基于三維虛擬仿真CT教學(xué)軟件平臺(tái)的課程設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐

賴(lài)勝圣 張剛平 劉文平 楊蕊夢(mèng)

一、前言

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生費(fèi)用的投入不斷增多，醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)數(shù)量不斷增加，醫(yī)療器械制造、發(fā)展政策持續(xù)發(fā)布等因素刺激著國(guó)內(nèi)CT設(shè)備市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)。[1]另一方面，2020年突發(fā)的新型冠狀病毒給我們帶來(lái)了巨大的災(zāi)難，嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的健康及生命，CT設(shè)備在新冠肺炎病例的篩查及診斷中發(fā)揮了巨大作用[2，3]，常規(guī)CT設(shè)備及方艙CT設(shè)備需求日益增多。綜上所述，未來(lái)幾年中國(guó)CT設(shè)備市場(chǎng)仍會(huì)處于穩(wěn)定發(fā)展階段。隨之而來(lái)，CT設(shè)備的安裝、維護(hù)、保養(yǎng)的專(zhuān)業(yè)性人才的需求亦會(huì)持續(xù)增加。為此，國(guó)內(nèi)開(kāi)設(shè)智能醫(yī)療裝備技術(shù)專(zhuān)業(yè)的高職高專(zhuān)院?；蛘呱镝t(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的本科院校越來(lái)越多。經(jīng)過(guò)調(diào)研得知，各大院校對(duì)于CT等大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的教學(xué)主要存在以下問(wèn)題[4-7]：

（1）CT設(shè)備缺乏。CT設(shè)備屬于貴重精密醫(yī)學(xué)儀器，價(jià)格極高，學(xué)校一般不會(huì)購(gòu)買(mǎi)全新的CT作為教學(xué)設(shè)備，許多開(kāi)設(shè)了相關(guān)專(zhuān)業(yè)的院校一般采取理論教學(xué)為主，參觀醫(yī)院影像科為輔，缺乏實(shí)體設(shè)備教學(xué)，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)激情，導(dǎo)致學(xué)生理論和操作技能脫節(jié)。

（2）CT實(shí)訓(xùn)室建設(shè)費(fèi)用過(guò)高。CT設(shè)備體積龐大，對(duì)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地不但有面積要求，同時(shí)要滿(mǎn)足大功率供電、射線防護(hù)工程，這對(duì)于學(xué)校來(lái)說(shuō)是難以承受的壓力。

（3）實(shí)訓(xùn)成本過(guò)高。個(gè)別學(xué)校擁有一兩臺(tái)CT設(shè)備，但無(wú)法滿(mǎn)足安裝、拆卸等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，主要原因是設(shè)備經(jīng)受不起高頻率的拆卸，對(duì)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(shù)引入到智能醫(yī)療裝備技術(shù)專(zhuān)業(yè)日常教學(xué)中，運(yùn)用該虛擬仿真軟件與實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的設(shè)備，形成理論與實(shí)操相結(jié)合，虛擬仿真設(shè)備與實(shí)物設(shè)備相結(jié)合，簡(jiǎn)稱(chēng)“理-實(shí)、虛-實(shí)”雙結(jié)合，以逼真的三維模型，真實(shí)的交互體驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果和提升學(xué)習(xí)效率，是一種新的嘗試和探索創(chuàng)新，對(duì)推動(dòng)本專(zhuān)業(yè)教學(xué)的發(fā)展具有重要的意義。

二、課程基本情況

根據(jù)本專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合醫(yī)用CT設(shè)備分析與維修這門(mén)課程就業(yè)相關(guān)崗位要求，把課程知識(shí)目標(biāo)、技能要求及素質(zhì)要求整理如表1所示。

三、課程總體設(shè)計(jì)

“教師講+學(xué)生聽(tīng)”這種傳統(tǒng)灌輸式的教學(xué)方式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在信息高度發(fā)達(dá)的時(shí)代[8]，單純知識(shí)點(diǎn)的傳輸極度讓學(xué)生產(chǎn)生疲倦，甚至厭煩?；谶@一點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了以教師引導(dǎo)、學(xué)生為中心的“理-實(shí)、虛-實(shí)”雙結(jié)合一體化教學(xué)方式，如圖1所示。目前，我們采購(gòu)的虛擬仿真CT設(shè)備軟件以某公司16排螺旋CT為原型，使用3Dsmax軟件對(duì)CT設(shè)備高壓發(fā)生裝置、X線球管、探測(cè)器、掃描床及部分外圍設(shè)備及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、材質(zhì)貼圖，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊的拆卸、裝配模擬;掃描過(guò)程模擬;機(jī)房暢游;常見(jiàn)故障分析等，如圖2所示。

四、課程具體實(shí)施

在課程設(shè)計(jì)總體思路基礎(chǔ)上，我們按目前實(shí)驗(yàn)室已有的條件設(shè)計(jì)每一次課，下面以“CT球管認(rèn)識(shí)及拆裝”為案例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

（一）案例概況

本案例涉及的課程相關(guān)的崗位有： CT調(diào)試及維修崗位、CT安裝崗位。

理論要求：CT球管作用、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。

能力要求：CT球管拆卸、安裝的正確步驟及注意事項(xiàng)。

教材：《醫(yī)用CT設(shè)備原理與結(jié)構(gòu)》，自編教材。

課時(shí)：4課時(shí)。

授課教師：校內(nèi)專(zhuān)任教師+校外兼職教師。

授課地點(diǎn)：醫(yī)用CT設(shè)備維修實(shí)訓(xùn)室。

實(shí)訓(xùn)設(shè)備：16層CT、球管及虛擬仿真教學(xué)軟件。

（二）教學(xué)過(guò)程

1.第一個(gè)環(huán)節(jié)

回顧上一節(jié)課知識(shí)，提問(wèn)“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(qū)別？”接著由問(wèn)題“如果CT設(shè)備在使用過(guò)程，提示球管已經(jīng)損壞，那么我們應(yīng)該如何更換球管”引出本案例“CT球管的拆卸與安裝”。校內(nèi)專(zhuān)任教師通過(guò)照片、視頻等多媒體方式講述CT球管的作用、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)等必要的理論知識(shí)，將CT球管的相關(guān)概念傳授給學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)CT球管的作用有初步的、模糊的輪廓。引導(dǎo)其思考“根據(jù)CT成像原理，那么CT球管與普通X線機(jī)球管有什么區(qū)別”？緊接著，教師通過(guò)電腦操作虛擬仿真軟件，通過(guò)視覺(jué)拉伸、放大、旋轉(zhuǎn)等方式展示，反復(fù)強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)，開(kāi)始步入“虛擬”環(huán)節(jié)。最后，教師布置下一環(huán)節(jié)問(wèn)題：“CT球管更換前應(yīng)核對(duì)新舊球管的參數(shù)是否完全一致？”這一環(huán)節(jié)主要是以理論知識(shí)傳授為主，虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)為輔。

2.第二個(gè)環(huán)節(jié)

根據(jù)已學(xué)理論，由校外企業(yè)兼職教師采用CT球管實(shí)物展示方式講述CT球管的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，接著教師結(jié)合真實(shí)16層CT設(shè)備給學(xué)生講授球管的作用、與其他部件的物理聯(lián)系等，讓學(xué)生認(rèn)真觀看實(shí)物，并布置問(wèn)題：“如果要更換損壞球管，應(yīng)該怎么拆卸？”這一步驟屬于實(shí)物教學(xué)。

下一步講述重要知識(shí)點(diǎn)——球管的拆裝，教師在三維虛擬仿真CT教學(xué)軟件平臺(tái)上詳細(xì)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(xiàng)逐一描述，如圖3、4所示。學(xué)生通過(guò)聽(tīng)講、做筆記等方式消化本節(jié)課的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

3.第三個(gè)環(huán)節(jié)

經(jīng)過(guò)上述必要的理論及虛擬仿真教學(xué)過(guò)程后，學(xué)生對(duì)CT球管的外觀、作用、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、安裝位置等已經(jīng)有了初步認(rèn)識(shí)，校外企業(yè)兼職教師進(jìn)行階段性小結(jié)，抽查學(xué)生記錄球管拆卸步驟的筆記，布置“球管拆卸”子任務(wù)。

下一步，需要學(xué)生在已經(jīng)安裝了CT虛擬仿真教學(xué)軟件平臺(tái)的電腦上進(jìn)行獨(dú)立虛擬仿真操作。結(jié)合虛擬軟件中的文字說(shuō)明，要求掌握CT球管拆卸、安裝的關(guān)鍵步驟、注意事項(xiàng)。此過(guò)程是在校內(nèi)專(zhuān)任教師及校外企業(yè)兼職教師的共同協(xié)作下，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)三維虛擬仿真CT教學(xué)軟件平臺(tái)進(jìn)行虛擬互動(dòng)、人機(jī)交流，熟悉球管的結(jié)構(gòu)及作用，整理出球管的結(jié)構(gòu)及更換球管的相關(guān)規(guī)范要求，畫(huà)出示意圖及流程圖。

此步驟要求學(xué)生分組討論，并由教師隨機(jī)抽取學(xué)生小組到講臺(tái)上匯報(bào)總結(jié)，由教師打分、同學(xué)互評(píng)兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

最后，由教師統(tǒng)一安排進(jìn)行考核，由教師在虛擬仿真教學(xué)軟件平臺(tái)中設(shè)置考核時(shí)間、考核步驟順序等。通過(guò)考核檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)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。

通過(guò)任務(wù)為導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)施過(guò)程，學(xué)生一改以往被動(dòng)式、填鴨式的學(xué)習(xí)方式，發(fā)揮了主觀能動(dòng)性和積極性，變?yōu)橹鲃?dòng)探索實(shí)踐，同時(shí)課程也由傳統(tǒng)單一的理論課堂變?yōu)樘摂M的工作場(chǎng)景。學(xué)生逐漸降低對(duì)教材和教師的依賴(lài)程度。學(xué)生目標(biāo)一致，通過(guò)團(tuán)隊(duì)成員間的磨合、合作、評(píng)價(jià)，也能讓學(xué)生深刻體會(huì)到CT設(shè)備維修崗位的工作狀態(tài)。

綜上所述，此教學(xué)設(shè)計(jì)要求教師學(xué)習(xí)以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立操作能力為中心的全新教學(xué)理念，在“理-實(shí)、虛-實(shí)”雙結(jié)合的教學(xué)模式中，教師更多的是指引作用，隨時(shí)指引學(xué)生行動(dòng)，降低傳統(tǒng)教學(xué)中以教師講“講”的比例。

五、教學(xué)效果和評(píng)價(jià)

從過(guò)往幾屆學(xué)生開(kāi)展問(wèn)卷調(diào)查，收集教學(xué)效果反饋意見(jiàn)。從調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果獲悉，絕大部分學(xué)生對(duì)“理+實(shí)，虛+實(shí)”相結(jié)合的教學(xué)方式持肯定態(tài)度，普遍認(rèn)為虛擬仿真教學(xué)軟件的使用：（1）加深了對(duì)設(shè)備的理解和認(rèn)識(shí);（2）提高了學(xué)習(xí)積極性;（3）增進(jìn)了動(dòng)手技能;（4）節(jié)省了實(shí)踐時(shí)間。通過(guò)用人企業(yè)的反饋得知，通過(guò)虛擬仿真CT教學(xué)軟件平臺(tái)的訓(xùn)練，我們的學(xué)生能深入理解CT設(shè)備的基礎(chǔ)理論，對(duì)CT設(shè)備的結(jié)構(gòu)熟悉，更容易進(jìn)入工作狀態(tài)。

六、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代職業(yè)教育觀念和教學(xué)模式在不斷更新迭代，越發(fā)趨向于技術(shù)化和科技化。[9]在強(qiáng)調(diào)專(zhuān)業(yè)技能教學(xué)同時(shí)，設(shè)計(jì)和實(shí)踐一種激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)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(shè)備在醫(yī)療器械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要地位，改進(jìn)更新CT設(shè)備課程的教學(xué)模式迫在眉睫。我們CT設(shè)備課程團(tuán)隊(duì)建立基于三維虛擬仿真“理+實(shí)、虛+實(shí)”交叉的教學(xué)模式大大激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，同時(shí)提高了教學(xué)效率及降低了教學(xué)成本，是教與學(xué)雙贏的模式。在接下來(lái)的工作中，我們計(jì)劃進(jìn)一步選取其他昂貴的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備如MRI課程進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)，把目前現(xiàn)有的虛擬仿真教學(xué)軟件更新為網(wǎng)頁(yè)版本，結(jié)合雨課堂等技術(shù)輔助教學(xué)，讓醫(yī)療器械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在課后亦能方便學(xué)習(xí)，成長(zhǎng)為更符合時(shí)代特色的應(yīng)用型人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁慧剛.從中國(guó)制造2025看醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2015，31（7）：28-31.

[2]金征宇，管漢雄，熊穎，等.新型冠狀病毒肺炎（COVI脅19）臨床影像學(xué)特征[J].放射學(xué)實(shí)踐，2020，35（2）：125-130.

[3]李宏軍.新型冠狀病毒肺炎影像學(xué)輔助診斷指南[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2020，36（03）：321-331.

[4]黃磊，胡慧嫻，徐曉燕，等.CT原理展示與仿真操作與模擬診斷實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].包頭醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，35（04）：112-114.

[5]張改改.基于CT機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)的教學(xué)仿真設(shè)計(jì)[D].新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院，2019.

[6]吉振寧，何威震，沈江燕，等.基于VR技術(shù)的CT設(shè)備結(jié)構(gòu)拆裝與故障維修示教系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2019，33（03）：313-315.

[7]趙鶴亮，洪波，趙新斌，等.CT、MRI仿真操作系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2014，16（01）：122-123.

[8]范帥軍.三維虛擬仿真技術(shù)在汽車(chē)維修教學(xué)中的應(yīng)用初探[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2018（2）：130-131.

[9]黃忠浩.醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué)，2019.

[10]翟科峰，段紅，曹穩(wěn)根，等.基于虛擬仿真技術(shù)的生物制藥實(shí)訓(xùn)課程的改革與實(shí)踐[J].吉林醫(yī)藥學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，41（03）：235-236.

[本文系廣東省高等專(zhuān)業(yè)院校醫(yī)藥衛(wèi)生類(lèi)教育教改項(xiàng)目（2018LX047）、廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2020JG04，2020JG20）、華南理工大學(xué)教研教改項(xiàng)目-青年教改專(zhuān)項(xiàng)（C9223156）的研究成果。楊蕊夢(mèng)為本文通訊作者。]