淺析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在正常人體解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

鐘占瓊，姜岑，謝璐霜，易曉紅

（成都中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，四川 成都 611137）

人體解剖學(xué)在醫(yī)學(xué)教育中具有重要地位，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是《正常人體解剖學(xué)》課程的重要組成部分，尸體解剖則是加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。人體尸體標(biāo)本成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可或缺的材料。近年來(lái)，隨著招生人數(shù)的不斷擴(kuò)大，人體尸體標(biāo)本出現(xiàn)嚴(yán)重短缺的現(xiàn)象，且影響到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，雖然人體、器官捐獻(xiàn)工作，在一定程度上能緩解尸源不足的問題，但距離實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要仍相距較遠(yuǎn)。

虛擬仿真是以計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)碼仿真技術(shù)為核心建立的視、聽虛擬環(huán)境的高科技術(shù)。在計(jì)算機(jī)環(huán)境中建立的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境使實(shí)驗(yàn)者可以運(yùn)用虛擬的實(shí)驗(yàn)器械或設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)對(duì)象上進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目練習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮巨大的作用，通過虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感、立體感、多媒體性、多通道性，在無(wú)真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下，滿足學(xué)生們逼真、身臨其境做實(shí)驗(yàn)的需求，學(xué)生通過對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的反復(fù)多次模擬操作，加強(qiáng)學(xué)生們的能動(dòng)性和對(duì)知識(shí)的理解力，使學(xué)生掌握基本操作技能和運(yùn)用知識(shí)的能力，可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料、節(jié)省時(shí)間、避免受實(shí)驗(yàn)條件的限制、避免實(shí)驗(yàn)室污染等問題[1-2]。基于計(jì)算機(jī)資源的虛擬仿真技術(shù)雖然具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是，研究表明在對(duì)不同組別的學(xué)生采用傳統(tǒng)方式，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)資源沒有使用尸體解剖，或者傳統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合兩種方式完成解剖學(xué)課程，在通過考試和成績(jī)方面的結(jié)果顯示傳統(tǒng)的教學(xué)小組較技術(shù)支持的小組取得更好的成績(jī)，而采用兩種模式相結(jié)合組的成績(jī)優(yōu)于其他組[3]。因此，即使計(jì)算機(jī)改進(jìn)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)新的領(lǐng)域，為學(xué)生提供許多方式以促進(jìn)他們對(duì)圖像結(jié)構(gòu)的處理，但距離替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然存在距離。

為進(jìn)一步探究當(dāng)前的虛擬仿真技術(shù)是否能夠達(dá)到替代或促進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本研究選取由同一位教師授課的同一個(gè)班級(jí)，采用兩種不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，研究現(xiàn)階段虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 成都中醫(yī)藥大學(xué)2018 級(jí)眼視光學(xué)專業(yè)學(xué)生，總?cè)藬?shù)59 人，男生19 人、女生40 人；年齡19～21 歲。隨機(jī)分成對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組同學(xué)由同一老師采用多媒體授課、結(jié)合尸體實(shí)物標(biāo)本，掛圖及模型的傳統(tǒng)教學(xué)方法講解。兩組同學(xué)教材相同，學(xué)時(shí)相同，為104 課時(shí)，其中，理論課68課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課36課時(shí)。但是，實(shí)驗(yàn)組同學(xué)要求每次實(shí)驗(yàn)課前、課中或課后使用3D body或者虛擬解剖系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照學(xué)習(xí)，任何疑問教師及時(shí)解答。

1.3 教學(xué)內(nèi)容 按教學(xué)進(jìn)度、教學(xué)大綱要求授完《正常人體解剖學(xué)》（全國(guó)中醫(yī)藥出版社，紹水金主編，第2版）內(nèi)容進(jìn)行期末成績(jī)匯總分析。

1.4 考核 期末理論采用人機(jī)對(duì)話考試，系統(tǒng)導(dǎo)入試題，分別有單項(xiàng)選擇題，多項(xiàng)選擇題、判斷題，每題1分；填圖題、填空題每空1 分；名詞解釋，每題3 分；簡(jiǎn)答題，每題5 分；論述題，每題8分。滿分100分，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)隨機(jī)組卷，最后對(duì)卷面的每一個(gè)題型進(jìn)行全面分析，同時(shí)對(duì)該班學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查。實(shí)驗(yàn)教學(xué)考試采用標(biāo)本辨認(rèn)實(shí)作考試。

1.5 問卷調(diào)查 課程結(jié)束完成考核后對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，分別從激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)對(duì)知識(shí)的理解和掌握、促進(jìn)基礎(chǔ)與臨床的聯(lián)系等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果

2.1 考核成績(jī) 實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)成績(jī)高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），實(shí)驗(yàn)組綜合成績(jī)高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），見表1。

表1 兩組各測(cè)試平均成績(jī)比較（，分）

表1 兩組各測(cè)試平均成績(jī)比較（，分）

綜合成績(jī)70.88±19.93 57.75±12.01 0.003 0組別實(shí)驗(yàn)組對(duì)照組P值實(shí)驗(yàn)成績(jī)95.32±3.24 87.08±9.66 0.000 2

2.2 問卷調(diào)查 通過手機(jī)客戶端發(fā)起問卷調(diào)查，收回有效問卷58份，虛擬軟件認(rèn)同度調(diào)查分別從實(shí)驗(yàn)可視感、與臨床的緊密聯(lián)系、學(xué)習(xí)興趣、團(tuán)隊(duì)協(xié)助能力、自主學(xué)習(xí)能力、科研能力和動(dòng)手能力等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)可視感、自主學(xué)習(xí)能力、科研能力、與臨床緊密聯(lián)系、提高學(xué)習(xí)興趣等方面認(rèn)同度（完全同意和基本同意）超過80%，而在團(tuán)隊(duì)協(xié)助能力和動(dòng)手能力上則認(rèn)同度僅有60%，見表2。

表2 學(xué)生對(duì)虛擬仿真教學(xué)模式的評(píng)價(jià)[n（%）]

對(duì)教學(xué)和學(xué)習(xí)的過程中使用的虛擬軟件優(yōu)缺點(diǎn)調(diào)查顯示，在虛擬軟件的優(yōu)點(diǎn)中，可以不限地點(diǎn)和時(shí)間使用、理解組織或器官的層次結(jié)構(gòu)以及便捷的操作方式優(yōu)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方式超過60%，見圖1；但是在部分組織器官與實(shí)物的差異、部分解剖結(jié)構(gòu)的展示不清楚和不利于動(dòng)手能力培養(yǎng)等缺點(diǎn)超過60%，見圖2。

圖1 解剖學(xué)虛擬軟件的優(yōu)點(diǎn)

圖2 解剖學(xué)虛擬軟件的缺點(diǎn)

3 討論

正常人體解剖學(xué)是一門研究正常人體形態(tài)和結(jié)構(gòu)的科學(xué)，是醫(yī)學(xué)專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程通常是在大學(xué)一年新生剛?cè)雽W(xué)第一學(xué)期開設(shè)，大部分學(xué)生還未適應(yīng)大學(xué)的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式，而人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專業(yè)名詞數(shù)量龐大，在傳統(tǒng)的教學(xué)中多采用教材、模型以及結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)標(biāo)本進(jìn)行，使得教學(xué)效果不良。當(dāng)前，人體解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是剖解和肉眼觀察，從而加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有時(shí)間、地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的局限性，對(duì)于非臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生更是欠缺[4]。因此，需要一種可以有效提高教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)方式。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，3D 模型、全息表示法、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件、Google 眼鏡、生物打印、虛擬現(xiàn)實(shí)和相關(guān)技術(shù)等新技術(shù)在醫(yī)學(xué)發(fā)展中的作用具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。虛擬技術(shù)運(yùn)用于各行各業(yè)已日趨明顯，這也使得虛擬軟件在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛。通過虛擬現(xiàn)實(shí)軟件教會(huì)醫(yī)學(xué)和其他衛(wèi)生專業(yè)的學(xué)生同情老年人，使他們能夠模擬與年齡相關(guān)的疾病，例如黃斑變性和高頻聽力喪失，這種虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式訓(xùn)練醫(yī)學(xué)生熟悉老年人的健康[6]。此外，借助虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)生成的交互式環(huán)境，個(gè)人可以反復(fù)體驗(yàn)其遇到的問題，并通過基于此證據(jù)的心理治療學(xué)習(xí)如何克服困難，結(jié)果顯示虛擬現(xiàn)實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)的能力可以大大增加患者獲得心理療法的機(jī)會(huì)和增強(qiáng)治療效果[7]。

虛擬仿真技術(shù)輔助課堂教學(xué)具有明顯優(yōu)勢(shì)，能顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性，提高教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，改革實(shí)施多樣化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊[8-9]。虛擬仿真技術(shù)也運(yùn)用于各個(gè)學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐中，如在醫(yī)學(xué)微生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)照組采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，觀察組采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，將虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合，觀察組實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)、教學(xué)滿意度優(yōu)于對(duì)照組[10]。此外還有生理學(xué)、病理生理學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)等多學(xué)科教學(xué)中。虛擬仿真在解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，更是起舉足輕重的作用。盡管尸體是醫(yī)學(xué)類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)解剖學(xué)的金標(biāo)準(zhǔn)，但是尸體標(biāo)本在財(cái)務(wù)，道德和管理上均有很大的限制。此外，盡管解剖學(xué)仍然是醫(yī)學(xué)教育的基本領(lǐng)域之一，但現(xiàn)在高校已經(jīng)減少分配給解剖學(xué)教學(xué)的總體時(shí)間，以便支持臨床工作應(yīng)用。虛擬解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以提高醫(yī)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，節(jié)約尸體標(biāo)本，緩解標(biāo)本總體的供應(yīng)不足，此外，也可以提高基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量，提升教師的教學(xué)能力，進(jìn)一步提高教學(xué)水平[11]。

虛擬仿真技術(shù)作為搭載手機(jī)或電腦終端的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以完整地展示人體內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，如骨骼、血管、肌肉等的不同形態(tài)，并可以逐層的添加組織、器官等，以三維立體的形式展現(xiàn)機(jī)體的形狀、位置及器官間的相互空間關(guān)系等。例如，3D body軟件可以在手機(jī)終端安裝，內(nèi)容包括系統(tǒng)解剖學(xué)和局部解剖學(xué)，可獨(dú)立查看男性和女性兩套模型，具有文字描述信息；可以根據(jù)板塊添加需要查看的內(nèi)容，如頭頸部，在此板塊上可以單獨(dú)查看骨骼，而骨連接、循環(huán)、神經(jīng)、消化、呼吸、肌肉等可以通過點(diǎn)擊按鈕添加，有不同的顏色加以標(biāo)注，整個(gè)模型可以按照需求任意角度旋轉(zhuǎn)顯示；此外，還有放大、縮小、隱藏、透明等功能。3D多媒體內(nèi)容信息量大、功能強(qiáng)大，在解剖教學(xué)中結(jié)合專業(yè)要求、開展教學(xué)實(shí)踐，顯著提高學(xué)生成績(jī)[12]。其他虛擬仿真軟件數(shù)據(jù)庫(kù)，如Primal互動(dòng)3D解剖學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)可以逐層剝離解剖模型，顯示關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的3D動(dòng)畫，內(nèi)嵌學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題等功能；中國(guó)數(shù)字人解剖系統(tǒng)（ECDH）有男、女兩套真實(shí)、完整人體斷層圖像，可以實(shí)現(xiàn)分離、顯示、輪廓示意（透明化）、染色、逐層剝離、任意角度旋轉(zhuǎn)、隨手畫等功能[13]。心臟解剖學(xué)部分由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)于初學(xué)者而言是難以掌握的內(nèi)容之一。在對(duì)學(xué)生使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)干預(yù)前后進(jìn)行相關(guān)問題測(cè)試，結(jié)果顯示，干預(yù)后測(cè)試平均得分高于干預(yù)前，且與對(duì)照組比較，接觸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)生得分較高[14]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使學(xué)習(xí)者能夠與心臟的解剖學(xué)進(jìn)行三維互動(dòng)，具有可行性和有效性。

本研究結(jié)果顯示，有效結(jié)合虛擬軟件3D body和傳統(tǒng)標(biāo)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，能有效改善學(xué)生的綜合成績(jī)和實(shí)驗(yàn)考試成績(jī)，因此，與以往研究結(jié)果一致。通過問卷調(diào)查的結(jié)果虛擬軟件可以不限地點(diǎn)和時(shí)間使用、更能理解組織或器官的層次結(jié)構(gòu)、便捷的操作方式優(yōu)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方式。但是，虛擬軟件有一定的缺點(diǎn)，如部分組織器官與實(shí)物的差異、部分解剖結(jié)構(gòu)的展示不清楚和不利于學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)等。虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備與平板電腦設(shè)備一樣可以增加學(xué)習(xí)者的沉浸感和參與度，但是參與者更有可能出現(xiàn)諸如頭痛、頭暈或視力模糊等癥狀[15]。在系統(tǒng)人體解剖學(xué)課程中，在線創(chuàng)建完整的本科解剖課程，并且具有實(shí)時(shí)交互式實(shí)驗(yàn)室組件，使用協(xié)作軟件操縱三維虛擬解剖模型與傳統(tǒng)的面對(duì)面課程同時(shí)運(yùn)行，比較學(xué)生成績(jī)表明，可以預(yù)測(cè)解剖學(xué)傳統(tǒng)面對(duì)面教學(xué)的學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)[16]。由此可見，在解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有尸源不足，標(biāo)本異味大，結(jié)構(gòu)不易分辨，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短暫，對(duì)于非臨床專業(yè)學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)較少等缺點(diǎn)，但是，虛擬仿真軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)和3D 模型等新技術(shù)雖然具有不限地點(diǎn)和時(shí)間使用、便于理解組織或器官的層次結(jié)構(gòu)以及便捷的操作方式等優(yōu)點(diǎn)，亦具有不利于學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)，學(xué)生成績(jī)不可預(yù)見性，使用者出現(xiàn)頭痛、頭暈或視力模糊等缺點(diǎn)。因此，這些新技術(shù)不能完全取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，旨在尋找能夠?qū)W習(xí)提升教學(xué)質(zhì)量的資源[17]。

4 小結(jié)

綜上所述，根據(jù)不同的專業(yè)需求不同，可以設(shè)置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，互相補(bǔ)充各有的優(yōu)缺點(diǎn)，充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的不限時(shí)間地點(diǎn)、層次結(jié)構(gòu)清晰的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有效利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的動(dòng)手能力。整體培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力，提高教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的教學(xué)模式。有效結(jié)合虛擬仿真技術(shù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)能提高教學(xué)質(zhì)量，資源得到最大化使用，深化教學(xué)改革。