非交互式虛擬現實用于康復動作的教學效果

張宏 閆瑾 孫昕 崔立軍 李嘯揚 謝青 牛傳欣*

（1.上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院康復醫學科，上海 200025；2.上海交通大學醫學院康復醫學系，上海 200025；3.上海市瑞金康復醫院康復醫學科，上海 200025）

運動療法是康復教學的重要內容，其教學難點在于動作要點不易形成直觀感受，原因是患者在徒手或持械狀態下運動，肢體姿勢和肌肉發力都隨時間而發生變化。在目前的康復課堂教學中，為本科生講授運動療法時仍以圖片文字為主要媒介，只能承載靜態內容，無法展現肢體運動細節，影響學生臨床實習的效率［1］。非交互式虛擬現實（Non-Interactive Virtual Reality，NIVR）技術是利用計算機建立人體和康復環境的三維動畫，借助于鼠標、頭顯、搖桿等設備獲取期望的視角和動線，然后將錄制好的三維動畫作為教學內容播放給學生。該技術可保證多人同堂學習同一套材料，因此NIVR可以無縫接入現有康復醫學的課堂教學［2］。

為達到利用NIVR提升康復教學效率的目的，我們提出并建立了一套利用Blender開源軟件進行教學內容定制開發的方法。Blender是一款開源的跨平臺三維動畫制作軟件，在國際學術界和開源社區廣受好評，國內有高校利用該技術搭建大學生虛擬實驗室［3，4］。Blender的突出優勢是以一套小巧的軟件包，提供了NIVR所需的幾乎所有內容制作功能，而且可以通過Python編程接口與頭顯、搖桿等人機交互設備協同工作［5］。本研究首先展示了基于Blender制作NIVR的3個案例，并通過實驗觀察了該方法是否能夠提升康復運動療法的教學效果。

1 方法與對象

1.1 教材制作方法

康復動作選擇方面，由兩位中級以上職稱且具有帶教資格的物理治療師選取3項上肢訓練動作：墻角后壓、棍棒外旋及上肢前推。這3項康復動作是指導患者訓練時常用的基礎動作。墻角后壓為徒手完成，棍棒外旋是持械完成，上肢前推可以利用康復機器人完成。這3個動作雖然看似簡單易懂，但在臨床實習帶教過程中，卻經常有學生對動作細節理解錯誤或不到位。

圖文教材的制作方面，課題組分別編寫3項上肢訓練動作的說明，并參考教材或公開發表文獻，制作能形象展示該動作的插圖。每個動作的說明文字字數控制在100字以內。墻角后壓、棍棒外旋的文字說明參考繁體中文版《運動治療學》［6］并針對臺灣與大陸的用語習慣進行了術語校正；上肢前推的文字說明參考課題組已發表的臨床研究［7］。

NIVR動畫的制作方面，首先使用Blender軟件創建人物、器械和環境的三維模型，然后完成人物和器械（包括棍棒、Fourier ArmMotus M2Pro型康復機器人）的綁骨，擺放好人物的關鍵姿勢。同時調整攝像機位置，以呈現利于觀看者學習的角度。NIVR動畫渲染成功后，通過剪輯軟件加入與圖文資料統一的文字說明。圖文資料和NIVR動畫見圖1。

圖1 傳統圖文資料（左）和Blender非交互式虛擬現實動畫屏幕截圖（右）

1.2 研究對象

2022年6月—2022年7月，招募在上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院實習的24名本科生，按隨機數字表法分為兩組。研究組12人，其中男生9人，女生3人，平均年齡（22.71±1.45）歲。對照組12人，其中男生5人，女生7人，平均年齡（22.64±0.89）歲。所有參與學生均對本研究知情同意。經過χ2檢驗，對照組和研究組兩組間性別和組別之間差異無統計學意義（P＞0.05）。經過Shapiro-Wilk正態性檢驗和Levene方差齊性檢驗，得出兩組年齡數據滿足正態分布和方差齊性假設，使用獨立樣本t檢驗比較得出，研究組和對照組在年齡上差異無統計學意義（t＝0.34，P＞0.05）。

1.3 教學與評價方法

教學過程中，研究組以NIVR動畫為教材，對照組以傳統圖文資料為教材，分別在1h之內自學3個上肢訓練動作。自學完成后，兩組均需回答9道考試題，內容涵蓋運動的關節角度、發力方式、相關肌肉。考題回答完成后，兩組的所有學生都會被展示NIVR動畫和圖文資料兩套教材，并被要求通讀后填寫包含12個問題的調查問卷。實驗流程見圖2。

圖2 實驗流程圖

1.4 統計分析

考試考核共包含9道題目。對兩組標準化試題成績數據集進行Shapiro-Wilk正態性檢驗，證明了數據集滿足正態分布［8］。采用t檢驗和邏輯回歸探究研究組和對照組兩組間標準化試題的平均成績有無顯著性差異。NIVR調查問卷共包含2項性別統計、對NIVR的了解程度統計以及10項問題，要求學生從“非常認同（2分）”“認同（1分）”“一般（0分）”“不認同（-1分）”“很不認同（-2分）”中選擇答案。采用雙因素方差分析探究組別和題目對于NIVR調查結果是否有影響。P＜0.05則認為差異具有顯著性。統計分析應用4.1.2版R軟件完成。

2 結果

2.1 考試考核

t檢驗顯示，兩組間標準化試題成績無顯著性差異（P＞0.05），研究組的平均成績為（10.17±2.91）分，對照組的平均成績為（9.5±2.5）分。見表1。考試題中有一個問題是“前推動作中有哪些肌肉參與”，邏輯回歸顯示對于該問題，研究組成績高于對照組，兩組比較差異有統計學意義（β1＝0.14，SE＝0.06，t＝2.16，P＜0.05）。其OR值為1.15，表示研究組回答該題正確的事件發生概率比對照組高1.15倍。

表1 兩組考試考核成績比較（，分）

表1 兩組考試考核成績比較（，分）

2.2 問卷調查

共發出并回收問卷24份，由頻率分布熱度圖（圖3、圖4）和教學情況問卷調查結果（表2、表3）可見，兩組學生均對于NIVR用于康復教學的認可程度較好。我們首先研究的問題是組別和問題對卷面總分是否有影響。采用雙因素方差分析，自變量為組別、問題、組別和問題的交互作用，因變量為總分，為計量資料。結果顯示，組別對總分有顯著影響（F1，220＝11.61，P＜0.05），而問題與組別和問題的交互作用對分數影響不顯著。交互作用情況如圖5所示。可見對照組對NIVR的評分比研究組更高，表示使用圖文資料的對照組在得知有NIVR動畫后，更加認可這種新型的教學方式。我們還對教學情況問卷調查得分計量資料進行獨立樣本t檢驗，發現對照組在回答“我很滿意NIVR教學方式”時，得分高于研究組，差異有統計學意義（t18.68＝2.55，P＜0.05）。見表4。

表2 研究組教學情況問卷調查結果［n（%）］

表3 對照組教學情況問卷調查結果［n（%）］

表4 教學情況問卷調查得分獨立樣本t檢驗結果表

圖3 研究組調查問卷熱度圖

圖4 對照組調查問卷熱度圖

圖5 分組與問題分數的交互作用圖

3 討論

3.1 結果回顧

我們的研究表明，與傳統教學工具相比，NIVR教學給學生帶來更好的運動療法學習效果，優勢主要體現在觀察肌肉參與運動的表現更直觀、教學方式被更加認可。這與既往虛擬現實訓練系統用于康復教學的研究結果相似［9，10］。表明NIVR可以作為康復運動療法教學的補充。康復醫學的實踐性強，學生在老師的指導下操作才能取得較好的教學效果。但大學生獲取知識最主要的途徑還是課堂教學和自學，教學媒介仍以文字和圖片為主［11］。圖文資料只能承載靜態內容，無法展現運動療法中的肢體運動細節，難以讓學生在進入臨床前對訓練動作形成準確理解。所以，開發更直觀、表現力更強的康復醫學教學方法，突破圖片文字的局限，解除學生對康復動作的陌生感，才能培養出知識扎實、技術過硬的實用型康復人才［12］。

本研究所涉及的NIVR技術的核心是通過計算機生成的三維虛擬環境來提供一種非真實的、被動式的用戶體驗［13］。在制作NIVR三維動畫時，可以集成建模、動畫等技術，構造出視覺逼真的環境［14，15］。動畫中還可以變換視角，使觀看者得以觀察到事物全貌［16］。NIVR的應用范圍廣泛，國外已經出現NIVR用于輔助康復的案例［17，18］。相比于其他虛擬現實技術，NIVR更加簡單易用，手機和普通電腦即可訪問，不易產生頭暈、惡心、視覺疲勞等不適感［19］，因此較適合康復課堂教學。

我們在NIVR動畫制作軟件的選擇上，刻意避開了大型商業軟件而選取了開源的Blender軟件。Blender具有人體建模、人體綁骨、動作擺位等適合康復示教的功能［20］。在上海交大醫學院康復醫學系的本科教學中發現，Blender可以用于康復教材制作、輔具設計等任務。

3.2 局限

有研究指出NIVR教學方式與二維視頻教學方式相比，可以提高知識測試成績［21］；本研究中兩組總體成績并沒有明顯差異，但NIVR組在掌握康復動作的相關肌肉方面優于對照組。本研究樣本數量較小，有待在更大規模的實驗中繼續研究。

NIVR在康復教學中的應用也仍需突破一些瓶頸，包括教學人員中掌握NIVR動畫制作技能的比例仍偏低、專業理論資料缺乏、對教師的英語和計算機素質要求較高等［22］。

3.3 小結

本研究結果初步顯示，在傳統康復教學方法的基礎上引入NIVR教學方式，提高了學生的學習滿意度，有助于學生更好地理解康復動作所涉及的肌肉和動態細節，從而掌握康復動作要領。