數(shù)字化虛擬人在人體解剖學(xué)教學(xué)改革中的應(yīng)用

趙翌如 胡建立

（1.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003；2.新鄉(xiāng)市中心醫(yī)院,河南 新鄉(xiāng) 453003）

1 引言

隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化虛擬人在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)字化虛擬人不僅對(duì)醫(yī)療健康發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用，同時(shí)也帶來以人體解剖課程為主的醫(yī)學(xué)課程教學(xué)的巨大變革。人體解剖學(xué)屬于醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)范疇，是醫(yī)學(xué)院校重要的基礎(chǔ)課程，數(shù)字化虛擬人以其強(qiáng)大的技術(shù)支撐可以滿足當(dāng)前人體解剖教學(xué)的需求，因此利用好數(shù)字化虛擬人技術(shù)，充分發(fā)揮其作用和優(yōu)勢(shì)，來推進(jìn)醫(yī)學(xué)課程教學(xué)改革，是當(dāng)前醫(yī)學(xué)課程教學(xué)面臨的重要任務(wù)。

2 傳統(tǒng)人體解剖教學(xué)中的不足

傳統(tǒng)的人體解剖課程主要是通過觀看解剖圖譜，利用簡(jiǎn)單的教學(xué)模型進(jìn)行教學(xué)。人體標(biāo)本資源緊缺，教師不能隨時(shí)通過人體標(biāo)本進(jìn)行教學(xué)。圖譜雖然容易獲得且教學(xué)方便，但是有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即缺乏人體組織和器官的結(jié)構(gòu)真實(shí)感和立體感，學(xué)生難以通過圖譜觀察來獲取清晰科學(xué)的認(rèn)識(shí)，從而對(duì)解剖知識(shí)了解得不夠深刻。教學(xué)模型雖然克服了圖譜立體性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，讓學(xué)生可直觀了解人體的組織結(jié)構(gòu)，但模型尺寸、大小比例等失真現(xiàn)象較為常見，難以精確還原人體標(biāo)本，導(dǎo)致學(xué)生觀察了解不充分，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔悖碚摻虒W(xué)充分，而實(shí)踐教學(xué)不足，學(xué)生動(dòng)手操作能力差，進(jìn)而導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量難以提升。隨著醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生的不斷擴(kuò)招，人體標(biāo)本的數(shù)量供應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足當(dāng)前人體解剖課程的教學(xué)和實(shí)踐需要。如果還是利用傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，則對(duì)學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備和臨床操作能力的培養(yǎng)造成消極影響[1]。因此，人體解剖課程必須彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，解決標(biāo)本不足的問題，切實(shí)提升教學(xué)質(zhì)量。

3 數(shù)字化虛擬人的特點(diǎn)

3.1 真實(shí)性

數(shù)字化虛擬人最大的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)即是對(duì)人體的還原度高，具有真實(shí)性，可供醫(yī)學(xué)教師和學(xué)生進(jìn)行觀摩和實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化虛擬人體解剖系統(tǒng)是將大量人體斷面數(shù)據(jù)信息在計(jì)算機(jī)里整合并重建成人體的三維立體結(jié)構(gòu)圖像，主要運(yùn)用人體解剖軟件將人體數(shù)據(jù)進(jìn)行整合計(jì)算，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理計(jì)算的輔助下，構(gòu)建三維人體立體數(shù)據(jù)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)模型與人體結(jié)構(gòu)精確一致，可供學(xué)生進(jìn)行模擬解剖[2]。

3.2 立體性

數(shù)字虛擬人技術(shù)充分利用三維動(dòng)畫技術(shù)，人體結(jié)構(gòu)圖可任意分離、可自由組合,解剖結(jié)構(gòu)可任意角度旋轉(zhuǎn)、縮小與放大，便于轉(zhuǎn)變視角和多方位觀察結(jié)構(gòu)圖，圖像清晰，虛擬人體立體且完整，且在細(xì)節(jié)處添加必要的文字注釋，鼠標(biāo)一點(diǎn)即可學(xué)習(xí)組織或器官的相關(guān)文字注解，從而幫助學(xué)生理解人體知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生更系統(tǒng)地學(xué)習(xí)解剖知識(shí)。

3.3 功能強(qiáng)大

將虛擬人體應(yīng)用于人體解剖課程教學(xué)的重要原因之一是數(shù)字化虛擬人功能強(qiáng)大，在醫(yī)學(xué)教學(xué)課程方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，除以上真實(shí)性和立體性以外，還具有分離顯示功能、透明化功能、染色功能、逐層剝離功能、隨手畫功能等，極大地方便教師進(jìn)行教學(xué)演示，學(xué)生也可通過虛擬人體加深對(duì)解剖知識(shí)的理解。

4 數(shù)字化虛擬人在人體解剖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

4.1 數(shù)字解剖圖譜

圖譜是解剖學(xué)中重要的學(xué)習(xí)和教學(xué)工具，醫(yī)學(xué)圖譜產(chǎn)生于中世紀(jì)，是通過二維圖畫的方式來解釋人體各個(gè)組織和器官的組成，簡(jiǎn)單易學(xué)，直觀清晰，易于獲得，長(zhǎng)期以來是人體解剖學(xué)課程學(xué)習(xí)和教學(xué)的基礎(chǔ)工具。但其二維表達(dá)的方式嚴(yán)重限制圖譜作用的發(fā)揮，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維成像技術(shù)應(yīng)用成熟，圖像的獲取、存儲(chǔ)、顯示和應(yīng)用方式發(fā)生了根本性變革。利用數(shù)字化虛擬人技術(shù)可制作三維立體的數(shù)字化圖譜，通過操作計(jì)算機(jī)，可隨時(shí)查看數(shù)字圖譜中的任意解剖結(jié)構(gòu)，解剖結(jié)構(gòu)的解釋說明則通過計(jì)算機(jī)技術(shù)存儲(chǔ)在其中，鼠標(biāo)一點(diǎn)即可顯示，數(shù)字化虛擬人也能顯示器官或結(jié)構(gòu)的截面圖像，360度觀看該解剖結(jié)構(gòu)，便于教師教學(xué)，學(xué)生也可通過觀看虛擬人了解解剖知識(shí)，從而彌補(bǔ)二維圖譜缺乏解剖結(jié)構(gòu)在人體空間定位的缺陷。在學(xué)習(xí)解剖之前要對(duì)一個(gè)人體器官或組織有著充分而深入的了解，如教師要想讓學(xué)生充分了解某個(gè)組織的生長(zhǎng)過程，可通過數(shù)字化虛擬人制作數(shù)字圖譜，并輔以計(jì)算機(jī)模擬動(dòng)態(tài)技術(shù)，動(dòng)態(tài)演示某組織發(fā)育生長(zhǎng)的過程，讓學(xué)生更直觀、更科學(xué)地學(xué)習(xí)人體發(fā)育生長(zhǎng)的相關(guān)知識(shí)[3]。

4.2 重要器官解剖

實(shí)驗(yàn)是人體解剖課程的重要教學(xué)內(nèi)容，數(shù)字化圖譜有助于幫助學(xué)生了解人體各個(gè)組織和器官的組成和特點(diǎn)，在了解之后，則要進(jìn)行解剖實(shí)驗(yàn)來鍛煉動(dòng)手能力，因此，在人體解剖課教學(xué)中，解剖實(shí)踐是不可缺少的步驟。但在現(xiàn)實(shí)中，可供學(xué)生進(jìn)行解剖實(shí)踐的大體標(biāo)本嚴(yán)重匱乏，數(shù)字化虛擬人可以解決這個(gè)棘手的問題。首先利用數(shù)字化技術(shù)根據(jù)需要構(gòu)建虛擬人，并建立與其配套的虛擬手術(shù)器械。利用虛擬手術(shù)器械解剖虛擬尸體，并利用操縱桿、手套和其他設(shè)備的觸覺強(qiáng)力反饋來感知人體組織的不同質(zhì)感。除了整體性結(jié)構(gòu)以外，還可將某一特定部位或組織剝離出來，對(duì)該組織進(jìn)行細(xì)致的模擬解剖。在重要器官的模擬解剖過程中，有兩點(diǎn)需要注意：一是要讓學(xué)生充分了解虛擬人模擬解剖系統(tǒng)的操作流程，以免在解剖中損壞解剖模擬系統(tǒng)；二是如果學(xué)生發(fā)生錯(cuò)誤，該虛擬人系統(tǒng)可隨時(shí)返回，恢復(fù)器官解剖前原樣，并支持重新解剖，同時(shí)學(xué)生可反復(fù)進(jìn)行練習(xí)和訓(xùn)練，這是傳統(tǒng)標(biāo)本實(shí)驗(yàn)解剖所無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。此外，數(shù)字化虛擬人還解決了時(shí)空的限制，學(xué)生通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)也可隨時(shí)進(jìn)行解剖模擬訓(xùn)練，無須進(jìn)入解剖實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，同時(shí)也節(jié)省了實(shí)驗(yàn)器材費(fèi)用，減少了器材的損耗，降低了解剖教育成本?？傮w來說，在實(shí)驗(yàn)解剖中，與傳統(tǒng)解剖教學(xué)相比，數(shù)字化虛擬人解剖具有優(yōu)勢(shì)：一是學(xué)生可不限次數(shù)對(duì)解剖進(jìn)行反復(fù)練習(xí)和訓(xùn)練；二是學(xué)生訓(xùn)練突破時(shí)間和空間的限制；三是一定程度上節(jié)省了教育成本，減少了器材的日常損耗。

4.3 建立計(jì)算機(jī)解剖學(xué)教學(xué)和實(shí)習(xí)操作系統(tǒng)

當(dāng)前不少醫(yī)學(xué)院引進(jìn)數(shù)字化虛擬人，并建立數(shù)字化虛擬人數(shù)據(jù)集，利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)和功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫，獲取更多例數(shù)的人體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集，進(jìn)行觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)；對(duì)重要的器官,獲取更為細(xì)致的數(shù)據(jù)資料，完善虛擬人數(shù)據(jù)采集，建立科學(xué)完整的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。系統(tǒng)化是數(shù)字化虛擬人在人體解剖教學(xué)推進(jìn)中的重要步驟，通過建立數(shù)字化虛擬人系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)解剖實(shí)操系統(tǒng)，為教學(xué)提供可靠的技術(shù)和平臺(tái)支撐[4]。建立數(shù)字化虛擬人解剖系統(tǒng)是當(dāng)前解剖課程教學(xué)改革和發(fā)展的重要方向之一，要實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式的突破和教學(xué)質(zhì)量的提升則必須重視數(shù)字化虛擬人解剖系統(tǒng)的引進(jìn)、使用以及建設(shè)。

5 數(shù)字化虛擬人在人體解剖學(xué)教學(xué)改革中的作用與優(yōu)勢(shì)

5.1 緩解大體標(biāo)本資源短缺的現(xiàn)狀

解剖課是醫(yī)學(xué)教育體系中的重點(diǎn)課程，隨著醫(yī)學(xué)院校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生后備人才增多，標(biāo)本損耗率不斷攀升，解剖課中的重要大體標(biāo)本嚴(yán)重不足，基本無法滿足醫(yī)學(xué)教育的需求。這導(dǎo)致學(xué)生無法獲取高質(zhì)量的解剖課程知識(shí)，影響對(duì)學(xué)生實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)和提升。數(shù)字化虛擬人則緩解了大體標(biāo)本資源短缺的問題。首先，數(shù)字化虛擬人可供學(xué)生進(jìn)行反復(fù)解剖和實(shí)踐。其次，隨著數(shù)字虛擬人技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中的虛擬人不斷升級(jí)，一方面，數(shù)字虛擬人無限接近真實(shí)的人體標(biāo)本，其系統(tǒng)人體數(shù)據(jù)也更加豐富，虛擬人模型更加精確科學(xué)，另一方面，解剖教學(xué)、實(shí)驗(yàn)過程與真實(shí)的人體解剖過程基本一致，解剖過程的還原度越來越高，這大大緩解了大體標(biāo)本不足的教學(xué)困境。因此，在人體解剖課教學(xué)中，要注重大體標(biāo)本解剖教學(xué)與數(shù)字虛擬人教學(xué)的結(jié)合，利用二者的優(yōu)勢(shì)，在發(fā)揮其各自的教學(xué)功能的基礎(chǔ)上合理分配和利用教學(xué)資源，為解剖學(xué)教學(xué)服務(wù)，促進(jìn)學(xué)科發(fā)展。

5.2 豐富解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

教學(xué)模式單一歷來是人體解剖課程改革的難點(diǎn)，也是導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量難以提升的重要原因之一，數(shù)字化虛擬人應(yīng)用于解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)可豐富單一枯燥的解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是數(shù)字化虛擬人可展現(xiàn)完整的斷層系列標(biāo)本，包括頭部、頸部、胸部、盆部、四肢等重要的人體斷層組織，實(shí)驗(yàn)過程可供學(xué)生觀看，使學(xué)生充分了解人體各個(gè)部位及組織，獲取充足的人體結(jié)構(gòu)知識(shí)，為親自解剖打下良好的知識(shí)基礎(chǔ)。二是教師可通過操縱計(jì)算機(jī)來對(duì)解剖過程進(jìn)行模擬演示，通過動(dòng)畫演示，學(xué)生可清晰了解到解剖的全過程，并迅速獲取解剖過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，從而有利于學(xué)習(xí)水平提高。此外，數(shù)字化虛擬人系統(tǒng)具有強(qiáng)大的模擬實(shí)驗(yàn)功能，學(xué)生在上課過程中可自主參與解剖過程，人人都有機(jī)會(huì)實(shí)驗(yàn)操作，從而實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合，這大大提升了學(xué)生的動(dòng)手能力，提升了解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。因此，數(shù)字化虛擬人的引入大大豐富了解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式，使得教學(xué)課堂更加豐富多彩、靈活生動(dòng)，學(xué)生也更加喜愛這種教學(xué)形式，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性也得以大幅度提升。此外，數(shù)字化虛擬人系統(tǒng)還能對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核，這大大改變了傳統(tǒng)的考核方式，數(shù)字化虛擬人系統(tǒng)提供解剖模擬功能，學(xué)生可在系統(tǒng)中進(jìn)行解剖實(shí)操，教師可根據(jù)學(xué)生的能力來綜合打分，同時(shí)查漏補(bǔ)缺，找到教學(xué)中的薄弱之處，從而繼續(xù)改進(jìn)教學(xué)。

5.3 優(yōu)化解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境

數(shù)字化虛擬人應(yīng)用于解剖課堂教學(xué)可優(yōu)化解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，一方面，可優(yōu)化真實(shí)的空間環(huán)境，常規(guī)的解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)離不開福爾馬林等防腐固定處理的大體標(biāo)本，而福爾馬林揮發(fā)出強(qiáng)烈的刺激性氣味，對(duì)教師及學(xué)生的呼吸道和視覺器官會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈刺激及損害。在這種環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，教師的教學(xué)狀態(tài)和學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)都會(huì)受到影響，這種環(huán)境也限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)，即不具備長(zhǎng)期待在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)的條件[5]。而數(shù)字化虛擬人可有效解決這個(gè)問題，虛擬人是以真實(shí)人體橫斷面影像數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過三維重建得來，其位置、形態(tài)與真實(shí)人體數(shù)據(jù)一致，不需要化學(xué)和醫(yī)學(xué)制劑來維持，安全無毒，不會(huì)產(chǎn)生氣味，這大大提升了解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性，也提升了教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。另一方面，數(shù)字化虛擬人教學(xué)同時(shí)也提升了教學(xué)的人文環(huán)境，改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)的枯燥氛圍，通過觀看和操作虛擬人解剖過程，學(xué)生的課堂參與程度提升，課堂氛圍更加活躍，學(xué)習(xí)的整體環(huán)境也得以改善。因此，總體來說，數(shù)字化虛擬環(huán)境可優(yōu)化解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

5.4 提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

數(shù)字化虛擬人應(yīng)用于人體解剖課程教學(xué)可有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率。數(shù)字化虛擬人是以計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)為支撐，易于操作，學(xué)生可通過電腦、手機(jī)等設(shè)備登錄進(jìn)入數(shù)字化虛擬人系統(tǒng)，這種學(xué)習(xí)方式深受當(dāng)前年輕的大學(xué)生群體歡迎，并且虛擬人解剖結(jié)構(gòu)可滿足全角度、多方位的觀看，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，現(xiàn)代化的數(shù)字人體解剖系統(tǒng)和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)步驟給學(xué)生良好的視野和滿足感，從而引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極學(xué)習(xí)。教學(xué)改革的目標(biāo)之一是改變傳統(tǒng)教學(xué)中教師主導(dǎo)、學(xué)生被動(dòng)的教學(xué)模式，人體解剖課程也不例外，只有學(xué)生積極主動(dòng)地獲取知識(shí)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，才能提出問題，深入思考，主動(dòng)實(shí)踐，促進(jìn)其解剖能力的提升。因此，數(shù)字化虛擬人教學(xué)的一大優(yōu)勢(shì)就是能夠以其強(qiáng)大的技術(shù)功能和全新的教學(xué)方式全面激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，改變教師和學(xué)生的課堂角色定位，從而促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

6 結(jié)語

數(shù)字化虛擬人在解剖教學(xué)課程中的廣泛應(yīng)用是醫(yī)學(xué)教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。數(shù)字化虛擬人可最大程度代替真實(shí)人體標(biāo)本，有效緩解大體標(biāo)本供應(yīng)不足給教學(xué)帶來的困擾，同時(shí)以其強(qiáng)大的功能豐富了解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，也提升了學(xué)生學(xué)習(xí)解剖學(xué)的興趣，改變了傳統(tǒng)課堂中學(xué)生的角色定位，對(duì)于提升解剖課程教育質(zhì)量、促進(jìn)人體解剖學(xué)科教育發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。因此，面對(duì)數(shù)字化虛擬人發(fā)展的態(tài)勢(shì)和醫(yī)學(xué)教學(xué)改革理念，要有效利用數(shù)字化虛擬人資源，將大標(biāo)本解剖教學(xué)與虛擬人體解剖相結(jié)合，克服傳統(tǒng)教學(xué)的不足，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和獨(dú)立解決問題的能力，推動(dòng)醫(yī)學(xué)教育邁上新臺(tái)階，為醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等應(yīng)用研究提供支撐。