人體器官三維模型重建在解剖教學中的應用

宋翠榮 王忠 張海峰

摘要：目的：應用三維重建技術建立人體器官三維模型，應用于人體解剖教學，分析教學效果，為形態學科探索一種新的教學方法。

方法：選擇本校2018級臨床專業2個自然班作為實驗組，與傳統教學的2017級臨床專業2個自然班對照，從學生日常課堂表現、學習興趣、章節測驗、平時成績、實驗成績、期末考試、后續學科成績、學生滿意度等方面統計分析教學效果。

結論：應用人體器官三維模型教學可以有效改善教學質量，提高教學效果，值得推廣。

關鍵詞：三維模型;人體解剖學;教學

人體解剖學是醫學領域中重要的一門基礎課，主要講述人體器官的形態、位置、毗鄰，是專業課程的基石，對后續課程的學習與臨床操作具有重要作用;恩格斯說過：“沒有解剖學，就沒有醫學[1]。尸體標本與器官模型是解剖教學的重要工具，但隨著高校招生規模的擴大，醫學院校常處于尸源緊缺的困境：相關資料報道，中國約三十名醫學生解剖一具尸體，遠低于國際標準[2] ;而器官模型大多僅展現器官的整體形態，內部結構顯示不清晰，部分產品制作粗糙，與實際結構差異較大。人體解剖學知識點繁多，器官位置較深、不易觀察，學生的空間想象能力弱，難于理解與記憶，教學效果不理想。

近年來，隨著計算機的發展，虛擬仿真三維重建技術取得了前所未有的成果，促進了醫學等領域的發展[3-4]。本研究將人體器官三維模型應用于教學，并分析其效果，為解剖教學探索一條新途徑。

1.建立人體器官三維模型

人體器官三維模型的制作：骨性器官，選取志愿者，要求：正常成年男性/女性各一名、志愿者身高、體重各參數位于中國男/女性人體50百分位標準尺寸（身高1678.0±59.33mm，體質量59.0±6.66kg）之間[6]，進行CT掃描，獲得志愿者各器官的影像數據。 將影像資料以.dicom格式導入逆向工程軟件mimics17.0，經過一系列處理，最后，生成相應骨骼的三維模型。

肌性器官三維模型的建立：取新鮮標本經冷凍后，進行切割，切片斷層厚度為1cm，將切面拍照、導入mimics17.0，建立器官模型[7]。按照教學過程順序，建立運動、消化、呼吸、泌尿、脈管、神經等人體器官三維模型。

2教學過程設計

2.1研究對象

隨機選取我校2018級三年制臨床專科學生二個班（50人/班）為實驗組， 2017級由相同老師任教的各二個班（50人/班）為對照組。兩個年級選用教材相同、授課教師一致，去除了教材、師資因素的影響;學生的入學成績、年齡、男女比例、既往教育程度等方面經檢驗，無統計學差異（P > 0.05 ），具有可比性。

2.2研究方法

應用對照法，對2018級學生在授課過程中融入人體器官三維模型，將人體三維模型以課件、投影的形式展現給學生;往屆2017級各三個班學生為傳統模式，以掛圖、板圖、模型、標本、多媒體課件教學。效果評價：以調查問卷的形式對學生課堂表現、學習興趣、教學滿意度進行統計，從教務系統調出相應章節成績、期末成績、后續課程成績，等方面分析教學效果。

2.3教學應用過程

理論講授與實驗教學過程中，根據學習目標將三維模型插入課件或投影展示，附以文字解釋說明。所建模型可以清晰、直觀的顯示器官的立體構象，并可以將模型放大、縮小、移動、旋轉、顯示、隱藏、自由組合等操作，配合學生進行任意角度、任意方位觀察。

2.4教學效果評價

采用教師評分、學生座談、調查問卷與統計分析的方法分析，分析指標包括：章節測試、期末測試，后續相關課程的學習成績，課堂表現、學習興趣、教師滿意度等指標。

2.4.1章節考試成績

根據教學大綱，教材知識點，每章內容講解完畢后進行章節測試，重點考察學生對人體器官的位置、結構、毗鄰的掌握程度。

2.4.2 期末考試成績

課程全部學完后，進行期末考試。涵蓋本書的全部內容。題型包括名詞解釋、填空、問答、判斷、簡答、論述，考查學生對知識的理解能力、記憶能力、分析歸納能力。

2.4.3 后續課程成績

跟蹤隨訪，統計分析相接學期的生理學、病理學、藥理學、診斷學成績，由于2017級后續課程正在進行中，在此僅觀察前三個年級學生成績的差異。

2.4.4問卷調查與學生座談

課程學習結束后發放調查問卷，包括：學習興趣、積極性、課堂注意力，對課程的滿意度等內容（詳見表4），評定等級為優秀、良好、可以、較差，對應分值為（20分、15分、10分、5分）采用不記名評價的方式，以保證獲取真實客觀的信息，發放問卷600份，回收592份，有效問卷579份，有效率96.5%，將問卷收回后進行整理與統計。

2.5數據分析

將獲得的各項數據導入SPSS 17. 0統計軟件進行分析，計量資料用“均數±標準差”表示，組間比較應用配對t檢驗，以P<0.05表示差異有統計學意義。

3 研究結果

問卷調查與座談分析：2018級學生課堂學習注意力集中，學習興趣高，主動性強，學習氛圍濃厚;回應老師提問更積極踴躍，對人體器官的形態、位置、毗鄰等知識點的理解與掌握比較牢固。

應用三維模型教學的2018級學生，解剖學章節成績、期末成績普遍高于2017級學生;經跟蹤調查、隨訪，相接學期的生理學、病理學，后續學期的藥理學、診斷學成績普遍高于上兩級學生。實驗組與對照組成績比較，詳見表1-4.

各項結果表明：應用人體三維模型進行人體解剖學教學，有助于學生提高學習興趣，促進對解剖知識的理解，學生成績明顯優于傳統教學。

4 討論

人體解剖學科知識點繁多，理論性強，傳統的授課模式以講解與掛圖模型為主，學生進行抽象的理解與刻板的記憶，理解不深刻，記憶不牢固，教學效果一直不理想。

本研究將人體器官三維模型，應用于解剖學教學，形象直觀，激發學生的學習興趣，提升學習的主動性，有助于解剖知識點的理解與掌握;經統計學分析，章節成績、期末成績、相接后續課程成績，課堂表現，教學滿意度均優于傳統教學，教學效果明顯提高。隨著社會的不斷發展，對醫學教育的要求越來越高，傳統教學模式的知識輸灌、“填鴨式”、“死記硬背”已經落伍[9-10]。因此，探索一種新的教學手段促進知識的掌握具有重要意義。

4.1 三維模型教學可以激發學習興趣， 提高主觀能動性

對于形態學科的學習，圖片比文字直觀，三維立體結構比二維圖像更容易理解[11-12]。學生對照教材文字去想象器官的位置與形態，難以激發其學習興趣。人體器官三維模型展示，不僅能使學生全面的觀察器官，同時激發學生的學習興趣， “在快樂中學習”，提升學習主動性。

4.2 三維模型有助于對解剖學知識點的理解

傳統的解剖學教學主要以教材、掛圖為媒介，僅展示器官的大體形態;基于虛擬技術建立三維模型，可以自由旋轉、放大縮小、顯示隱藏、多角度觀察[13]，解決了尸源不足的難題。將枯燥的理論文字描述轉換為形象直觀的立體模型，生動逼真的展現器官的形態、內部結構與毗鄰關系。三維模型彌補了傳統教學手段的不足，有助于學生對解剖學知識點的理解，為學生后續課程的學習奠定堅實的基礎。

4.3 三維模型教學有助于后續課程的學習

本研究不僅對比了解剖學的章節成績、期末成績、還經過跟蹤調查，對后續生理學、藥理學課程的成績進行對比，結果表明三維模型重建有助于知識點的理解與掌握，有助于后續課程的學習。

4.4 展望

所建器官三維模型可制作為動畫，動態展示器官生長、損傷變化的過程，如胃的蠕動、心臟泵血、骨折、排卵等，相對傳統教學中語言描述與操作演示，更加仿真，可以更直觀的觀察、簡單易懂。

總之，將人體器官三維模型應用于解剖教學，把人體器官直觀、生動的展現出來，改變了單一展示授課的教學模式。經對照分析，多方面考核，跟蹤調查，表明人體器官三維模型應用于教學，可以激發學生興趣，發散思維，提升思考力，促進解剖學與后續相關課程的學習，在形態學課程教學中具有廣闊的前景。

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作者：宋翠榮，女，碩士，研究方向：人體解剖與臨床。

通訊作者：張海峰，男，碩士，副教授，醫師，從事人體解剖教學與臨床研究十余年，研究方向：骨、三維重建與生物力學。

基金項目：河北省衛健委資助項目（編號：20210150）、滄州醫學高等專科學校教改項目（編號：2019JG03）。