基于三維虛擬仿真CT教學軟件平臺的課程設計和教學實踐

文/廣東食品藥品職業學院醫療器械學院 賴勝圣 張剛平 劉文平

廣州市第一人民醫院放射科 華南理工大學附屬第二醫院放射科 楊蕊夢

一、前言

近年來，隨著國家對醫療衛生費用的投入不斷增多，醫療衛生機構數量不斷增加，醫療器械制造、發展政策持續發布等因素刺激著國內CT設備市場持續增長。[1]另一方面，2020年突發的新型冠狀病毒給我們帶來了巨大的災難，嚴重威脅著人類的健康及生命，CT設備在新冠肺炎病例的篩查及診斷中發揮了巨大作用[2,3]，常規CT設備及方艙CT設備需求日益增多。綜上所述，未來幾年中國CT設備市場仍會處于穩定發展階段。隨之而來，CT設備的安裝、維護、保養的專業性人才的需求亦會持續增加。為此，國內開設智能醫療裝備技術專業的高職高專院校或者生物醫學工程專業的本科院校越來越多。經過調研得知，各大院校對于CT等大型醫學影像設備的教學主要存在以下問題[4-7]：

(1)CT設備缺乏。CT設備屬于貴重精密醫學儀器，價格極高，學校一般不會購買全新的CT作為教學設備，許多開設了相關專業的院校一般采取理論教學為主，參觀醫院影像科為輔，缺乏實體設備教學，學生缺乏學習激情，導致學生理論和操作技能脫節。

(2)CT實訓室建設費用過高。CT設備體積龐大，對實訓場地不但有面積要求，同時要滿足大功率供電、射線防護工程，這對于學校來說是難以承受的壓力。

(3)實訓成本過高。個別學校擁有一兩臺CT設備，但無法滿足安裝、拆卸等實訓項目，主要原因是設備經受不起高頻率的拆卸，對部件的磨損大，成本異常高。

本文章主旨是將三維虛擬仿真技術引入到智能醫療裝備技術專業日常教學中，運用該虛擬仿真軟件與實訓室現有的設備，形成理論與實操相結合，虛擬仿真設備與實物設備相結合，簡稱“理-實、虛-實”雙結合，以逼真的三維模型，真實的交互體驗，提高學生學習積極性和主動性，激發其學習興趣，改善教學效果和提升學習效率，是一種新的嘗試和探索創新，對推動本專業教學的發展具有重要的意義。

二、課程基本情況

根據本專業標準，結合醫用CT設備分析與維修這門課程就業相關崗位要求，把課程知識目標、技能要求及素質要求整理如表1所示。

表1 課程基本情況

三、課程總體設計

“教師講+學生聽”這種傳統灌輸式的教學方式已經不能適應現在信息高度發達的時代[8]，單純知識點的傳輸極度讓學生產生疲倦，甚至厭煩。基于這一點，我們設計了以教師引導、學生為中心的“理-實、虛-實”雙結合一體化教學方式，如圖1所示。目前，我們采購的虛擬仿真CT設備軟件以某公司16排螺旋CT為原型，使用3Dsmax軟件對CT設備高壓發生裝置、X線球管、探測器、掃描床及部分外圍設備及內部結構進行建模、材質貼圖，能夠實現模塊的拆卸、裝配模擬；掃描過程模擬；機房暢游；常見故障分析等，如圖2所示。

圖1 教學設計及步驟

圖2 虛擬仿真CT教學軟件平臺

四、課程具體實施

在課程設計總體思路基礎上，我們按目前實驗室已有的條件設計每一次課，下面以“CT球管認識及拆裝”為案例進行詳細說明。

(一)案例概況

本案例涉及的課程相關的崗位有： CT調試及維修崗位、CT安裝崗位。

理論要求：CT球管作用、結構及特點。

能力要求：CT球管拆卸、安裝的正確步驟及注意事項。

教材：《醫用CT設備原理與結構》，自編教材。

課時：4課時。

授課教師：校內專任教師+校外兼職教師。

授課地點：醫用CT設備維修實訓室。

實訓設備：16層CT、球管及虛擬仿真教學軟件。

圖3、4 球管的拆卸

(二)教學過程

1.第一個環節

回顧上一節課知識，提問“CT成像的主要原理是什么？CT成像原理與X線成像原理有什么區別？”接著由問題“如果CT設備在使用過程，提示球管已經損壞，那么我們應該如何更換球管”引出本案例“CT球管的拆卸與安裝”。校內專任教師通過照片、視頻等多媒體方式講述CT球管的作用、結構、特點等必要的理論知識，將CT球管的相關概念傳授給學生，讓學生對CT球管的作用有初步的、模糊的輪廓。引導其思考“根據CT成像原理，那么CT球管與普通X線機球管有什么區別”？緊接著，教師通過電腦操作虛擬仿真軟件，通過視覺拉伸、放大、旋轉等方式展示，反復強調重點，開始步入“虛擬”環節。最后，教師布置下一環節問題：“CT球管更換前應核對新舊球管的參數是否完全一致？”這一環節主要是以理論知識傳授為主，虛擬仿真教學平臺為輔。

2.第二個環節

根據已學理論，由校外企業兼職教師采用CT球管實物展示方式講述CT球管的結構及特點，接著教師結合真實16層CT設備給學生講授球管的作用、與其他部件的物理聯系等，讓學生認真觀看實物，并布置問題：“如果要更換損壞球管，應該怎么拆卸？”這一步驟屬于實物教學。

下一步講述重要知識點——球管的拆裝，教師在三維虛擬仿真CT教學軟件平臺上詳細操作球管的拆裝步驟，并把拆卸、安裝步驟、拆卸所需工具和注意事項逐一描述，如圖3、4所示。學生通過聽講、做筆記等方式消化本節課的重點、難點。

3.第三個環節

經過上述必要的理論及虛擬仿真教學過程后，學生對CT球管的外觀、作用、結構、特點、安裝位置等已經有了初步認識，校外企業兼職教師進行階段性小結，抽查學生記錄球管拆卸步驟的筆記，布置“球管拆卸”子任務。

下一步，需要學生在已經安裝了CT虛擬仿真教學軟件平臺的電腦上進行獨立虛擬仿真操作。結合虛擬軟件中的文字說明，要求掌握CT球管拆卸、安裝的關鍵步驟、注意事項。此過程是在校內專任教師及校外企業兼職教師的共同協作下，指導學生通過三維虛擬仿真CT教學軟件平臺進行虛擬互動、人機交流，熟悉球管的結構及作用，整理出球管的結構及更換球管的相關規范要求，畫出示意圖及流程圖。

此步驟要求學生分組討論，并由教師隨機抽取學生小組到講臺上匯報總結，由教師打分、同學互評兩個環節進行評價。

最后，由教師統一安排進行考核，由教師在虛擬仿真教學軟件平臺中設置考核時間、考核步驟順序等。通過考核檢驗學生對CT球管的拆卸與安裝能力的掌握程度，考核界面如圖5所示。

圖5 虛擬仿真教學軟件考核界面

通過任務為導向的教學實施過程，學生一改以往被動式、填鴨式的學習方式，發揮了主觀能動性和積極性，變為主動探索實踐，同時課程也由傳統單一的理論課堂變為虛擬的工作場景。學生逐漸降低對教材和教師的依賴程度。學生目標一致，通過團隊成員間的磨合、合作、評價，也能讓學生深刻體會到CT設備維修崗位的工作狀態。

綜上所述，此教學設計要求教師學習以培養學生獨立操作能力為中心的全新教學理念，在“理-實、虛-實”雙結合的教學模式中，教師更多的是指引作用，隨時指引學生行動，降低傳統教學中以教師講“講”的比例。

五、教學效果和評價

從過往幾屆學生開展問卷調查，收集教學效果反饋意見。從調查問卷結果獲悉，絕大部分學生對“理+實，虛+實”相結合的教學方式持肯定態度，普遍認為虛擬仿真教學軟件的使用：(1)加深了對設備的理解和認識；(2)提高了學習積極性；(3)增進了動手技能；(4)節省了實踐時間。通過用人企業的反饋得知，通過虛擬仿真CT教學軟件平臺的訓練，我們的學生能深入理解CT設備的基礎理論，對CT設備的結構熟悉，更容易進入工作狀態。

六、結束語

現代職業教育觀念和教學模式在不斷更新迭代，越發趨向于技術化和科技化。[9]在強調專業技能教學同時，設計和實踐一種激發學生學習主動性、提高學生專業素養的綜合授課模式顯得尤其重要。[10]在這樣的前提和背景下，考慮CT設備在醫療器械類專業的重要地位，改進更新CT設備課程的教學模式迫在眉睫。我們CT設備課程團隊建立基于三維虛擬仿真“理+實、虛+實”交叉的教學模式大大激發了學生們的學習積極性和主動性，同時提高了教學效率及降低了教學成本，是教與學雙贏的模式。在接下來的工作中，我們計劃進一步選取其他昂貴的醫學影像設備如MRI課程進行虛擬仿真教學設計，把目前現有的虛擬仿真教學軟件更新為網頁版本，結合雨課堂等技術輔助教學，讓醫療器械類專業學生在課后亦能方便學習，成長為更符合時代特色的應用型人才。