虛擬仿真在人體解剖學循環系統教學中的應用探究

游言文　于世奇　田新紅　徐玉英　張文嫻　郝莉

【摘要】 ? ?人體解剖學是研究正常人體各系統組成器官位置、形態和結構的科學，是醫學專業重要的基礎課程之一。虛擬仿真是基于互聯網技術平臺，以虛擬為手段，仿真為表現形式的一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統。近幾年虛擬仿真已被逐漸應用于基礎醫學課程的教學中。本研究以我校2020級中西醫臨床醫學專業本科一年級學生為觀察對象，將人心臟解剖虛擬仿真實驗融入到循環系統解剖學教學中，并通過章節測試和調查問卷相結合的方法對教學效果進行評價，結果顯示虛擬仿真融入專業基礎課實驗教學可提高學生的專業課成績和課程滿意度。

【關鍵詞】 ? ?虛擬仿真 ? ?人體解剖學 ? ?教學

引言：

虛擬仿真是基于互聯網技術平臺，以虛擬為手段，仿真為表現形式的一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，具有交互性、真實性以及多感知性等特點[1-2]，通過構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生進行虛擬仿真實驗能夠達到教學大綱要求的教學效果[3-4]。近幾年虛擬仿真已被逐漸應用于基礎醫學課程的教學中。

人體解剖學是研究正常人體形態結構的科學，屬于形態學范疇，是醫學專業重要的基礎課程之一。循環系統是人體解剖學的重要章節，其中心臟的結構是學生必須掌握的知識點。心臟結構復雜，傳統的心臟解剖學教學是先進行理論課講解，使學生對心臟結構有所了解后，再通過實驗課觀察心臟模型或標本來加深理解。但是模型不能真實地反應心腔內的結構，標本來源緊張，頻繁使用導致顏色加深，再加上心腔內觀察視野較小，不利于學生觀察，所以如何讓學生清晰準確地觀察心臟結構是一個亟待解決的問題。我們針對這一教學難點設計開發了“人心臟解剖虛擬仿真實驗”教學系統，通過對心臟標本3D掃描、建模，展現人心臟的三維解剖結構，實現立體、全方位、多角度觀察，讓學生通過交互操作，對心腔結構進行識別、虛擬解剖，可以重復練習，而不用擔心對標本的破壞。

本研究探討虛擬仿真技術在人體解剖學實驗教學中的應用效果。以我校2020級中西醫臨床醫學本科一年級學生為觀察對象，將人心臟解剖虛擬仿真實驗融入到人體解剖學循環系統教學中，并通過章節測試和調查問卷相結合的方法對教學效果進行評價，分析了虛擬仿真在實驗教學中的作用，為中醫院校人體解剖學課程實驗教學奠定理論和實踐基礎。

一、教學效果評價

1.1 教學對象

本課題以我校2020級中西醫臨床醫學本科1班和2班的學生為觀察對象，由于兩班在入學時是根據隨機分配的原則產生，所以年齡、性別、知識基礎、能力基礎和思政基礎等方面均不存在顯著性差異。其中2020級1班132人，2班124人，共計256人。分為兩組：1班為對照組，2班為實驗組。對照組使用傳統實驗教學模式（觀察心臟模型和標本），實驗組在傳統實驗教學模式基礎上融入虛擬仿真技術。

1.2 效果評價方法

1.2.1 理論測試

為了評價虛擬仿真融入到人體解剖學循環系統中的教學效果，我們通過中國大學MOOC在線學習平臺對兩組學生進行了循環系統章節理論測試，理論成績占總成績的70%。理論測試包括選擇題10道，判斷題10道，問答題2道，總分100分。測試成績分為四個分數段進行統計：91-100分、76-90分、60-75分和60分以下。

1.2.2 實驗測試

為了評價虛擬仿真技術融入到循環系統實驗的教學效果，我們通過對兩組學生進行了循環系統實驗測試，實驗成績占總成績的30%。測試包括兩部分：辨識模型、標本和心臟解剖虛擬仿真實驗平臺考核，各占總成績的15%。實驗測試成績總分為100分，分為四個分數段進行統計：91-100分、76-90分、60-75分和60分以下。

1.2.3 課程滿意度調查

循環系統學習結束后，我們通過問卷星進行問卷調查，調查學生對循環系統解剖學教學和學習的滿意度。調查內容主要包括10個問題，例如是否有助于重點知識的理解和記憶;是否有助于提高學習積極性;對目前實驗課教學模式是否滿意;是否有助于理論聯系實際等等。每個問題有四個選項，不同選項對應不同的分值，最后計算總分。分為四個等級：非常滿意（100分）、滿意（85分）、一般（70分）和不滿意（60分以下）級，課程滿意度=（非常滿意人數+滿意人數）/班級總人數×100%。

1.3 統計學分析

本研究組間數據差異均采用Graphpad Prism 6的卡方檢驗和t檢驗進行統計分析，P < 0.05表示具有統計學差異。

二、研究結果

2.1 虛擬仿真可提高學生測試成績

從表1結果可以看出，兩組學生理論成績、實驗成績和總成績分布有統計學差異（P =0.01，P <0.001，P =0.001）。對照組平均理論成績為72.51±9.62，實驗組平均理論成績為79.14±9.91，兩組差異具有統計學意義（P <0.05）。對照組平均實驗成績為71.12±7.33，實驗組平均實驗成績為82.07±8.04，兩組差異具有統計學意義（P <0.05）。對照組平均總成績為72.09±8.46，實驗組平均總成績為80.91±9.14，具有統計學差異（P <0.05）。兩組成績出現差異的原因可能是將人心臟解剖虛擬仿真實驗融入到循環系統解剖學教學中可以促進學生理論課和實驗課學習的積極性，激發學生的內在動力。

2.2 虛擬仿真可提高學生對課程的滿意度

從表2可以看出，兩組學生對本課程的整體滿意度評價有差異，并具有統計學意義（P <0.001）。對照組學生課程滿意度人數比例（69.70%）低于實驗組（93.55%），這個結果說明將人心臟解剖虛擬仿真實驗融入到循環系統解剖學教學中可明顯提高學生對課堂的整體滿意度。

三、討論

心臟是人體循環系統中最重要的組成器官，準確、熟練地掌握心臟的位置、形態和結構是醫學生學習人體解剖學的重點內容。傳統的心臟解剖實驗主要依賴于模型或標本，然而由于人心臟內部結構的復雜性，傳統的心臟模型或標本難以展示心臟的全部結構和各結構之間的空間位置關系。而且人心臟標本來源緊張、易損耗，使得重復利用率低;標本固定液福爾馬林刺激性氣味大，實驗課必須在專門的解剖實驗室內才能進行，學生自主學習的時間、空間受到限制。因此，心臟解剖實驗的教與學一直是困擾著教師和學生的一個難題。計算機虛擬現實仿真技術的發展為解決這一問題提供了幫助，本研究中使用的人心臟解剖虛擬仿真實驗是以真實人心臟標本為模板，利用3D掃描、建模技術進行構建，展現人心臟的三維解剖結構和冠狀動脈血管造影，讓學生通過交互操作，學習掌握人體心臟的結構，降低了對標本和模型的依賴。

本研究以我校2020級中西醫臨床醫學專業本科一年級學生為觀察對象，將人心臟解剖虛擬仿真實驗融入到人體解剖學循環系統實驗中。目前，虛擬仿真實驗平臺主要面向臨床醫學、中醫學和中西醫結合醫學等專業學生開放和使用，可與人體解剖學-循環系統-心臟解剖的理論教學同時進行。虛擬仿真實驗平臺登陸方便，不需要下載插件，打開網址即可開始實驗。實驗過程與實際解剖基本一致，仿真度高。操作界面簡潔美觀、色彩豐富，心臟不同結構部分可以用不同顏色標記;立體感強，有視覺沖擊力，能清晰準確地展示三維心臟解剖結構，易激起學生的好奇心和求知欲，提高學習興趣。并可使教學難點形象化，便于學生理解，例如左右房室口的瓣膜二尖瓣和三尖瓣的組成和作用原理一直是心臟結構的難點，靜態的標本上和模型不能充分展示，學生通過虛擬仿真實驗平臺可以清晰地觀察到兩個房室瓣的三維立體結構和房室口閉合、開放時的瓣膜狀態。另外，心傳導系的組成是心臟結構的重點，由于牽涉到微觀結構—特殊心肌細胞，在標本和模型上都不能觀察到，學生通過虛擬仿真實驗平臺可以觀察到特殊心肌細胞的三位立體結構，提高了學習興趣，便于理解心傳導系的組成和傳導功能。

傳統實驗中，福爾馬林等有害氣體刺激呼吸道黏膜和瞼結膜，實驗課上學生觀看心臟標本的時間被迫縮短，觀察不夠詳細，知識點理解不充分;虛擬仿真實驗是在虛擬環境中進行，無需吸入福爾馬林等有害氣體、無需搬動標本、虛擬的解剖操作與觀察可重復進行，彌補了標本的不足;同時可交互性的操作界面，提高了學生的學習興趣和積極性;虛擬仿真技術可以不受時間和環境限制，打破了必須在特定的解剖學實驗室內學習的空間和時間局限性，學生可以在圖書館和校外等任何網絡覆蓋的地方進行自主學習，所以學生在不知不覺中延長了觀察時間，激發了學生內在學習動力，有助于對知識點的理解和記憶。另外，學生學習結束后還可通過考核評估系統，了解自己對心臟解剖知識的掌握情況，提示對薄弱知識進行強化，提高學習效果。

教學評價主要包括兩個核心環節：對教師教學工作（教學設計、教學方法等）的評價和對學生學習效果的評價即考試[5]。循環系統學習結束后，本研究針對前者調查了學生對課程的滿意度，針對后者讓學生進行了循環系統章節測試。課程滿意度調查結果顯示：虛擬仿真技術融入到實驗教學中可明顯提高學生對課程的滿意度，實驗組學生滿意人數比例（93.55%）明顯高于實驗組（69.70%）。這一結果提醒我們在以后的解剖學教學中要繼續關注虛擬仿真實驗平臺的建設，一方面要繼續完善心臟虛擬仿真實驗平臺，如后續建設要和臨床疾病發病、治療逐漸聯系起來，逐步引入心內注射、心臟復蘇和心臟瓣膜手術等，讓學生建立理論聯系實踐的理念。另一方面要逐漸建立起消化、呼吸、泌尿和神經等系統虛擬仿真實驗平臺，緩解人體解剖學教學中標本來源緊張的局面。章節測試結果顯示：虛擬仿真技術融入到實驗教學中可明顯提高學生的實驗成績、理論成績和總成績。不少實驗組學生反映虛擬仿真實驗平臺易于清晰觀察心臟內部如左右心房和心室的結構，冠狀動脈的循行及其分支。虛擬環境中可清晰觀察到心臟內部結構的三維形態，解決了標本或者模型試驗摸得著、看不清的問題，從而提升學習效果。

虛擬仿真實驗平臺實現了實驗教學方法創新[6]，豐富了解剖學實驗教學資源[7]，將心臟解剖虛擬仿真實驗融入到傳統實驗教學中，既體現虛擬仿真網絡教學實時在線、無損操作、反復練習的優勢，又保留傳統實驗教學直觀、真實的優點。豐富了實驗考核評價的形式。

綜上所述，本研究將人心臟解剖虛擬仿真實驗融入到人體解剖學循環系統實驗中，并通過章節測試和調查問卷相結合的方法對教學效果進行評價，結果顯示虛擬仿真技術融入專業基礎課實驗教學可提高學生的專業課成績和課程滿意度，這些結果為中醫院校人體解剖學虛擬仿真實驗教學奠定了理論和實踐基礎。

參考文獻

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[7]張濤，林莉，吳攀峰，等.基于虛擬仿真實驗教學平臺的醫學留學生系統解剖學實驗教學研究.湖北科技學院學報.2018，38（02）：116-120.

游言文（1966—），男，漢族，河南省開封市，河南中醫藥大學，教授，中醫藥防治神經退行性疾病的作用機制;

于世奇（1987—），男，漢族，河南省開封市，河南中醫藥大學，講師，中西醫結合防治腦病;

田新紅（1967—），女，漢族，河南省鄭州市，河南中醫藥大學，副教授，神經退行性疾病發病機制;

徐玉英（1978—），女，漢族，河南省鄭州市，河南中醫藥大學，副教授，中醫藥防治神經退行性疾病的作用機制;

張文嫻（1985—），女，漢族，河南省鄭州市，河南中醫藥大學，講師，中西醫結合防治腦病;

通訊作者：郝莉（1971—），女，漢族，河南省鄭州市，河南中醫藥大學，副教授，中醫藥抗衰老。

基金項目：河南省高等學校青年骨干教師培養計劃（2019GGJS110）;河南省高等學校精品在線開放課程：序號60;河南省本科高校課程思政樣板課程：序號61。