增強現實技術在口腔正畸實驗教學中的應用探索*

馮 格，黃 蘭

重慶醫科大學附屬口腔醫院正畸科，重慶 400015

在口腔正畸實驗教學中，需要培養學生應用技術手段來掌握現代口腔正畸的臨床基本方法和操作技能。學生在掌握規范的口腔正畸學基本技能和理論知識的同時，還需要激發學生的創新意識與創新能力，從而牢固掌握錯合畸形的各種病因、矯治方法、矯治技術，診斷、治療原則及基本臨床操作技能，進而培養學生以嚴謹、科學的思維來處理口腔正畸臨床中的各類問題[1]。在傳統教學過程中，教師往往是以靜態的口腔模型為基礎，配以幻燈、講解等方法來傳遞口腔結構的三維空間知識，培養學生的空間思維能力。但是，由于空間思維過程很難用語言表達、幻燈圖示等二維平面圖與三維立體結構的差異、傳統口腔模型的結構限制、單一講解授課缺乏有效交互等問題，對于空間想象力較差的學生，傳統教學方法效果往往并不理想。近些年隨著多媒體技術的普及，多種專業和學科的課堂教學中，已經廣泛使用3D計算機模型代替傳統的模型和掛圖，但是相關應用也僅限于課堂輔助教學。而口腔正畸實驗教學，除了課堂上教師講解外，學生還需要在實驗課中觀察、操作大量的實物或者模型。在傳統的教學過程中，學生缺乏可以直觀、精準的參考模型，課外學習效率低、效果差，即使經過大量練習也難以很好地掌握所學內容。為解決這些問題，筆者嘗試將增強現實(AR)技術引入口腔正畸實驗教學。

AR技術是一種將現實世界的真實信息與虛擬世界的數字化信息進行“無縫”整合的新技術。此技術通常以目前高速發展的3D計算機技術，在同一個畫面或空間中，同時將真實的環境信息和虛擬的物體實時地整合在一起，或者將虛擬的信息應用到真實世界中，從而被人類視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感官所感知，以達到超越現實的感官體驗[2]。因此，AR技術是將真實世界信息與虛擬的信息同時展現，同時將這兩種信息相互補充、疊加，以達到更直觀、生動的體驗效果。AR技術具有3個突出的特點：(1)真實世界信息與虛擬的信息集成；(2)實時的交互性；(3)在三維空間中增加定位虛擬物體[3]。

以前的AR技術需要頭盔顯示器等系列高端設備才能實現，技術開發的硬件、軟件條件要求都較高，導致該技術很難得到普及。2017年蘋果公司發布AR Kit開發包，使普通用戶可以開發基于iOS11版本以上的AR應用程序(App)，有效降低了AR技術的普及門檻。本文作者就是采用蘋果公司該項技術開發了基于AR技術的口腔正畸實驗教學平臺。

1 基于AR技術的口腔正畸實驗教學平臺設計概述

1.1開發平臺及環境 基于AR技術口腔正畸實驗教學平臺開發，使用基于蘋果共識發布的可以免費使用的AR應用開發包ARKit。軟件開發工是Xcode9以上版本。AR程序可運行的軟件環境是iOS11及以上系統，硬件環境是處理器為 A9 及以上的 iPhone 或 iPad 設備(即iPhone 6s及以上版本的蘋果手機和iPad設備)。

1.2平臺架構和功能設計 該實驗平臺架構共分為四層：用戶層、應用層、數據接口層、數據管理層。平臺構架和功能設計示意圖見圖1。

圖1 平臺構架和功能設計示意圖

用戶層主要分為教師端和學生端，分別安裝在教學用平板和學生手機上。在教師端教師可以選定設計、發布正畸實驗教學內容，對學生的學習內容、進度等進行監控，同時可以通過考核等方式對學生的學習效果進行整理和分析，改進教學內容和流程。用戶層的學生端主要供學生實驗使用，學生可以結合口腔正畸實驗教學的靜態模具進行使用，實時進行教學互動。在教學過程中采用AR技術時，可將虛擬的3D模型，比如口周軟組織3D模型、牙齒三維結構模型、正畸加力后牙齒移動模擬、牙周、骨組織生物學改建等信息，疊加到現實的教學真實模型中。學生只需要在手機或者平板電腦上安裝輔助教學的AR技術App，學習時，打開App，以手機攝像頭掃描真實環境中的教材、患者模型或者真實的口內牙齒后，App就能自動識別，并匹配出相對應的3D模型，然后再自動添加上設計好的虛擬模型、注釋、動畫等，從而將虛擬3D信息與現實場景疊加在一起，而且能夠非常方便地在手機或者平板電腦屏幕上顯示，進行模擬實驗教學和操作。

應用層主要分為三大功能模塊，具體包括實驗演示模塊、教學組織模塊、實驗教學素材管理模塊。實驗演示模塊可以由教師自主設計、修改實驗課教學內容。教學組織模塊主要用于管理系統學生信息，可以實時跟蹤、可視化顯示學生的學習進度和狀態。實驗教學素材管理可提供教師輔助設計素材，并可以建立口腔正畸教學中的系列教學模型。

數據接口層主要設計統一的數據庫接口，加強系統開發的可維護性和安全性。數據層采用MySQL數據庫，包含用戶數據表、口腔正畸實驗流程數據、時間線設定數據、演化模型數據、評價體系數據等庫表。

1.3平臺界面設計 平臺界面設計直接影響學生使用體驗，在本平臺設計中，筆者探索性引進了情景認知理論進行人機交互界面設計，可有效提高該平臺對教師使用的友好性和學生使用黏度，減少教師和學生在學習新教學平臺的時間和精力成本。

傳統的情境認知理論的觀點，即認知過程是由情境建構、指導和支持的，而個體的心理通常在情境中進行活動，其中情境分為3個方面：物質或任務方面的情景(包括人工制品和外在的信息表征)，環境的或生態的情景(如工作場合或商業中心)，社會的或互動的情景(如教育、教學或臨床情境)。該觀點認為認知加工的性質取決于其所處的情境，不能脫離情境孤立地去研究[4]。基于AR技術創設的場景，學生可以進行自主的實驗體驗式學習。通過將虛擬物體疊加在現實世界里，學生能在個性化的場景下，根據自身學習進度和個性特點，調整學習內容和進度，使之實現正畸理論與實驗教學的良好互動，獲得良好的學習體驗和教學效果，同時還能增加學生學習基礎理論知識的主動性和積極性。

2 平臺應用教學效果

該平臺開發完成后，在兩個年級的正畸實驗教學課中進行了實際教學使用，教師和學生總體反饋良好。教師訪談中普遍認為該實驗平臺存在以下優點：(1)依托智能手機或平板電腦App進行教學，學生上手容易，同時由于App本身的合理化、人性化設計、使用簡單方便，學生普遍樂于使用。(2)采用AR技術，學習過程形象生動，學習形式樂于被學生接受，對于需要空間想象思維的基礎理論內容，通過該平臺的3D虛擬模擬模型和動畫，教學內容直觀、生動呈現，有效減輕了教師的教學負擔，提高了教學效率。對使用該平臺的學生進行訪談后，學生普遍反映該平臺輔助教學后，提高了對實驗課的學習興趣，加深了對實驗課教學內容的理解，給了學生更多的實驗操作渠道，有利于提高學生的動手實踐能力。但是，目前本教學平臺存在的問題主要體現在由于時間關系，該平臺素材庫的3D模型數量不夠豐富，還需要一段時間的教學積累。

3 小結與展望

AR技術作為沉浸式的體驗技術在教學應用中有廣闊的應用場景。但是由于AR技術之前需要專用顯示器、眼鏡等設備，昂貴的應用成本使普通教學中廣泛應用AR技術幾乎不可能。目前蘋果公司提供的AR開發工具包ARkit有效降低了AR技術的開發難度，特別是只需要其依托于蘋果iPhone 6s和之后的手機及同代iPad硬件設備，即可實現AR技術的應用，使在普通教學中應用AR技術成為可能?？谇徽麑嶒灲虒W對學生空間動態想象能力提出了較高要求，傳統的平面多媒體及靜態教學模具往往不能起到較好的教學效果[5]。

本文作者嘗試在口腔正畸教學中引入蘋果公司的AR技術，開發基于該技術的口腔正畸實驗教學App，經教學實踐，獲得使用教師和學生的一致好評。但在教學實踐中，也反應出模型素材偏少、模型設計難度大等問題。同時，AR模型制作難度仍然較大，存在著普通教師上手困難，需要專業團隊輔助開發的問題。但是在未來工作中，隨著教學經驗的積累和AR技術的進步，將對正畸實驗教學帶來更多革命性教學模式變革。