虛擬仿真在人體解剖學(xué)循環(huán)系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用探究

游言文　于世奇　田新紅　徐玉英　張文嫻　郝莉

【摘要】 ? ?人體解剖學(xué)是研究正常人體各系統(tǒng)組成器官位置、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的科學(xué)，是醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一。虛擬仿真是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)，以虛擬為手段，仿真為表現(xiàn)形式的一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。近幾年虛擬仿真已被逐漸應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課程的教學(xué)中。本研究以我校2020級(jí)中西醫(yī)臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)本科一年級(jí)學(xué)生為觀察對(duì)象，將人心臟解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到循環(huán)系統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)中，并通過(guò)章節(jié)測(cè)試和調(diào)查問(wèn)卷相結(jié)合的方法對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示虛擬仿真融入專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)可提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)課成績(jī)和課程滿意度。

【關(guān)鍵詞】 ? ?虛擬仿真 ? ?人體解剖學(xué) ? ?教學(xué)

引言：

虛擬仿真是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)，以虛擬為手段，仿真為表現(xiàn)形式的一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有交互性、真實(shí)性以及多感知性等特點(diǎn)[1-2]，通過(guò)構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到教學(xué)大綱要求的教學(xué)效果[3-4]。近幾年虛擬仿真已被逐漸應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課程的教學(xué)中。

人體解剖學(xué)是研究正常人體形態(tài)結(jié)構(gòu)的科學(xué)，屬于形態(tài)學(xué)范疇，是醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一。循環(huán)系統(tǒng)是人體解剖學(xué)的重要章節(jié)，其中心臟的結(jié)構(gòu)是學(xué)生必須掌握的知識(shí)點(diǎn)。心臟結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的心臟解剖學(xué)教學(xué)是先進(jìn)行理論課講解，使學(xué)生對(duì)心臟結(jié)構(gòu)有所了解后，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)課觀察心臟模型或標(biāo)本來(lái)加深理解。但是模型不能真實(shí)地反應(yīng)心腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)，標(biāo)本來(lái)源緊張，頻繁使用導(dǎo)致顏色加深，再加上心腔內(nèi)觀察視野較小，不利于學(xué)生觀察，所以如何讓學(xué)生清晰準(zhǔn)確地觀察心臟結(jié)構(gòu)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。我們針對(duì)這一教學(xué)難點(diǎn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“人心臟解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)心臟標(biāo)本3D掃描、建模，展現(xiàn)人心臟的三維解剖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)立體、全方位、多角度觀察，讓學(xué)生通過(guò)交互操作，對(duì)心腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別、虛擬解剖，可以重復(fù)練習(xí)，而不用擔(dān)心對(duì)標(biāo)本的破壞。

本研究探討虛擬仿真技術(shù)在人體解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用效果。以我校2020級(jí)中西醫(yī)臨床醫(yī)學(xué)本科一年級(jí)學(xué)生為觀察對(duì)象，將人心臟解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到人體解剖學(xué)循環(huán)系統(tǒng)教學(xué)中，并通過(guò)章節(jié)測(cè)試和調(diào)查問(wèn)卷相結(jié)合的方法對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析了虛擬仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，為中醫(yī)院校人體解剖學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

一、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

1.1 教學(xué)對(duì)象

本課題以我校2020級(jí)中西醫(yī)臨床醫(yī)學(xué)本科1班和2班的學(xué)生為觀察對(duì)象，由于兩班在入學(xué)時(shí)是根據(jù)隨機(jī)分配的原則產(chǎn)生，所以年齡、性別、知識(shí)基礎(chǔ)、能力基礎(chǔ)和思政基礎(chǔ)等方面均不存在顯著性差異。其中2020級(jí)1班132人，2班124人，共計(jì)256人。分為兩組：1班為對(duì)照組，2班為實(shí)驗(yàn)組。對(duì)照組使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式（觀察心臟模型和標(biāo)本），實(shí)驗(yàn)組在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式基礎(chǔ)上融入虛擬仿真技術(shù)。

1.2 效果評(píng)價(jià)方法

1.2.1 理論測(cè)試

為了評(píng)價(jià)虛擬仿真融入到人體解剖學(xué)循環(huán)系統(tǒng)中的教學(xué)效果，我們通過(guò)中國(guó)大學(xué)MOOC在線學(xué)習(xí)平臺(tái)對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行了循環(huán)系統(tǒng)章節(jié)理論測(cè)試，理論成績(jī)占總成績(jī)的70%。理論測(cè)試包括選擇題10道，判斷題10道，問(wèn)答題2道，總分100分。測(cè)試成績(jī)分為四個(gè)分?jǐn)?shù)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：91-100分、76-90分、60-75分和60分以下。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了評(píng)價(jià)虛擬仿真技術(shù)融入到循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，我們通過(guò)對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行了循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占總成績(jī)的30%。測(cè)試包括兩部分：辨識(shí)模型、標(biāo)本和心臟解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)考核，各占總成績(jī)的15%。實(shí)驗(yàn)測(cè)試成績(jī)總分為100分，分為四個(gè)分?jǐn)?shù)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：91-100分、76-90分、60-75分和60分以下。

1.2.3 課程滿意度調(diào)查

循環(huán)系統(tǒng)學(xué)習(xí)結(jié)束后，我們通過(guò)問(wèn)卷星進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查學(xué)生對(duì)循環(huán)系統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)的滿意度。調(diào)查內(nèi)容主要包括10個(gè)問(wèn)題，例如是否有助于重點(diǎn)知識(shí)的理解和記憶;是否有助于提高學(xué)習(xí)積極性;對(duì)目前實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式是否滿意;是否有助于理論聯(lián)系實(shí)際等等。每個(gè)問(wèn)題有四個(gè)選項(xiàng)，不同選項(xiàng)對(duì)應(yīng)不同的分值，最后計(jì)算總分。分為四個(gè)等級(jí)：非常滿意（100分）、滿意（85分）、一般（70分）和不滿意（60分以下）級(jí)，課程滿意度=（非常滿意人數(shù)+滿意人數(shù)）/班級(jí)總?cè)藬?shù)×100%。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本研究組間數(shù)據(jù)差異均采用Graphpad Prism 6的卡方檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P < 0.05表示具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

二、研究結(jié)果

2.1 虛擬仿真可提高學(xué)生測(cè)試成績(jī)

從表1結(jié)果可以看出，兩組學(xué)生理論成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和總成績(jī)分布有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P =0.01，P <0.001，P =0.001）。對(duì)照組平均理論成績(jī)?yōu)?2.51±9.62，實(shí)驗(yàn)組平均理論成績(jī)?yōu)?9.14±9.91，兩組差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P <0.05）。對(duì)照組平均實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)?1.12±7.33，實(shí)驗(yàn)組平均實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)?2.07±8.04，兩組差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P <0.05）。對(duì)照組平均總成績(jī)?yōu)?2.09±8.46，實(shí)驗(yàn)組平均總成績(jī)?yōu)?0.91±9.14，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P <0.05）。兩組成績(jī)出現(xiàn)差異的原因可能是將人心臟解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到循環(huán)系統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)中可以促進(jìn)學(xué)生理論課和實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動(dòng)力。

2.2 虛擬仿真可提高學(xué)生對(duì)課程的滿意度

從表2可以看出，兩組學(xué)生對(duì)本課程的整體滿意度評(píng)價(jià)有差異，并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P <0.001）。對(duì)照組學(xué)生課程滿意度人數(shù)比例（69.70%）低于實(shí)驗(yàn)組（93.55%），這個(gè)結(jié)果說(shuō)明將人心臟解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到循環(huán)系統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)中可明顯提高學(xué)生對(duì)課堂的整體滿意度。

三、討論

心臟是人體循環(huán)系統(tǒng)中最重要的組成器官，準(zhǔn)確、熟練地掌握心臟的位置、形態(tài)和結(jié)構(gòu)是醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)人體解剖學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。傳統(tǒng)的心臟解剖實(shí)驗(yàn)主要依賴(lài)于模型或標(biāo)本，然而由于人心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的心臟模型或標(biāo)本難以展示心臟的全部結(jié)構(gòu)和各結(jié)構(gòu)之間的空間位置關(guān)系。而且人心臟標(biāo)本來(lái)源緊張、易損耗，使得重復(fù)利用率低;標(biāo)本固定液福爾馬林刺激性氣味大，實(shí)驗(yàn)課必須在專(zhuān)門(mén)的解剖實(shí)驗(yàn)室內(nèi)才能進(jìn)行，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時(shí)間、空間受到限制。因此，心臟解剖實(shí)驗(yàn)的教與學(xué)一直是困擾著教師和學(xué)生的一個(gè)難題。計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的發(fā)展為解決這一問(wèn)題提供了幫助，本研究中使用的人心臟解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以真實(shí)人心臟標(biāo)本為模板，利用3D掃描、建模技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，展現(xiàn)人心臟的三維解剖結(jié)構(gòu)和冠狀動(dòng)脈血管造影，讓學(xué)生通過(guò)交互操作，學(xué)習(xí)掌握人體心臟的結(jié)構(gòu)，降低了對(duì)標(biāo)本和模型的依賴(lài)。

本研究以我校2020級(jí)中西醫(yī)臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)本科一年級(jí)學(xué)生為觀察對(duì)象，將人心臟解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到人體解剖學(xué)循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要面向臨床醫(yī)學(xué)、中醫(yī)學(xué)和中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)學(xué)等專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)放和使用，可與人體解剖學(xué)-循環(huán)系統(tǒng)-心臟解剖的理論教學(xué)同時(shí)進(jìn)行。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)登陸方便，不需要下載插件，打開(kāi)網(wǎng)址即可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)際解剖基本一致，仿真度高。操作界面簡(jiǎn)潔美觀、色彩豐富，心臟不同結(jié)構(gòu)部分可以用不同顏色標(biāo)記;立體感強(qiáng)，有視覺(jué)沖擊力，能清晰準(zhǔn)確地展示三維心臟解剖結(jié)構(gòu)，易激起學(xué)生的好奇心和求知欲，提高學(xué)習(xí)興趣。并可使教學(xué)難點(diǎn)形象化，便于學(xué)生理解，例如左右房室口的瓣膜二尖瓣和三尖瓣的組成和作用原理一直是心臟結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)，靜態(tài)的標(biāo)本上和模型不能充分展示，學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以清晰地觀察到兩個(gè)房室瓣的三維立體結(jié)構(gòu)和房室口閉合、開(kāi)放時(shí)的瓣膜狀態(tài)。另外，心傳導(dǎo)系的組成是心臟結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)，由于牽涉到微觀結(jié)構(gòu)—特殊心肌細(xì)胞，在標(biāo)本和模型上都不能觀察到，學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以觀察到特殊心肌細(xì)胞的三位立體結(jié)構(gòu)，提高了學(xué)習(xí)興趣，便于理解心傳導(dǎo)系的組成和傳導(dǎo)功能。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，福爾馬林等有害氣體刺激呼吸道黏膜和瞼結(jié)膜，實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生觀看心臟標(biāo)本的時(shí)間被迫縮短，觀察不夠詳細(xì)，知識(shí)點(diǎn)理解不充分;虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是在虛擬環(huán)境中進(jìn)行，無(wú)需吸入福爾馬林等有害氣體、無(wú)需搬動(dòng)標(biāo)本、虛擬的解剖操作與觀察可重復(fù)進(jìn)行，彌補(bǔ)了標(biāo)本的不足;同時(shí)可交互性的操作界面，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性;虛擬仿真技術(shù)可以不受時(shí)間和環(huán)境限制，打破了必須在特定的解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)學(xué)習(xí)的空間和時(shí)間局限性，學(xué)生可以在圖書(shū)館和校外等任何網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，所以學(xué)生在不知不覺(jué)中延長(zhǎng)了觀察時(shí)間，激發(fā)了學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力，有助于對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶。另外，學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)束后還可通過(guò)考核評(píng)估系統(tǒng)，了解自己對(duì)心臟解剖知識(shí)的掌握情況，提示對(duì)薄弱知識(shí)進(jìn)行強(qiáng)化，提高學(xué)習(xí)效果。

教學(xué)評(píng)價(jià)主要包括兩個(gè)核心環(huán)節(jié)：對(duì)教師教學(xué)工作（教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)方法等）的評(píng)價(jià)和對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)即考試[5]。循環(huán)系統(tǒng)學(xué)習(xí)結(jié)束后，本研究針對(duì)前者調(diào)查了學(xué)生對(duì)課程的滿意度，針對(duì)后者讓學(xué)生進(jìn)行了循環(huán)系統(tǒng)章節(jié)測(cè)試。課程滿意度調(diào)查結(jié)果顯示：虛擬仿真技術(shù)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可明顯提高學(xué)生對(duì)課程的滿意度，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生滿意人數(shù)比例（93.55%）明顯高于實(shí)驗(yàn)組（69.70%）。這一結(jié)果提醒我們?cè)谝院蟮慕馄蕦W(xué)教學(xué)中要繼續(xù)關(guān)注虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，一方面要繼續(xù)完善心臟虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如后續(xù)建設(shè)要和臨床疾病發(fā)病、治療逐漸聯(lián)系起來(lái)，逐步引入心內(nèi)注射、心臟復(fù)蘇和心臟瓣膜手術(shù)等，讓學(xué)生建立理論聯(lián)系實(shí)踐的理念。另一方面要逐漸建立起消化、呼吸、泌尿和神經(jīng)等系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，緩解人體解剖學(xué)教學(xué)中標(biāo)本來(lái)源緊張的局面。章節(jié)測(cè)試結(jié)果顯示：虛擬仿真技術(shù)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可明顯提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)、理論成績(jī)和總成績(jī)。不少實(shí)驗(yàn)組學(xué)生反映虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)易于清晰觀察心臟內(nèi)部如左右心房和心室的結(jié)構(gòu)，冠狀動(dòng)脈的循行及其分支。虛擬環(huán)境中可清晰觀察到心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)，解決了標(biāo)本或者模型試驗(yàn)摸得著、看不清的問(wèn)題，從而提升學(xué)習(xí)效果。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法創(chuàng)新[6]，豐富了解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源[7]，將心臟解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既體現(xiàn)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)時(shí)在線、無(wú)損操作、反復(fù)練習(xí)的優(yōu)勢(shì)，又保留傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)直觀、真實(shí)的優(yōu)點(diǎn)。豐富了實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)的形式。

綜上所述，本研究將人心臟解剖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到人體解剖學(xué)循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，并通過(guò)章節(jié)測(cè)試和調(diào)查問(wèn)卷相結(jié)合的方法對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示虛擬仿真技術(shù)融入專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)可提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)課成績(jī)和課程滿意度，這些結(jié)果為中醫(yī)院校人體解剖學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

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游言文（1966—），男，漢族，河南省開(kāi)封市，河南中醫(yī)藥大學(xué)，教授，中醫(yī)藥防治神經(jīng)退行性疾病的作用機(jī)制;

于世奇（1987—），男，漢族，河南省開(kāi)封市，河南中醫(yī)藥大學(xué)，講師，中西醫(yī)結(jié)合防治腦病;

田新紅（1967—），女，漢族，河南省鄭州市，河南中醫(yī)藥大學(xué)，副教授，神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機(jī)制;

徐玉英（1978—），女，漢族，河南省鄭州市，河南中醫(yī)藥大學(xué)，副教授，中醫(yī)藥防治神經(jīng)退行性疾病的作用機(jī)制;

張文嫻（1985—），女，漢族，河南省鄭州市，河南中醫(yī)藥大學(xué)，講師，中西醫(yī)結(jié)合防治腦病;

通訊作者：郝莉（1971—），女，漢族，河南省鄭州市，河南中醫(yī)藥大學(xué)，副教授，中醫(yī)藥抗衰老。

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃（2019GGJS110）;河南省高等學(xué)校精品在線開(kāi)放課程：序號(hào)60;河南省本科高校課程思政樣板課程：序號(hào)61。