虛擬仿真實驗在教學(xué)中的嘗試與應(yīng)用——以脊柱運動康復(fù)生物力學(xué)虛擬仿真實驗為例

◇南京體育學(xué)院 王鐘梅 宋雅偉

虛擬仿真教學(xué)具有安全、開放、共享的特點。南京體育學(xué)院在堅持“能實不虛”原則的基礎(chǔ)上構(gòu)建了脊柱運動康復(fù)生物力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目，采用了虛實結(jié)合的教學(xué)方式，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，更有利于學(xué)生創(chuàng)造思維的培養(yǎng)。

1 虛擬仿真的概念

虛擬仿真技術(shù)是由網(wǎng)絡(luò)、客戶端以及虛擬的軟件等組成的,用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)器從而進行虛擬實驗的操作[1]。

虛擬和仿真是兩個相近但不相同的概念。虛擬現(xiàn)實，也稱虛擬實境，是指通過計算機實現(xiàn)的“類實物”3D場景的一種技術(shù)，可讓用戶產(chǎn)生身臨其境的沉浸感[2]。仿真是通過特定的“模型”實現(xiàn)的，用以模仿真實世界的運行過程，以完成推演或用于訓(xùn)練[2]。

2 實驗設(shè)計

2.1 項目建設(shè)的背景

脊柱作為人體的中軸骨，起到支撐、保護等重要作用，不良的姿勢易使脊柱長時間處于屈曲位或某些特定體位，不僅增高了脊柱椎間盤內(nèi)的壓力，也使脊柱周圍的肌肉和韌帶長期處于非協(xié)調(diào)受力狀態(tài)，從而使脊柱形態(tài)發(fā)生異常改變[3]。由于脊柱周圍分布著復(fù)雜且重要的血管、神經(jīng)和脊髓組織，手術(shù)風(fēng)險較大，因此針對脊柱疾病的運動康復(fù)尤顯重要。但由于脊柱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、力學(xué)機制的不確定性、評估的高成本、面向人群的特殊性和康復(fù)手段的多樣性，使其在實驗教學(xué)過程中不易直觀展現(xiàn)與理解，學(xué)生反應(yīng)難學(xué)，教師反應(yīng)難教[4]。

基于以上原因，教學(xué)團隊依據(jù)“能實不虛、虛實結(jié)合、相互補充”的原則，采用“線上虛擬交互理解與線下模擬實踐相結(jié)合”的方式，將虛擬仿真技術(shù)融入脊柱康復(fù)生物力學(xué)實驗教學(xué)中。通過3D模型展現(xiàn)實驗流程，以問題為導(dǎo)向推動實驗開展，虛實結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬環(huán)境中做真實驗，使其更直觀的了解脊柱的形態(tài)、功能和基本力學(xué)規(guī)律，并進一步掌握脊柱疾病的基本評估方法和康復(fù)手段。

圖1 虛擬仿真實驗流程圖

2.2 實驗內(nèi)容

脊柱運動康復(fù)生物力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目由4個環(huán)節(jié)組成，分別是脊柱認(rèn)知、脊柱篩查、力學(xué)分析和運動康復(fù)，共4學(xué)時。

（1）脊柱認(rèn)知。脊柱認(rèn)知環(huán)節(jié)通過虛擬仿真平臺展現(xiàn)頸椎、胸椎、腰椎等的解剖結(jié)構(gòu)，使學(xué)生掌握相關(guān)的解剖學(xué)知識，并自行通過人機交互虛擬操作完成脊柱的搭建。

（2）脊柱篩查。脊柱篩查環(huán)節(jié)是學(xué)生在觀看3D光譜Diers、SpineScan電子脊柱測量儀的操作視頻過后，采用人機交互虛擬操作，從矢狀面、冠狀面、水平面對測試對象進行脊柱姿勢測量并找出頸、胸、腰段的異常。

（3）力學(xué)分析。力學(xué)分析環(huán)節(jié)是采用人機交互虛擬操作，通過肌力矩的測量來解讀頸部不同低頭角度所受的力的大??；通過Cobb角的測量，知曉脊柱側(cè)彎的嚴(yán)重程度并選擇治療方法以及監(jiān)測治療效果；通過對腰背部進行等速運動測試找出薄弱肌群，從而進行針對性的康復(fù)訓(xùn)練；通過虛擬的椎間盤受力測試，觀察椎間盤在不同受力狀態(tài)下的蠕變，從而了解椎間盤的病理變化。

（4）運動康復(fù)。在前期篩查、測試的基礎(chǔ)上，通過采用人機交互虛擬操作，讓學(xué)生選擇適合脊柱生活康復(fù)的器具，如生活中常見的頸椎康復(fù)要注意枕頭的使用。

2.3 教學(xué)方法

本虛擬仿真實驗項目總體采用“三階段-三層次”的設(shè)計思路，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)理念（如圖2所示）。

圖2 實驗架構(gòu)以及教學(xué)方法實施圖

（1）自主學(xué)習(xí)式教學(xué)方法。相對于專業(yè)知識本身,該教學(xué)方法更注重讓學(xué)生探索知識的來源。首先，在實驗介紹環(huán)節(jié)讓學(xué)生以脊柱為例了解此項目建設(shè)的必要性、實驗?zāi)康?、流程和實驗指南；其次，讓學(xué)生掌握實驗過程所需的知識點，如脊柱結(jié)構(gòu)功能認(rèn)知、脊柱篩查的原理及儀器操作、脊柱力學(xué)分析及康復(fù)的相關(guān)知識等；最后，對實驗進行總結(jié)并生成實驗報告。

本項目設(shè)計由易到難，知識水平逐層提升，符合學(xué)生自主學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)規(guī)律。同時，學(xué)生可以根據(jù)自己的知識水平自主選擇符合自身知識層次的實驗，充分發(fā)揮了學(xué)生的自主性。

（2）互動式教學(xué)方法?；邮浇虒W(xué)方法的目的是學(xué)生通過脊柱形態(tài)功能的篩查，了解不同參數(shù)、細(xì)節(jié)對實驗結(jié)果的影響，加深其對知識的了解與掌握，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)中“重理論講授、輕過程分析”的不足。能夠有效幫助學(xué)生提升專業(yè)綜合實踐、思考能力。通過各個階段的互動考核，確保學(xué)生真正掌握相關(guān)知識。

（3）團隊合作式教學(xué)方法。采用團隊合作式教學(xué)方法可以提高教學(xué)效率，加強學(xué)生的團隊合作意識，主要通過生生和師生互動的模式實現(xiàn)。生生互動主要體現(xiàn)在學(xué)生相互間在儀器操作流程、參數(shù)設(shè)置和康復(fù)方案設(shè)計方法等方面的配合；師生互動主要體現(xiàn)在實驗交流總結(jié)模塊，教師通過批改學(xué)生實驗報告、在線提問及回答學(xué)生問題實現(xiàn)互動,老師可以全程追蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3 建議與展望

由于運動康復(fù)生物力學(xué)的特殊性，其開發(fā)難度很大，以致現(xiàn)階段開發(fā)的虛擬仿真操作系統(tǒng)、軟件、模型的種類、數(shù)量、質(zhì)量都很有限，還需進一步提升。

4 結(jié)語

脊柱運動康復(fù)生物力學(xué)這門課程需要通過大量的臨床實踐來培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。將虛擬仿真技術(shù)與此課程融合成實踐課，探索構(gòu)建適用于運動康復(fù)生物力學(xué)教學(xué)的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，順應(yīng)了《教育信息化2.0行動計劃》，是高等教育信息化的必然產(chǎn)物。虛擬仿真教學(xué)技術(shù)使得學(xué)生可以在虛擬場景中做“真”實驗，能夠補充和拓展傳統(tǒng)的教學(xué)模式和實際應(yīng)用操作，能夠顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、動手能力、科研思維能力、溝通與協(xié)作能力等[5]。