淺析虛擬仿真實驗教學在正常人體解剖學實驗教學中的應用

鐘占瓊，姜岑，謝璐霜，易曉紅

（成都中醫藥大學基礎醫學院，四川 成都 611137）

人體解剖學在醫學教育中具有重要地位，實驗教學是《正常人體解剖學》課程的重要組成部分，尸體解剖則是加強實踐性教學、培養學生動手能力的一個重要環節。人體尸體標本成為實驗教學中不可或缺的材料。近年來，隨著招生人數的不斷擴大，人體尸體標本出現嚴重短缺的現象，且影響到實驗教學的質量，雖然人體、器官捐獻工作，在一定程度上能緩解尸源不足的問題，但距離實驗教學需要仍相距較遠。

虛擬仿真是以計算機虛擬現實和數碼仿真技術為核心建立的視、聽虛擬環境的高科技術。在計算機環境中建立的虛擬實驗環境使實驗者可以運用虛擬的實驗器械或設備，在實驗對象上進行各種實驗項目練習。虛擬仿真實驗在醫學實驗教學中發揮巨大的作用，通過虛擬實驗的真實感、立體感、多媒體性、多通道性，在無真實實驗條件下，滿足學生們逼真、身臨其境做實驗的需求，學生通過對仿真實驗系統的反復多次模擬操作，加強學生們的能動性和對知識的理解力，使學生掌握基本操作技能和運用知識的能力，可以節約實驗材料、節省時間、避免受實驗條件的限制、避免實驗室污染等問題[1-2]?；谟嬎銠C資源的虛擬仿真技術雖然具有眾多優點，但是，研究表明在對不同組別的學生采用傳統方式，使用計算機技術資源沒有使用尸體解剖，或者傳統與計算機技術結合兩種方式完成解剖學課程，在通過考試和成績方面的結果顯示傳統的教學小組較技術支持的小組取得更好的成績，而采用兩種模式相結合組的成績優于其他組[3]。因此，即使計算機改進已經發展到一個新的領域，為學生提供許多方式以促進他們對圖像結構的處理，但距離替代傳統實驗教學仍然存在距離。

為進一步探究當前的虛擬仿真技術是否能夠達到替代或促進傳統實驗教學，本研究選取由同一位教師授課的同一個班級，采用兩種不同的實驗教學模式，研究現階段虛擬仿真實驗教學在解剖學實驗教學中的作用。

1 資料與方法

1.1 研究對象 成都中醫藥大學2018 級眼視光學專業學生，總人數59 人，男生19 人、女生40 人；年齡19～21 歲。隨機分成對照組與實驗組。

1.2 實驗方法 對照組和實驗組同學由同一老師采用多媒體授課、結合尸體實物標本，掛圖及模型的傳統教學方法講解。兩組同學教材相同，學時相同，為104 課時，其中，理論課68課時，實驗課36課時。但是，實驗組同學要求每次實驗課前、課中或課后使用3D body或者虛擬解剖系統進行對照學習，任何疑問教師及時解答。

1.3 教學內容 按教學進度、教學大綱要求授完《正常人體解剖學》（全國中醫藥出版社，紹水金主編，第2版）內容進行期末成績匯總分析。

1.4 考核 期末理論采用人機對話考試，系統導入試題，分別有單項選擇題，多項選擇題、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；簡答題，每題5 分；論述題，每題8分。滿分100分，由計算機系統隨機組卷，最后對卷面的每一個題型進行全面分析，同時對該班學生進行問卷調查。實驗教學考試采用標本辨認實作考試。

1.5 問卷調查 課程結束完成考核后對實驗組和對照組學生進行問卷調查，分別從激發學習興趣、促進對知識的理解和掌握、促進基礎與臨床的聯系等方面進行評價。

2 結果

2.1 考核成績 實驗組實驗成績高于對照組，差異有統計學意義（P＜0.01），實驗組綜合成績高于對照組，差異有統計學意義（P＜0.01），見表1。

表1 兩組各測試平均成績比較（，分）

表1 兩組各測試平均成績比較（，分）

綜合成績70.88±19.93 57.75±12.01 0.003 0組別實驗組對照組P值實驗成績95.32±3.24 87.08±9.66 0.000 2

2.2 問卷調查 通過手機客戶端發起問卷調查，收回有效問卷58份，虛擬軟件認同度調查分別從實驗可視感、與臨床的緊密聯系、學習興趣、團隊協助能力、自主學習能力、科研能力和動手能力等方面進行評價。結果顯示，在實驗可視感、自主學習能力、科研能力、與臨床緊密聯系、提高學習興趣等方面認同度（完全同意和基本同意）超過80%，而在團隊協助能力和動手能力上則認同度僅有60%，見表2。

表2 學生對虛擬仿真教學模式的評價[n（%）]

對教學和學習的過程中使用的虛擬軟件優缺點調查顯示，在虛擬軟件的優點中，可以不限地點和時間使用、理解組織或器官的層次結構以及便捷的操作方式優于傳統的實驗學習方式超過60%，見圖1；但是在部分組織器官與實物的差異、部分解剖結構的展示不清楚和不利于動手能力培養等缺點超過60%，見圖2。

圖1 解剖學虛擬軟件的優點

圖2 解剖學虛擬軟件的缺點

3 討論

正常人體解剖學是一門研究正常人體形態和結構的科學，是醫學專業必修的專業基礎課。該課程通常是在大學一年新生剛入學第一學期開設，大部分學生還未適應大學的教學方式和學習方式，而人體結構復雜，專業名詞數量龐大，在傳統的教學中多采用教材、模型以及結合實驗教學標本進行，使得教學效果不良。當前，人體解剖學實驗教學主要是剖解和肉眼觀察，從而加深學生對理論知識的掌握，然而，傳統的實驗教學具有時間、地點和實驗標本的局限性，對于非臨床醫學專業學生更是欠缺[4]。因此，需要一種可以有效提高教學質量的教學方式。

隨著網絡技術的發展，3D 模型、全息表示法、基于虛擬現實的軟件、Google 眼鏡、生物打印、虛擬現實和相關技術等新技術在醫學發展中的作用具有廣闊的應用前景[5]。虛擬技術運用于各行各業已日趨明顯，這也使得虛擬軟件在醫學領域的使用越來越廣泛。通過虛擬現實軟件教會醫學和其他衛生專業的學生同情老年人，使他們能夠模擬與年齡相關的疾病，例如黃斑變性和高頻聽力喪失，這種虛擬現實沉浸式訓練醫學生熟悉老年人的健康[6]。此外，借助虛擬現實和計算機生成的交互式環境，個人可以反復體驗其遇到的問題，并通過基于此證據的心理治療學習如何克服困難，結果顯示虛擬現實模擬現實的能力可以大大增加患者獲得心理療法的機會和增強治療效果[7]。

虛擬仿真技術輔助課堂教學具有明顯優勢，能顯著提高學生學習積極性和主觀能動性，提高教師的實驗教學水平，改革實施多樣化實驗教學模塊[8-9]。虛擬仿真技術也運用于各個學科的教學實踐中，如在醫學微生物學的實驗教學中，對照組采用傳統實驗教學模式，觀察組采用虛擬仿真實驗教學后，將虛擬實驗和真實實驗有機地結合，觀察組實驗考核成績、教學滿意度優于對照組[10]。此外還有生理學、病理生理學、藥理學、毒理學等多學科教學中。虛擬仿真在解剖學實驗教學中的應用，更是起舉足輕重的作用。盡管尸體是醫學類專業學生學習解剖學的金標準，但是尸體標本在財務，道德和管理上均有很大的限制。此外，盡管解剖學仍然是醫學教育的基本領域之一，但現在高校已經減少分配給解剖學教學的總體時間，以便支持臨床工作應用。虛擬解剖實驗教學可以提高醫學生的創新能力和實踐能力，節約尸體標本，緩解標本總體的供應不足，此外，也可以提高基礎醫學教學質量，提升教師的教學能力，進一步提高教學水平[11]。

虛擬仿真技術作為搭載手機或電腦終端的計算機網絡技術，可以完整地展示人體內部的精細結構，如骨骼、血管、肌肉等的不同形態，并可以逐層的添加組織、器官等，以三維立體的形式展現機體的形狀、位置及器官間的相互空間關系等。例如，3D body軟件可以在手機終端安裝，內容包括系統解剖學和局部解剖學，可獨立查看男性和女性兩套模型，具有文字描述信息；可以根據板塊添加需要查看的內容，如頭頸部，在此板塊上可以單獨查看骨骼，而骨連接、循環、神經、消化、呼吸、肌肉等可以通過點擊按鈕添加，有不同的顏色加以標注，整個模型可以按照需求任意角度旋轉顯示；此外，還有放大、縮小、隱藏、透明等功能。3D多媒體內容信息量大、功能強大，在解剖教學中結合專業要求、開展教學實踐，顯著提高學生成績[12]。其他虛擬仿真軟件數據庫，如Primal互動3D解剖學數據庫可以逐層剝離解剖模型，顯示關節運動的3D動畫，內嵌學習指導與習題等功能；中國數字人解剖系統（ECDH）有男、女兩套真實、完整人體斷層圖像，可以實現分離、顯示、輪廓示意（透明化）、染色、逐層剝離、任意角度旋轉、隨手畫等功能[13]。心臟解剖學部分由于其結構復雜，是解剖學實驗中對于初學者而言是難以掌握的內容之一。在對學生使用虛擬現實技術干預前后進行相關問題測試，結果顯示，干預后測試平均得分高于干預前，且與對照組比較，接觸虛擬現實技術的學生得分較高[14]。虛擬現實技術使學習者能夠與心臟的解剖學進行三維互動，具有可行性和有效性。

本研究結果顯示，有效結合虛擬軟件3D body和傳統標本實驗教學的模式，能有效改善學生的綜合成績和實驗考試成績，因此，與以往研究結果一致。通過問卷調查的結果虛擬軟件可以不限地點和時間使用、更能理解組織或器官的層次結構、便捷的操作方式優于傳統的實驗學習方式。但是，虛擬軟件有一定的缺點，如部分組織器官與實物的差異、部分解剖結構的展示不清楚和不利于學生動手能力培養等。虛擬和增強現實設備與平板電腦設備一樣可以增加學習者的沉浸感和參與度，但是參與者更有可能出現諸如頭痛、頭暈或視力模糊等癥狀[15]。在系統人體解剖學課程中，在線創建完整的本科解剖課程，并且具有實時交互式實驗室組件，使用協作軟件操縱三維虛擬解剖模型與傳統的面對面課程同時運行，比較學生成績表明，可以預測解剖學傳統面對面教學的學生學習成績[16]。由此可見，在解剖學實驗教學中，傳統實驗教學有尸源不足，標本異味大，結構不易分辨，實驗時間短暫，對于非臨床專業學生動手機會較少等缺點，但是，虛擬仿真軟件、虛擬現實和3D 模型等新技術雖然具有不限地點和時間使用、便于理解組織或器官的層次結構以及便捷的操作方式等優點，亦具有不利于學生動手能力培養，學生成績不可預見性，使用者出現頭痛、頭暈或視力模糊等缺點。因此，這些新技術不能完全取代傳統的實驗教學，旨在尋找能夠學習提升教學質量的資源[17]。

4 小結

綜上所述，根據不同的專業需求不同，可以設置虛擬仿真實驗與傳統實驗教學相結合，互相補充各有的優缺點，充分發揮虛擬實驗的不限時間地點、層次結構清晰的技術優勢，有效利用傳統實驗提高學生的動手能力。整體培養學生的學習能力和動手能力，提高教師的實驗教學水平，實現高質量的教學模式。有效結合虛擬仿真技術和傳統實驗教學能提高教學質量，資源得到最大化使用，深化教學改革。