三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)3Dbody在系統(tǒng)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用體會(huì)*

吳天秀 符華春 蔡 潔

（廣東醫(yī)科大學(xué)，1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)教研室，2 教育技術(shù)與信息中心，3 信息工程學(xué)院，湛江 524023）

系統(tǒng)解剖學(xué)是醫(yī)學(xué)課程的重要基礎(chǔ)課。目前，解剖標(biāo)本來(lái)源不足和需求持續(xù)增加的矛盾日漸突出，在此背景下，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)走進(jìn)系統(tǒng)解剖學(xué)的實(shí)踐教學(xué)中。數(shù)字化虛擬人體（“虛擬人”）以計(jì)算機(jī)數(shù)字化操作平臺(tái)為基礎(chǔ)，將大量真實(shí)人體斷面數(shù)據(jù)信息在計(jì)算機(jī)里整合重建成人體的三維立體結(jié)構(gòu)圖像，是醫(yī)學(xué)與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的成果，可以為醫(yī)學(xué)教學(xué)提供大量斷層解剖學(xué)、系統(tǒng)解剖學(xué)、局部解剖學(xué)的教學(xué)素材[1]。為了解決解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的學(xué)時(shí)縮減，標(biāo)本來(lái)源減少，臨床需求突出等問(wèn)題，我校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了人體解剖學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室由數(shù)字（虛擬）人、多媒體系統(tǒng)和配套硬件組成。截止論文投稿時(shí)，我校將“虛擬人”應(yīng)用在多個(gè)專(zhuān)業(yè)、多個(gè)層次的解剖實(shí)踐教學(xué)中已超3年，取得一定的教學(xué)效果。為了更好的發(fā)揮充分發(fā)揮“虛擬人”的實(shí)際教學(xué)效能，本研究擬通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和成績(jī)分析，探討三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在系統(tǒng)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題和對(duì)策，深化解剖學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革。

1 對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象和分組

本校2016級(jí)臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)1班（29人）列為對(duì)照組，臨床醫(yī)學(xué)24班（30人）列為實(shí)驗(yàn)組1，臨床醫(yī)學(xué)14班（27人）列為實(shí)驗(yàn)組2（學(xué)生入校時(shí)由教務(wù)處隨機(jī)分入各班，本研究將3個(gè)班的學(xué)生以班為單位隨機(jī)分為3組）。對(duì)照組采用傳統(tǒng)多媒體教學(xué)結(jié)合解剖標(biāo)本示教，然后學(xué)生自主觀察實(shí)物標(biāo)本并行討論。實(shí)驗(yàn)組1采用虛擬仿真教學(xué)結(jié)合解剖標(biāo)本示教，學(xué)生在實(shí)物標(biāo)本和仿真教學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行觀察討論。實(shí)驗(yàn)組2采用虛擬仿真教學(xué)結(jié)合解剖標(biāo)本示教，學(xué)生在仿真教學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行觀察討論。

1.2 調(diào)研方法

3組均進(jìn)行1個(gè)學(xué)期的系統(tǒng)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)結(jié)束后，進(jìn)行理論和標(biāo)本考核，理論考試均采用同1份試卷，滿(mǎn)分100分。標(biāo)本考核采用抽簽形式進(jìn)行，總分75分。同時(shí)發(fā)放問(wèn)卷行問(wèn)卷調(diào)查。

表1 采用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3 整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容基本符合教學(xué)大綱，部分教學(xué)內(nèi)容重新設(shè)計(jì)使之與臨床應(yīng)用緊密結(jié)合。部分教學(xué)內(nèi)容改革詳見(jiàn)表1。

1.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

本校采用山東易創(chuàng)數(shù)字有限公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字人解剖系統(tǒng)V3.5（專(zhuān)業(yè)版，簡(jiǎn)稱(chēng)“數(shù)字人”），該系統(tǒng)配置了獨(dú)立的服務(wù)器，保證了資源的安全和可靠性，可實(shí)現(xiàn)100多個(gè)客戶(hù)端同時(shí)在線(xiàn)學(xué)習(xí)。高清解剖互動(dòng)錄播系統(tǒng)EC-1080P 2臺(tái)，每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室各配置3Dbody數(shù)字人解剖軟件40套。平臺(tái)所有設(shè)備都安置在中心專(zhuān)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，由專(zhuān)人管理和維護(hù)。數(shù)字人解剖系統(tǒng)具備以下幾種功能：（1）三維結(jié)構(gòu)任意觀察：包括拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、平移、縮放，能夠?qū)崿F(xiàn)仰視、俯視等觀察效果；（2）多種實(shí)用功能：透明度調(diào)節(jié)、手動(dòng)分離、自動(dòng)分離、查找、立體顯示、染色隨手畫(huà)，等；（3）人體斷層瀏覽：可通過(guò)拖動(dòng)橫、矢、冠3個(gè)方向的虛擬切面對(duì)三維模型進(jìn)行切割，得到任意位置的斷面圖像，能夠任意放大、縮小、平移等，可保存截圖；（4）二維斷層結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)同步定位：在3個(gè)斷層截面中點(diǎn)擊任意解剖結(jié)構(gòu)，可以快速定位到相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)。

1.5 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料

包括根據(jù)教學(xué)大綱準(zhǔn)備的各個(gè)系統(tǒng)實(shí)物標(biāo)本、封瓶標(biāo)本、教學(xué)模型和掛圖。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料采用±s表示，組間比較采用方差分析；方差分析后的兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料以頻數(shù)和百分比表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生成績(jī)的影響

對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2的理論考核成績(jī)依次為79.5±9.5、89.4±10.8、80.1±8.2，3組間理論考核成績(jī)有差異（P＜0.01）：實(shí)驗(yàn)組1的理論考核成績(jī)高于對(duì)照組（P＜0.01），實(shí)驗(yàn)組2的理論考核成績(jī)與對(duì)照組無(wú)差異（P＞0.05）；實(shí)驗(yàn)組2的理論考核成績(jī)低于實(shí)驗(yàn)組1（P＜0.01）。

對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2的實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)依次為62.5±6.5、71.5±5.5、58.5±4.5，3組間實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)有差異（P＜0.01）：實(shí)驗(yàn)組1的實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)高于對(duì)照組（P＜0.01），實(shí)驗(yàn)組2的實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)低于對(duì)照組（P＜0.05）。實(shí)驗(yàn)組2的實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)低于實(shí)驗(yàn)組1（P＜0.01）。

2.2 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用教學(xué)反饋

教學(xué)結(jié)束后，對(duì)學(xué)生采取了問(wèn)卷調(diào)查，共計(jì)發(fā)放問(wèn)卷86份，回收問(wèn)卷86份，本研究將實(shí)驗(yàn)組（共計(jì)57份）問(wèn)卷納入統(tǒng)計(jì)分析。問(wèn)卷圍繞虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)（虛擬人）在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，獲得相關(guān)的教學(xué)反饋。問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果詳見(jiàn)表2。

3 討論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室主要指在各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通過(guò)采用多種虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)者能夠在接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3]，具有交互性，真實(shí)性等特點(diǎn)[4]。“虛擬人”即全數(shù)字化的人體結(jié)構(gòu)三維模型[5]。本校將山東易創(chuàng)公司的《中國(guó)數(shù)字人解剖系統(tǒng)》軟件應(yīng)用于人體解剖教學(xué)實(shí)踐中，易創(chuàng)選取第三軍醫(yī)大學(xué)人體斷面解剖學(xué)課題組的真實(shí)人體斷層數(shù)據(jù)，已被國(guó)內(nèi)多所知名學(xué)校選中用于解剖學(xué)教學(xué)[6]。本研究擬通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和成績(jī)分析，探討“虛擬人”在實(shí)踐教學(xué)中的利弊。

表2 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)（虛擬人）在系統(tǒng)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果（%）

3.1 “虛擬人”在系統(tǒng)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)。

在傳統(tǒng)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，福爾馬林氣味的刺激性是每個(gè)參與者無(wú)法回避的難題，醫(yī)學(xué)新生由此容易產(chǎn)生消極情緒和畏難心理[7]，“虛擬人”的使用則回避了該難題。目前醫(yī)學(xué)院校由于招生人數(shù)不斷增加，標(biāo)本損耗比較大。特別是神經(jīng)系統(tǒng)方面的標(biāo)本，制作難度大、結(jié)構(gòu)脆弱，標(biāo)本很容易受到破壞。而“虛擬人”配可在三維結(jié)構(gòu)上針對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)反復(fù)觀察，極大的節(jié)約標(biāo)本資源，這解決了解剖實(shí)物標(biāo)本來(lái)源不足的困境?！疤摂M人”配置了獨(dú)立的服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)學(xué)生課后在線(xiàn)學(xué)習(xí)，消除了學(xué)生學(xué)習(xí)人體解剖學(xué)上的時(shí)間和空間上的限制。文獻(xiàn)顯示，大部分醫(yī)學(xué)院的系統(tǒng)解剖學(xué)學(xué)時(shí)不足[8]，即解剖教育面臨著教學(xué)學(xué)時(shí)不斷縮減的情況，然而影像學(xué)和內(nèi)鏡成像等其他侵入性或非侵入性的醫(yī)療技術(shù)需求的不斷增長(zhǎng)[9]?！疤摂M人”的出現(xiàn)則提供了新思路和新方法，它還可針對(duì)細(xì)小部位隨意切換，對(duì)觀察對(duì)象進(jìn)行放大、旋轉(zhuǎn)和平移。這些技術(shù)優(yōu)點(diǎn)都有利于臨床教學(xué)。簡(jiǎn)而言之，數(shù)字化虛擬人體不但立體直觀，更使得解剖操作延伸到課堂之外，豐富了教學(xué)資源，提高教學(xué)效率。

3.2 “虛擬人”在實(shí)際教學(xué)中的弊端，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)組織提出了新要求。

目前市面上已有不少類(lèi)似“虛擬人”APP使用軟件，結(jié)果顯示，大部分學(xué)生曾經(jīng)接觸過(guò)類(lèi)似的“虛擬人”三維解剖軟件。這就對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新挑戰(zhàn)，課堂上教師不能再單純將“虛擬人”作為一個(gè)三維立體圖譜講解，必須針對(duì)該教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行新的教學(xué)模式設(shè)計(jì)，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革。面對(duì)“虛擬人”的引進(jìn)，學(xué)習(xí)者需要充分的專(zhuān)業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備，才能充分發(fā)揮其作用。虛擬技術(shù)應(yīng)用于臨床外科教學(xué)已有先例[10-11]，因此，本課題組基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化人體的平臺(tái)，整合和精選實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)講解以往的教學(xué)難點(diǎn)（如肝段，鼻旁竇的位置和開(kāi)口），增加了部分臨床應(yīng)用的解剖知識(shí)點(diǎn)，如顳耳的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其在手術(shù)中的應(yīng)用。同時(shí)，教學(xué)設(shè)計(jì)上也必須做出相應(yīng)的改變。在實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的2組中，超過(guò)半數(shù)的學(xué)生認(rèn)為“觀察實(shí)物標(biāo)本后再進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)”的教學(xué)安排效果更佳。以上結(jié)果說(shuō)明，“虛擬人”并非實(shí)物，我們?nèi)圆荒芊艞墏鹘y(tǒng)標(biāo)本教學(xué)。究其原因，學(xué)習(xí)環(huán)境的改變也導(dǎo)致了參與學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)的改變。特別是針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容，教師應(yīng)該如何處理好傳統(tǒng)的標(biāo)本觀察和“虛擬人”學(xué)習(xí)的時(shí)間安排；如果將“虛擬人”的觀察安排在課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，如何針對(duì)性的指導(dǎo)學(xué)生觀察，都需要教師不斷的細(xì)化各項(xiàng)注意事項(xiàng)。

綜上所述，經(jīng)過(guò)改革教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，使得“虛擬人”成為傳統(tǒng)教學(xué)有效的補(bǔ)充。我們應(yīng)該將虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)模式相互結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到“虛實(shí)結(jié)合”。在目前虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)展過(guò)程中，如何就后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和梳理，使之反饋于教學(xué)，是目前虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中薄弱的環(huán)節(jié)，需要提升教師對(duì)操作系統(tǒng)的掌握，也是我們今后工作的努力方向。