虛擬仿真實驗在教學中的嘗試與應用——以脊柱運動康復生物力學虛擬仿真實驗為例

◇南京體育學院 王鐘梅 宋雅偉

虛擬仿真教學具有安全、開放、共享的特點。南京體育學院在堅持“能實不虛”原則的基礎上構建了脊柱運動康復生物力學虛擬仿真實驗教學項目，采用了虛實結合的教學方式，彌補了傳統教學的不足，更有利于學生創造思維的培養。

1 虛擬仿真的概念

虛擬仿真技術是由網絡、客戶端以及虛擬的軟件等組成的,用戶可通過互聯網訪問服務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。虛擬現實，也稱虛擬實境，是指通過計算機實現的“類實物”3D場景的一種技術，可讓用戶產生身臨其境的沉浸感[2]。仿真是通過特定的“模型”實現的，用以模仿真實世界的運行過程，以完成推演或用于訓練[2]。

2 實驗設計

2.1 項目建設的背景

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的壓力，也使脊柱周圍的肌肉和韌帶長期處于非協調受力狀態，從而使脊柱形態發生異常改變[3]。由于脊柱周圍分布著復雜且重要的血管、神經和脊髓組織，手術風險較大，因此針對脊柱疾病的運動康復尤顯重要。但由于脊柱結構的復雜性、力學機制的不確定性、評估的高成本、面向人群的特殊性和康復手段的多樣性，使其在實驗教學過程中不易直觀展現與理解，學生反應難學，教師反應難教[4]。

基于以上原因，教學團隊依據“能實不虛、虛實結合、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合”的方式，將虛擬仿真技術融入脊柱康復生物力學實驗教學中。通過3D模型展現實驗流程，以問題為導向推動實驗開展，虛實結合，引導學生在虛擬環境中做真實驗，使其更直觀的了解脊柱的形態、功能和基本力學規律，并進一步掌握脊柱疾病的基本評估方法和康復手段。

圖1 虛擬仿真實驗流程圖

2.2 實驗內容

脊柱運動康復生物力學虛擬仿真實驗教學項目由4個環節組成，分別是脊柱認知、脊柱篩查、力學分析和運動康復，共4學時。

（1）脊柱認知。脊柱認知環節通過虛擬仿真平臺展現頸椎、胸椎、腰椎等的解剖結構，使學生掌握相關的解剖學知識，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。脊柱篩查環節是學生在觀看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）力學分析。力學分析環節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小；通過Cobb角的測量，知曉脊柱側彎的嚴重程度并選擇治療方法以及監測治療效果；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訓練；通過虛擬的椎間盤受力測試，觀察椎間盤在不同受力狀態下的蠕變，從而了解椎間盤的病理變化。

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

2.3 教學方法

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

圖2 實驗架構以及教學方法實施圖

（1）自主學習式教學方法。相對于專業知識本身,該教學方法更注重讓學生探索知識的來源。首先，在實驗介紹環節讓學生以脊柱為例了解此項目建設的必要性、實驗目的、流程和實驗指南；其次，讓學生掌握實驗過程所需的知識點，如脊柱結構功能認知、脊柱篩查的原理及儀器操作、脊柱力學分析及康復的相關知識等；最后，對實驗進行總結并生成實驗報告。

本項目設計由易到難，知識水平逐層提升，符合學生自主學習的學習規律。同時，學生可以根據自己的知識水平自主選擇符合自身知識層次的實驗，充分發揮了學生的自主性。

（2）互動式教學方法。互動式教學方法的目的是學生通過脊柱形態功能的篩查，了解不同參數、細節對實驗結果的影響，加深其對知識的了解與掌握，彌補了傳統教學中“重理論講授、輕過程分析”的不足。能夠有效幫助學生提升專業綜合實踐、思考能力。通過各個階段的互動考核，確保學生真正掌握相關知識。

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

3 建議與展望

由于運動康復生物力學的特殊性，其開發難度很大，以致現階段開發的虛擬仿真操作系統、軟件、模型的種類、數量、質量都很有限，還需進一步提升。

4 結語

脊柱運動康復生物力學這門課程需要通過大量的臨床實踐來培養學生的動手能力。將虛擬仿真技術與此課程融合成實踐課，探索構建適用于運動康復生物力學教學的虛擬仿真實驗教學平臺，順應了《教育信息化2.0行動計劃》，是高等教育信息化的必然產物。虛擬仿真教學技術使得學生可以在虛擬場景中做“真”實驗，能夠補充和拓展傳統的教學模式和實際應用操作，能夠顯著提升學生的學習能力、動手能力、科研思維能力、溝通與協作能力等[5]。