目錄及結(jié)構(gòu)說明,可以方便地使用層面選擇、縮放和平移、旋轉(zhuǎn)、透明度調(diào)節(jié)、隱藏和顯示、文字標(biāo)注、著色、邊界提取、圖像保存、區(qū)域關(guān)聯(lián)、雙屏顯示、立體顯示等功能。

“美國數(shù)字人”由美國及北京維拓啟創(chuàng)公司共同設(shè)計完成。本校于2014年引進(jìn)并投入使用。學(xué)生可通過校園網(wǎng)進(jìn)入解剖虛擬實驗室,可自主選擇實驗項目,完成虛擬實驗。老師能檢查、督促和批改學(xué)生完成的虛擬實驗;學(xué)生可以在線遞交報告,并查看成績和老師評語,與老師交流。學(xué)生可以借助軟、硬件平臺,按照中心網(wǎng)站預(yù)設(shè)的實驗項目自主學(xué)習(xí),亦可任意選擇學(xué)習(xí)目標(biāo),真正實現(xiàn)“按需學(xué)習(xí)”。比如,學(xué)生在學(xué)習(xí)垂體的局部解剖學(xué)知識時,借助“美國數(shù)字人”,可以觀察垂體的形態(tài)、位置、毗鄰,推測垂體瘤可能壓迫毗鄰結(jié)構(gòu)(前、后、兩側(cè)及下方)及出現(xiàn)相應(yīng)的臨床癥狀。

依托“數(shù)字解剖臺”,“以手代刀”,模擬完整的人體內(nèi)部、數(shù)據(jù)來源于CT、MRI 的3D圖像,處理后將2D圖轉(zhuǎn)變成真實感極強的3D圖,所有結(jié)構(gòu)展示。用手代替解剖刀具,根據(jù)需要解剖結(jié)構(gòu)。手指在屏幕上選擇圖像切面、旋轉(zhuǎn)、縮放,形態(tài)不同的圖呈現(xiàn)在面前。實現(xiàn)可視化和人機交互技術(shù)。

1.3 教改組織實施

1.3.1 課程設(shè)計

采用全國高等學(xué)校醫(yī)學(xué)規(guī)劃教材人體解剖學(xué)下冊《局部解剖學(xué)》,羅學(xué)港教授主編。開展教學(xué)前,培訓(xùn)相關(guān)教師、教輔,了解DVSS教學(xué)的背景和意義,熟悉DVSS使用方法,明確教學(xué)的具體實施步驟。組織教師集體備課,修訂原有的教學(xué)大綱和課程教學(xué)計劃,設(shè)計教學(xué)方案、測驗試卷和評估問卷。

1.3.2 課堂教學(xué)

(1) 課堂講授、實驗教學(xué) 實驗班采用新的教學(xué)模式,打破理論和實驗課界限,利用形態(tài)中心虛擬仿真實驗室DVSS,結(jié)合課件、模型、完成理論講授、標(biāo)本操作實施虛實結(jié)合的操作模式[5];本室的虛實結(jié)合操作模式的實施平臺包括解剖臺+尸體(實地解剖)、ECVH觸控學(xué)生端+美國數(shù)字人解剖系統(tǒng)(虛擬解剖)。在數(shù)字解剖互動實驗室的每一解剖臺旁設(shè)置1臺豎屏式ECVH數(shù)字人觸控解剖系統(tǒng),學(xué)生端通過剝離和透視功能能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字人體層次結(jié)構(gòu)的虛擬解剖。虛實結(jié)合操作模式的具體實施流程 流程包括先虛后實一虛實對照一化虛為實。① 先虛后實： 學(xué)生解剖尸體標(biāo)本前,利用美國數(shù)字人解剖系統(tǒng)軟件,通過反復(fù)地虛擬解剖數(shù)字人體層次結(jié)構(gòu)及各結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系,讓學(xué)生建立局部的層次概念和掌握各結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系。② 虛實對照： 學(xué)生對照虛擬的解剖層次與結(jié)構(gòu),在尸體標(biāo)本上進(jìn)行解剖,然后通過實與虛對照,將尸體標(biāo)本的解剖層次與結(jié)構(gòu)逐層、逐個地解剖暴露,以DVSS指導(dǎo)實體標(biāo)本解剖。③ 化虛為實： 尸體解剖完成后,通過虛實對比觀察解剖結(jié)構(gòu),將虛擬的解剖層次與結(jié)構(gòu)一一實化,反復(fù)進(jìn)行,直至全部掌握。而對照班則采用傳統(tǒng)教學(xué)方法,尸體解剖操作觀察模式,即教師先講授,然后學(xué)生分組進(jìn)行尸體解剖操作,在課堂、課后均未采用虛實結(jié)合操作模式教學(xué);(2) 小組討論： 圍繞與臨床應(yīng)用相關(guān)的知識點及技能操作預(yù)設(shè)問題,以小組為單位(8～10人/組)在課堂開展討論。先進(jìn)行小組討論,然后由各小組闡述解題思路和答案并由教師針對討論提出的問題進(jìn)行答疑和點評;(3) 實踐訓(xùn)練： 就課堂學(xué)習(xí)的知識點和技能操作通過DVSS實驗班學(xué)生進(jìn)行虛擬演練或在模型和標(biāo)本上進(jìn)行指導(dǎo)操作,而對照班的傳統(tǒng)教學(xué)模式?jīng)]有DVSS實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié);(4) 小測驗： 實驗班學(xué)生利用DVSS對本次課程內(nèi)容進(jìn)行測試,對照班學(xué)生,參考醫(yī)生職業(yè)考試的要求,出選擇題測試本次課程所學(xué)內(nèi)容。

1.4 效果評價

1.4.1 學(xué)生評價 對教改班學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查,并統(tǒng)計分析問卷調(diào)查結(jié)果。

1.4.2 解剖質(zhì)量評價： 納入實驗課考試成績,從層次解剖、結(jié)構(gòu)暴露、主要結(jié)構(gòu)辨認(rèn)和回答問題等4個方面對每個解剖小組進(jìn)行評價,每項分3個等級,分別得2、1、0分,最后求和得出各解剖小組的局部解剖學(xué)操作評分。

1.4.3 標(biāo)本考核及理論考試 實驗班和對照班同時進(jìn)行局部解剖學(xué)標(biāo)本及理論考試,分別占總成績的40%和60%?？荚囈笙嗤?評分標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,集體閱卷。

理論考試： 為了讓學(xué)生適應(yīng)職業(yè)醫(yī)生考試,我校從2012年開始,實施考試改革,建設(shè)題庫,將虛擬仿真解剖結(jié)構(gòu)考試數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于期末標(biāo)本考試。局部解剖學(xué)理論考試為100道選擇題,其中25%～30%為全英文題,題型有A1、A2、A3和B1型題。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 學(xué)生評價

發(fā)放問卷調(diào)查134份,收回有效問卷134份。分別從實驗可視感、提高自主學(xué)習(xí)能力、科研思維能力、動手操作能力等方面進(jìn)行評價,結(jié)果顯示大部分學(xué)生對于自身實驗水平提高的認(rèn)同度很高(見表1)。

表1 實驗班學(xué)生對數(shù)字化虛擬仿真教學(xué)模式的評價(n=67,%)

2.2 局部解剖學(xué)實驗及理論考試成績

實驗班的理論、實驗考試成績均明顯高于對照班(P<0.01),其中理論考試成績不及格率為8.6%,高分率(85分以上)為51.46%;教改班學(xué)生的總分平均成績?yōu)?83.76±9.20)分,其中不及格率為0,高分率(85分以上)為61.23%(表2)。

表2 實驗班與對照班考試成績的比較±s,分)

**P<0.01vs對照班

3 討論

結(jié)果顯示,實驗班學(xué)生局部解剖學(xué)成績明顯高于對照班,差異有統(tǒng)計學(xué)意義,且學(xué)生對教改的總體滿意度較高。與Ralf A[6]、劉光久[7]、王征[8]、聶政[9]等的教改結(jié)果相似,表明DVSS的應(yīng)用起到了對實體解剖的補充和拓展作用。

3.1 DVSS彌補了傳統(tǒng)教學(xué)的不足,提高局部解剖操作質(zhì)量

DVSS的應(yīng)用彌補了傳統(tǒng)教學(xué)模式“精確定位不準(zhǔn)、三維檢測數(shù)據(jù)和立體圖像”不足[7-9],有利于教師更系統(tǒng)直觀地闡述各個知識點,幫助學(xué)生形成全面立體的人體結(jié)構(gòu)概念,解決教科書和圖譜大部分是二維模式圖的問題。DVSS系統(tǒng)三維圖像清晰、結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)、表面紋理真實;可以從任意角度、方向、層次對某一結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖切和放大,展現(xiàn)該結(jié)構(gòu)不同截面如橫斷、冠狀和矢狀面形態(tài)特點,并清晰顯示該結(jié)構(gòu)的微小細(xì)節(jié)和毗鄰關(guān)系。點擊每個器官時,該器官顯示不同顏色,便于教師授課時確認(rèn)和學(xué)生自學(xué);點擊名詞標(biāo)點時,就顯示出該結(jié)構(gòu)的部位;在點擊每個器官或名詞時,屏幕的一角可顯示該器官或名詞的注解[6,7]和中、英文名詞對照,并有發(fā)音,有利于學(xué)生專業(yè)外語的學(xué)習(xí)。

DVSS具有可自主設(shè)計和重復(fù)操作的優(yōu)勢,教師可以根據(jù)課程內(nèi)容自主設(shè)計相應(yīng)的圖片和視頻動畫,在較短的時間內(nèi)描述清楚、使學(xué)生較快記住結(jié)構(gòu)位置并進(jìn)行三維定位,適用于教師教學(xué)。現(xiàn)國內(nèi)尸體標(biāo)本非常有限,DVSS實驗教學(xué)的應(yīng)用,模擬現(xiàn)實,多次重復(fù),不占用過多的教學(xué)資源,彌補了解剖教學(xué)尸體及標(biāo)本的局限。該系統(tǒng)的運行,彌補了資源局限。

DVSS的應(yīng)用,拓展了實驗室的空間和時限。學(xué)生可在任意時間、任意地點,通過DVSS預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)。局部解剖學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容多、課時少,課堂教學(xué)不能滿足學(xué)生的需要,學(xué)生需要利用課余時間進(jìn)行學(xué)習(xí),但又受到實驗室條件限制,DVSS的應(yīng)用,不僅幫助學(xué)生鞏固和消化所學(xué)知識,而且能解決學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的問題,更有針對性地加強自己薄弱的知識點,實現(xiàn)課后有效的人機交互,提高探索性學(xué)習(xí)能力和解決問題能力。

3.2 DVSS加強解剖學(xué)基礎(chǔ)與臨床前沿融合,提高局部解剖學(xué)教學(xué)質(zhì)量

DVSS能加強古老的解剖學(xué)基礎(chǔ)與臨床融合。DVSS中的CT、MRI圖像,可直接輔助斷層影像解剖學(xué)的教學(xué),使學(xué)生進(jìn)入臨床學(xué)習(xí)新技術(shù)如三維可視化、3D打印及3D腹腔鏡等,為診斷和治療肝、膽、胰外科疾病打下堅實的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)[4]。虛擬仿真解剖臺和虛擬仿真手術(shù)室可以進(jìn)行虛擬手術(shù),建立較好的解剖學(xué)基礎(chǔ)與臨床融合的教學(xué)方法,提高學(xué)生的實踐動手能力、自主學(xué)習(xí)、科研思維能力和創(chuàng)新能力。

DVSS的靈活應(yīng)用和熟練掌握,對教師也是新的挑戰(zhàn)。因

此,我們選拔教學(xué)經(jīng)驗豐富的教師參加了DVSS培訓(xùn);在教學(xué)過程中,組織集體備課,教師互相交流討論,集思廣益,共同制定和調(diào)整教學(xué)方案;在教學(xué)實踐中,教師觀察和指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程,積極引導(dǎo)并創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。課后,教師及時收集信息、總結(jié)分析、改進(jìn)、提高,這些有利于教師理論教學(xué)及實踐技能的提升,從而保證教學(xué)目標(biāo)的順利實施。

DVSS可以展現(xiàn)逼真的“虛擬人體”,使學(xué)生全方位、立體地了解人體結(jié)構(gòu),給予了傳統(tǒng)教學(xué)模式強有力的補充,但也不能完全替代實物標(biāo)本。因此,仍然不能放棄尸體標(biāo)本等實物的解剖操作和示教。在人體解剖學(xué)的教學(xué)中,三維數(shù)字化虛擬仿真與傳統(tǒng)尸體標(biāo)本教學(xué)模式應(yīng)相互結(jié)合,相輔相成,取長補短,更好地發(fā)揮數(shù)字化虛擬人的作用,為教學(xué)服務(wù)。