虛擬現(xiàn)實技術(shù)在口腔解剖生理學(xué)本科生教學(xué)中的應(yīng)用研究*

覃文聘，閆艦飛，牛麗娜，焦 凱△

(1.軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室/口腔疾病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心/陜西省口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心/空軍軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院黏膜病科，西安710032；2.軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室/口腔疾病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心/陜西省口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室/空軍軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科，西安710032)

口腔解剖生理學(xué)是一門以研究牙齒、顱、頜、面、頸部諸多部位的正常形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能活動規(guī)律及其臨床應(yīng)用為主要內(nèi)容的學(xué)科。該學(xué)科是口腔基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)中的主要學(xué)科之一，也是口腔醫(yī)學(xué)生必修的內(nèi)容。目前口腔解剖生理學(xué)的教學(xué)手段主要包括課堂授課、flash動畫、解剖圖譜、錄像及尸體解剖實訓(xùn)課等，但由于該學(xué)科專業(yè)概念繁雜抽象，對學(xué)生空間思維能力要求較高，導(dǎo)致學(xué)生在理解課程內(nèi)容時頗具困難。虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)因其沉浸感、交互性和構(gòu)想性的特點，已經(jīng)引起了教育界關(guān)于教學(xué)改革的激烈探討。如何將VR技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)模式結(jié)合已成為教學(xué)改革的又一熱點，本文分析傳統(tǒng)口腔解剖生理學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀及問題，探討VR技術(shù)的特點及優(yōu)勢，并分析引入口腔解剖生理學(xué)課程教學(xué)中的必要性及方法，以期實現(xiàn)課程教學(xué)的科學(xué)、高效、合理化。

1 口腔解剖生理學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)的授課方式使學(xué)生逐漸失去興趣

口腔解剖生理學(xué)是一門綜合性、交叉性較強的基礎(chǔ)學(xué)科，由于本科生在學(xué)習(xí)本門課程時缺乏臨床經(jīng)驗，且抽象思維能力相對較弱，傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)讓學(xué)生難以理解透徹相關(guān)知識，更難以進入高效學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而打擊學(xué)習(xí)積極性、主動性和興趣，降低學(xué)習(xí)效率，影響學(xué)生獨立分析、解決問題的能力。

1.2 傳統(tǒng)教學(xué)手段難以展示抽象的解剖結(jié)構(gòu)和生理功能

口腔解剖生理學(xué)作為基礎(chǔ)的口腔課程，其教學(xué)內(nèi)容豐富、概念抽象晦澀。目前常用的口腔解剖生理學(xué)教學(xué)手段如互聯(lián)網(wǎng)、2D圖片(圖集)和尸體解剖等，都存在一定的局限。例如，在講解頭頸面部骨骼、神經(jīng)、肌肉解剖時，學(xué)生在短時間需掌握多個深奧抽象的專業(yè)名詞、解剖層次和毗鄰關(guān)系，若使用2D圖片教學(xué)，無法直觀展示3D空間結(jié)構(gòu)；若使用標本教學(xué)，雖為3D結(jié)構(gòu)，但卻無法做到清楚呈現(xiàn)各解剖層次關(guān)系。又如在學(xué)習(xí)咬合運動一章節(jié)時，由于可視聽資源有限、理論抽象等原因?qū)е缕涑蔀榭谇会t(yī)學(xué)本科生教學(xué)的一大難題[1]。

1.3 實訓(xùn)課內(nèi)容及方式落后

目前的口腔解剖生理學(xué)實踐課主要集中在牙體形態(tài)的石膏雕刻和蠟型堆塑上，而忽視了口腔頭頸面部的解剖實訓(xùn)，導(dǎo)致學(xué)生在顱頜面部解剖的學(xué)習(xí)上更為困難。在實訓(xùn)課上，采用的形式多是“圍觀式”教學(xué)。由于實訓(xùn)對象(牙齒)體積小、步驟精細、操作視野狹窄，圍觀式實訓(xùn)教學(xué)難以保證所有學(xué)生都能看清示教過程并掌握關(guān)鍵步驟，實訓(xùn)效果大打折扣。為了解決這一問題，常采用分組示教的方式，但卻影響了實訓(xùn)課的效率，仍存在一定弊端[2]。

1.4 教學(xué)與臨床聯(lián)系不緊密

口腔解剖生理學(xué)中的概念在臨床課學(xué)習(xí)及實踐中具有重要意義，如胎位關(guān)系在全口義齒制作、顱頜面部解剖在頜面外科手術(shù)都具有舉足輕重的意義。但在具體的課堂教學(xué)實施過程中臨床應(yīng)用場景難再現(xiàn)，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與臨床知識聯(lián)系不緊密，學(xué)生對知識的理解不透徹，到了學(xué)習(xí)臨床課程時常需重新鞏固相關(guān)基礎(chǔ)知識[3]。

2 VR技術(shù)的概念與特點

VR技術(shù)由美國的喬·拉尼爾在20世紀80年代最早提出，其典型的特征為“3I”，即沉浸感(immersion)、 交互性(interaction)和構(gòu)想性(imagination)[4]。VR技術(shù)涉及眾多學(xué)科，囊括計算機技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)于一體，通過計算機仿真系統(tǒng)創(chuàng)建模擬的外界環(huán)境。VR應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括影視、教育、軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計等多個領(lǐng)域。在口腔醫(yī)學(xué)中，VR已被報道用于培訓(xùn)臨床技能、研究人體解剖學(xué)、設(shè)計手術(shù)方案和治療牙科恐懼癥患者[5]。目前已有多種VR系統(tǒng)應(yīng)用于口腔教學(xué)中，如DentSim、PrepCheck、PREPassistant、Moog Simodont Dental Trainer等系統(tǒng)，涉及牙周病學(xué)、牙體牙髓病學(xué)、口腔種植學(xué)、口腔修復(fù)學(xué)和口腔頜面外科學(xué)等多專業(yè)[6]。已有研究證明，DentSim系統(tǒng)[7]、Moog Simodont Dental Trainer系統(tǒng)[8]可以有效幫助學(xué)生掌握牙體預(yù)備的基本方法，積極提升口腔專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量。

3 VR技術(shù)在口腔解剖生理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 改善授課方式

VR技術(shù)極大地克服了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的局限，可創(chuàng)設(shè)逼真的場景，提供高效的動態(tài)交互，能有效激發(fā)學(xué)生的好奇心，實現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識遷移，增強學(xué)習(xí)體驗[9]。有研究證明，VR創(chuàng)建的虛擬環(huán)境可以通過調(diào)節(jié)用戶的視覺保真度和非視覺感官刺激達到幫助用戶情景記憶的作用。通過數(shù)據(jù)分析得知VR與增強現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)系統(tǒng)可以縮短教學(xué)時間5倍[10]。通過問卷調(diào)查得知有超過一半的VR用戶對VR技術(shù)輔助教學(xué)的態(tài)度是十分樂觀的[11]。

在講解“牙髓腔形態(tài)”一章節(jié)時，利用VR技術(shù)虛擬重建牙髓腔，可使學(xué)生直觀地觀察牙髓腔的形態(tài)。這一方法可以清晰呈現(xiàn)根管系統(tǒng)中的副根管、根尖分叉、根尖分歧、根管側(cè)枝等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)中根管影像重疊的缺陷，有利于學(xué)生牢固掌握牙髓腔形態(tài)的相關(guān)知識，并為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)操作根管治療打下良好的基礎(chǔ)。VR技術(shù)與傳統(tǒng)授課方式的結(jié)合顯著增加學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性、趣味性、有效性和參與度，可達到更好的教學(xué)效果，并為下一步臨床課學(xué)習(xí)和實踐做出充分準備。

3.2 優(yōu)化實訓(xùn)模式

實訓(xùn)課是調(diào)動學(xué)生形象思維的最有效方法，利用VR技術(shù)可以建立各種虛擬實驗室并在其中進行虛擬實訓(xùn)。相比于真實環(huán)境下的實訓(xùn)室，虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)可以減少外界環(huán)境的干擾，使學(xué)生能用心專注于實訓(xùn)操作[12]，具有打破時空限制、激發(fā)學(xué)生興趣、提高教學(xué)效率、規(guī)避安全風(fēng)險、改善教學(xué)環(huán)境等優(yōu)點。除此之外，還可記錄操作過程的三維運動和力的數(shù)據(jù)并能進行回放觀摩和分析，使教學(xué)、訓(xùn)練和考核環(huán)節(jié)變得量化和標準化。ZILVERSCHOON等[13]研究證明虛擬解剖室對于學(xué)生學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)有不可替代的促進作用。

牙體雕刻課程是以標準牙體形態(tài)為模型進行的石膏牙和蠟牙雕刻訓(xùn)練，幫助學(xué)生掌握牙體形態(tài)的實訓(xùn)課程，是口腔醫(yī)學(xué)生接觸的第一門技工課，能有效訓(xùn)練學(xué)生手眼結(jié)合的能力，并對培養(yǎng)學(xué)生的操作習(xí)慣有至關(guān)重要的作用。在傳統(tǒng)牙體雕刻的基礎(chǔ)上，增加虛擬雕刻，可有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，有助于師生之間及時交流溝通，鞏固理論課的學(xué)習(xí)成果，更好完成教學(xué)目標。值得一提的是，VR技術(shù)下的牙體雕刻也可為學(xué)生今后在修復(fù)和牙體牙髓課上學(xué)習(xí)計算機輔助設(shè)計/制造技術(shù)(computer aided design/manufacture，CAD/CAM)打下堅實基礎(chǔ)。BAKR等[14]最近的一項研究顯示，使用VR牙科模擬器對24名牙科學(xué)生進行培訓(xùn)，盡管它無法替代傳統(tǒng)的培訓(xùn)，但卻可以用作培養(yǎng)臨床前牙科技能的良好輔助工具。

3.3 增強基礎(chǔ)與臨床結(jié)合

VR技術(shù)能夠通過提供豐富的感知線索及多通道(如聽覺、視覺、觸覺等)的反饋，設(shè)置與臨床類似的場景，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)。通過場景學(xué)習(xí)能模擬實際的臨床問題，幫助學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到臨床實踐中，達到良好的教學(xué)效果[15]。

在講解“頜位與下頜運動”時，利用VR技術(shù)，可以創(chuàng)建頜位關(guān)系記錄與轉(zhuǎn)移的臨床情景，讓學(xué)生即刻將所學(xué)的頜位與下頜運動相關(guān)知識運用起來，即學(xué)會利用息止頜位確定垂直距離的原理和哥特氏弓描記法的工作原理。這一啟發(fā)式教學(xué)能有效集中學(xué)生注意力，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考、分析并解決問題的能力，開擴創(chuàng)造性思維，而且還能鍛煉學(xué)生的邏輯推理、口頭表達能力，讓學(xué)生切實感受到學(xué)有所用，并能做到學(xué)以致用。

4 結(jié) 語

VR技術(shù)作為信息時代教學(xué)變革的產(chǎn)物，已被廣泛用于醫(yī)學(xué)課程的理論學(xué)習(xí)及實訓(xùn)中。這一授課方式有助于實現(xiàn)授課理想化和學(xué)習(xí)高效化，具體可從改善授課方式、優(yōu)化實訓(xùn)模式及增強基礎(chǔ)與臨床結(jié)合等方面促進口腔解剖生理學(xué)教學(xué)效果的提升。但是目前來看，VR技術(shù)還不夠完善，其清晰度、舒適度、精確性、適用范圍和建模能力都還有待提升。下一階段仍需要進一步研究，完善現(xiàn)有的技術(shù)，優(yōu)化VR技術(shù)和傳統(tǒng)課堂教學(xué)的結(jié)合，以期取得教學(xué)效果的最優(yōu)化,從而為培養(yǎng)高素質(zhì)口腔專業(yè)人才奠定堅實基礎(chǔ)。