基于“數(shù)字人”功能拓展化在系統(tǒng)解剖學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

計勝峰 馬延兵 董煒疆 許杰華 韓 華 張峰昌 周勁松

（西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖與組織胚胎學(xué)系，西安 710061）

人體解剖學(xué)是最為重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程之一。在系統(tǒng)解剖學(xué)實驗教學(xué)中，實驗知識講授多采用多媒體教學(xué)方法。隨著科技的發(fā)展，解剖學(xué)教學(xué)方法和手段也在不斷更新，尤其是近年來，數(shù)字化的廣泛應(yīng)用，形成了數(shù)字人體解剖[1]。但據(jù)調(diào)查，國內(nèi)大部分師生在“數(shù)字人”的使用主要集中在三維結(jié)構(gòu)顯示、切割分離、隨意旋轉(zhuǎn)、放大縮小等功能的操作，教學(xué)模式過于單一。因此，結(jié)合解剖學(xué)實驗室原有設(shè)施以及其他教學(xué)手段，“數(shù)字人”在適應(yīng)多種教學(xué)環(huán)境及創(chuàng)新性教學(xué)理念的模式下，還有很大的拓展空間。將“數(shù)字人”與傳統(tǒng)多媒體教學(xué)設(shè)施結(jié)合，充分激活現(xiàn)有教學(xué)設(shè)施的關(guān)聯(lián)性，避免教學(xué)資源的閑置，并基于自身硬件進行軟件應(yīng)用的功能拓展，從而對其利用率的提升具有一定的推廣價值，且這方面的功能拓展還未見應(yīng)用于解剖實驗教學(xué)的相關(guān)研究。通過拓展，首先實現(xiàn)了“數(shù)字人”與教師端電腦、顯示屏、投影儀、音響設(shè)備、播控設(shè)備的雙向互動控制。第二在“數(shù)字人”系統(tǒng)中內(nèi)嵌虛擬現(xiàn)實軟件，將其自帶的三維解剖標(biāo)本通過VR設(shè)備實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的交互式操作。第三利用“數(shù)字人”中豐富的數(shù)字化圖庫資源，將其與解剖標(biāo)本考試相結(jié)合，從而實現(xiàn)數(shù)字化標(biāo)本考試的功能。通過上述功能的拓展，實現(xiàn)“數(shù)字人”與傳統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)有機結(jié)合，從而取長補短，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，并在實踐中探索系統(tǒng)解剖學(xué)實驗教學(xué)全新的教學(xué)手段及可行性的教學(xué)模式。

1 “數(shù)字人”功能拓展化的構(gòu)建

1.1 與傳統(tǒng)多媒體設(shè)備的結(jié)合

在解剖學(xué)實驗教學(xué)中，教師針對教學(xué)內(nèi)容會選擇使用傳統(tǒng)多媒體設(shè)備進行PPT演示、視頻資料播放、局域網(wǎng)資料共享等功能，但同時也需要使用“數(shù)字人”形象直觀的講解人體三維結(jié)構(gòu)，這樣在操作上多有不便，學(xué)生在接受知識的過程上也感受繁瑣，從而影響學(xué)習(xí)主動性，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳[2]。因此使用HDMI分配器和HDMI線將傳統(tǒng)多媒體設(shè)備中的電腦主機、投影儀與“數(shù)字人”互聯(lián)，實現(xiàn)視屏同步功能，其次使用USB公對公線連接電腦主機與“數(shù)字人”，實現(xiàn)操控及反向控制功能，并為教師配備指環(huán)鼠標(biāo)，實現(xiàn)實驗室中任意位置對設(shè)備的操控。

1.2 增配虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

在“數(shù)字人”系統(tǒng)內(nèi)選配安裝虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的后臺程序，將其中的解剖學(xué)資料進行虛擬現(xiàn)實的三維展示，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，可在三維空間平面上隨意控制虛擬解剖標(biāo)本的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、剝離等功能，從而增強學(xué)生對解剖學(xué)標(biāo)本學(xué)習(xí)的主觀能動性，以利于知識點的記憶和抽象概念的理解，從而提升教學(xué)效果。教師在授課過程中可佩戴VR頭顯，通過專用操控筆來進行交互式操作，實現(xiàn)多角度的隨意控制，全方位觀察人體解剖結(jié)構(gòu)，并可通過數(shù)字化控制軟件進行虛擬剝離，以單獨或組合的方式展示某一解剖學(xué)器官，或進入臟器內(nèi)部及血管周圍進行觀察，從而在不同視角下獲得沉浸式虛擬現(xiàn)實體驗。實驗室內(nèi)的學(xué)生可通過“數(shù)字人”大屏觀察，并可與現(xiàn)實場景結(jié)合，達到虛擬仿真的學(xué)習(xí)目的。

1.3 數(shù)字解剖考試系統(tǒng)的嵌入

在系統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)過程中，實驗考試是一個重要的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的考試方法多以實體標(biāo)本為主，雖比較直觀，但組織工作繁瑣，選題局限，標(biāo)本易損壞，需要多位教師配合，浪費標(biāo)本資源和人力資源，并且考試因標(biāo)本質(zhì)量差別和指示的準(zhǔn)確度不同，會造成難易度差異，影響考試客觀性。利用“數(shù)字人”中的數(shù)字圖庫資源形成素材庫，在其后臺程序內(nèi)嵌入數(shù)字解剖考試系統(tǒng)，教師可利用考試系統(tǒng)設(shè)計題型，編輯和制作考題，亦可自建習(xí)題一鍵上傳，完全滿足正式的系統(tǒng)解剖學(xué)實驗考試的使用。

1.4 “數(shù)字人”功能拓展化的應(yīng)用效果研究

1.4.1 研究對象 本研究選取西安交通大學(xué)2019級臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生共120名，采用完全隨機分組法分為對照組60名，實驗組60名。其中對照組男生28人，女生32人，年齡18～22歲。實驗組男生26人，女生34人，年齡18～22歲。2組授課教師，教學(xué)進度，教學(xué)內(nèi)容均相同。2組一般資料比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

1.4.2 方法 對照組在系統(tǒng)解剖學(xué)實驗課期間依據(jù)教學(xué)內(nèi)容使用V6.0Plus版“數(shù)字人”系統(tǒng)進行正常授課和學(xué)習(xí)。實驗組在系統(tǒng)解剖學(xué)實驗課期間依據(jù)教學(xué)內(nèi)容使用功能拓展化后的V6.0Plus版“數(shù)字人”系統(tǒng)，授課時，教學(xué)課件在教師端電腦、投影儀、“數(shù)字人”同步呈現(xiàn)，教師可在教師端電腦操控“數(shù)字人”界面中的各類軟件，也可在“數(shù)字人”端手動觸摸操控電腦內(nèi)教學(xué)資料、互聯(lián)網(wǎng)軟件及投影設(shè)備。在骨學(xué)、消化系統(tǒng)，呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等章節(jié)中利用“數(shù)字人”三維標(biāo)本庫資料，佩戴VR頭顯，實施虛擬現(xiàn)實教學(xué)方法。在測評環(huán)節(jié)，均使用數(shù)字化標(biāo)本考試系統(tǒng)進行命題、考核、評分、成績分析等教學(xué)工作。2組學(xué)生均在每章節(jié)內(nèi)容結(jié)束后進行階段測評，包括隨堂檢測、課堂提問、課后作業(yè)和考勤[3]。學(xué)期末由教學(xué)組統(tǒng)一出題進行實驗考試（100分）和理論考試（100分），最終各占50%匯總成績。為學(xué)生發(fā)放教學(xué)方式滿意度調(diào)查問卷，調(diào)查內(nèi)容為學(xué)習(xí)興趣、知識接受度、課堂吸引力、自主學(xué)習(xí)能力四個方面，每項最高為25分，以不記名方式發(fā)放問卷，共發(fā)問卷120份，回收120份，回收率100%。最后，全部數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 21軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，數(shù)值采用±s表示，數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，組間比較采取LSD檢驗，P＜0.05時差異顯著，具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

通過在系統(tǒng)解剖學(xué)實驗教學(xué)過程中階段綜合測評，結(jié)果顯示（表1），實驗組隨堂檢測、課堂提問和學(xué)生綜合成績均高于對照組，作業(yè)和考勤方面與對照組無顯著性差異。通過期末測試（表2），實驗組實驗成績、理論成績及總成績均明顯高于對照組，及格率有一定的提升。教學(xué)滿意度通過問卷調(diào)查顯示（表3），實驗組學(xué)生在學(xué)習(xí)興趣、知識接受度、自主學(xué)習(xí)能力方面均顯著高于對照組，在課堂吸引力方面與對照組無顯著差異。

表1 階段綜合測評結(jié)果（±s）

表1 階段綜合測評結(jié)果（±s）

*P＜0.05 vs 對照組

組別 隨堂測 提問 作業(yè) 考勤 綜合成績對照組 61.05±0.61 8.73±0.19 9.27±0.14 9.68±0.09 89.12±0.76實驗組 63.25±0.66* 9.27±0.15* 9.23±0.13 9.70±0.11 91.48±0.73*

表2 期末測試結(jié)果（±s）

表2 期末測試結(jié)果（±s）

*P＜0.05 vs 對照組

組別 實驗成績 理論成績 總成績 及格率（%）對照組 87.27±1.17 70.15±2.19 78.93±1.51 93.3實驗組 93.52±1.03* 76.18±2.01* 85.05±1.32* 96.7

表3 教學(xué)滿意度調(diào)查結(jié)果（±s）

表3 教學(xué)滿意度調(diào)查結(jié)果（±s）

*P＜0.05 vs 對照組

組別 學(xué)習(xí)興趣 知識接受度 課堂吸引力 自主學(xué)習(xí)能力對照組 22.13±0.36 21.78±0.36 23.33±0.25 21.52±0.46實驗組 23.72±0.31* 23.05±0.34* 23.92±0.27 22.88±0.34*

3 討論

目前，“數(shù)字人”在系統(tǒng)解剖學(xué)實驗教學(xué)中應(yīng)用較為廣泛，由于其信息量大，形象直觀，迅速應(yīng)用于眾多醫(yī)學(xué)院校的解剖學(xué)教學(xué)中，具有一定的優(yōu)勢。在我國眾多醫(yī)學(xué)類高校中，系統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)手段依據(jù)不同硬件設(shè)施是多元化的，因此將諸多類別的教學(xué)設(shè)施進行融合性建設(shè)，發(fā)揮各自優(yōu)勢，取長補短方能更好服務(wù)于教學(xué)[4]。通過改造，將“數(shù)字人”與傳統(tǒng)多媒體設(shè)備進行互聯(lián)結(jié)合，原有教學(xué)資源得到最大程度的應(yīng)用，并且“數(shù)字人”在操控、屏顯、網(wǎng)絡(luò)資源獲取方面也得到良好的拓展，功能上得到互補，最大程度優(yōu)化了教學(xué)資源，方便了教師的教學(xué)過程，創(chuàng)新了教學(xué)手段，同時也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量[5]。但此項拓展建設(shè)因“數(shù)字人”與原有多媒體顯示設(shè)備分辨率不同，開機時偶爾會出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象，因此需依據(jù)分辨率由低到高的順序開啟設(shè)備。在“數(shù)字人”中增配虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)后，“數(shù)字人”能夠從全方位滿足各種解剖學(xué)教學(xué)任務(wù)，師生可在虛擬環(huán)境中觀察人體解剖標(biāo)本的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的解剖學(xué)資料，同時該系統(tǒng)的精靈系統(tǒng)、圖形圖像系統(tǒng)、拼圖系統(tǒng)、練習(xí)系統(tǒng)模塊，均可滿足多種創(chuàng)新性教學(xué)模式的開展，以及專題培訓(xùn)、科普展示等需求。但受實驗場地、空間及系統(tǒng)操作限制，此拓展不適合為人數(shù)過多班級授課，所需VR外接設(shè)備目前售價偏高，不一定能滿足學(xué)生單人單機需求，需交替使用，從而延長了授課時間。在“數(shù)字人”中內(nèi)嵌解剖學(xué)考試系統(tǒng)，該系統(tǒng)在“數(shù)字人”內(nèi)可由教師自由設(shè)定試題組合形式、考試時間，客觀題自動評卷，系統(tǒng)自動生成統(tǒng)計報告等，簡單易用，安全穩(wěn)定。此系統(tǒng)拓展，學(xué)生均可通過手機端答題，但教師如需留存教學(xué)資料，需配合紙質(zhì)試卷使用，或課后對系統(tǒng)生成資料進行下載打印。通過以上對“數(shù)字人”功能拓展化的建設(shè)，最大程度發(fā)揮了解剖學(xué)實驗室硬件設(shè)施的功能優(yōu)勢[6]。本研究結(jié)果顯示，學(xué)生在解剖學(xué)實驗課中的學(xué)習(xí)興趣濃厚，自主學(xué)習(xí)能力和知識接受度得到顯著提升，這是因為，進行功能拓展后的“數(shù)字人”教學(xué)設(shè)施可以更好滿足教師多元化的教學(xué)手段，使教學(xué)過程做到游刃有余，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠提升辨識能力，輕松掌握標(biāo)本的解剖結(jié)構(gòu)，強化對解剖知識點的記憶，從而能夠在隨堂檢測、實驗和理論考試中均取得優(yōu)良的成績。在考勤和作業(yè)方面，2組均能良好完成，這與教學(xué)管理體制和紀(jì)律要求有客觀必然聯(lián)系。課堂吸引力方面2組無差異，這主要與學(xué)生對該門基礎(chǔ)課程的重視，教師較強授課能力，且拓展化功能應(yīng)用頻次不夠，操作過程暫時未熟練化有一定的關(guān)聯(lián)。

綜上所述，“數(shù)字人”功能拓展化建設(shè)是目前應(yīng)用于系統(tǒng)解剖實驗教學(xué)的一種全新構(gòu)建，充分實現(xiàn)了解剖學(xué)實驗室多元化教學(xué)的融合，避免了實驗室教學(xué)資源的閑置浪費，豐富了師生教學(xué)環(huán)節(jié)中的交流互動，為教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”營造了更多的背景條件，這對于提升系統(tǒng)解剖學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效率，具有廣泛的借鑒價值，此種教學(xué)模式亦值得推廣。