數(shù)字化人體解剖學(xué)實驗室的建設(shè)

劉 鎮(zhèn) 黃會龍 劉 芳 葉 文 李玉泉 楊向群

（海軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，上海 200433）

人體解剖學(xué)是一門重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程，具有很強的實踐性，實驗教學(xué)課時占比可達(dá)總教學(xué)課時的1/3~2/3。目前，各醫(yī)學(xué)院校解剖學(xué)實驗教學(xué)普遍存在師資力量短缺、示教標(biāo)本匱乏、標(biāo)本維護(hù)困難等問題。進(jìn)入21世紀(jì)，數(shù)字化技術(shù)迅猛發(fā)展，在人體解剖學(xué)實驗教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化手段的報道呈爆發(fā)式增長。各單位應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的側(cè)重點各有不同，有的進(jìn)行了數(shù)碼互動建設(shè)[1-2]，有的建設(shè)了“數(shù)字人”等解剖學(xué)數(shù)字教學(xué)軟件[3-6]，有的側(cè)重于虛擬仿真解剖教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)[7-8]。但教師如何在課堂上更好地將傳統(tǒng)的以PPT演示為主的多媒體教學(xué)與數(shù)字化的教學(xué)相結(jié)合，特別在講授復(fù)雜結(jié)構(gòu)、細(xì)小結(jié)構(gòu)時，如何能做到邊講解理論，邊演示其三維結(jié)構(gòu)；學(xué)生在學(xué)習(xí)和觀察標(biāo)本時，如何能夠便捷地觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而突破形態(tài)學(xué)教學(xué)中的難點，一直是各院校積極探討的問題。筆者在經(jīng)過充分調(diào)研后，決定在課件演示、師生互動和教學(xué)軟件等多個環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)，打造系統(tǒng)性數(shù)字化人體解剖學(xué)實驗室，實現(xiàn)集“理論-實踐-虛擬”于一體的教學(xué)環(huán)境?，F(xiàn)介紹如下，以供同行參考。

1 數(shù)字化解剖學(xué)實驗室建設(shè)前情況

本教研室建有8間解剖學(xué)實驗室，每間實驗室約65 m2，配有6張解剖臺，每間實驗室單節(jié)課學(xué)生通過量為50~60人。教學(xué)課件演示系統(tǒng)為傳統(tǒng)的臺式計算機和投影儀。2008年曾在其中3間實驗室安裝標(biāo)清數(shù)碼互動系統(tǒng)，在以往的教學(xué)中發(fā)揮了重要作用，一定程度上提高了教學(xué)效果。但仍然有許多問題沒有解決，實驗室不能滿足解剖學(xué)實踐教學(xué)需求的矛盾日益顯現(xiàn)出來：①未建數(shù)碼互動的實驗室，在對重、難點結(jié)構(gòu)示教時，學(xué)生擠在一起，能夠直接觀察到的學(xué)生人數(shù)很少，教師需要多次反復(fù)示教。對內(nèi)部結(jié)構(gòu)、細(xì)小結(jié)構(gòu)現(xiàn)場示教效果也不盡人意；②原有數(shù)碼互動設(shè)備和顯示設(shè)備分辨率不高、清晰度不夠，加上多數(shù)年久失修，圖像立體感不強，不僅影響課件演示效果，更無法進(jìn)行有效師生互動；③實驗教學(xué)局限于觀察標(biāo)本、模型和掛圖，缺少現(xiàn)代化的教學(xué)輔助手段，無法對器官的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、三維立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分學(xué)習(xí)。

2 數(shù)字化解剖學(xué)實驗室建設(shè)目標(biāo)

為克服以上不足，改善教學(xué)條件，提高教學(xué)質(zhì)量，對解剖學(xué)實驗室進(jìn)行了系統(tǒng)性數(shù)字化改造。鑒于本教研室承擔(dān)了系統(tǒng)解剖學(xué)、局部解剖學(xué)、臨床應(yīng)用解剖學(xué)和斷層解剖學(xué)等課程的教學(xué)任務(wù)，數(shù)字化實驗室的建設(shè)目標(biāo)不僅是改善教學(xué)條件，還要充分考慮承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)。因此，實驗室建設(shè)目標(biāo)是：①教師在理論講解器官結(jié)構(gòu)的同時，能利用數(shù)字軟件演示其立體結(jié)構(gòu)；②實現(xiàn)高清圖像傳輸，使結(jié)構(gòu)更清晰，易于辨認(rèn)；③學(xué)生可以利用數(shù)字化手段在課堂上對復(fù)雜結(jié)構(gòu)、細(xì)小結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)；④教師在示教時，可以利用高清數(shù)碼互動系統(tǒng)給所有學(xué)生進(jìn)行演示。

3 數(shù)字化解剖學(xué)實驗室建設(shè)項目

基于實驗室建設(shè)目標(biāo)，本教研室與公司合作，經(jīng)過反復(fù)討論，并進(jìn)行了系統(tǒng)化設(shè)計，計劃先期完成5個解剖學(xué)實驗室的數(shù)字化建設(shè)，包括高清課件演示系統(tǒng)、師生交互系統(tǒng)和數(shù)字化解剖學(xué)教學(xué)軟件等。各個實驗室既能獨立開展教學(xué)活動，也可以視為一個整體。其整體架構(gòu)如圖1所示。

3.1 高清課件演示系統(tǒng)的建設(shè)

高清課件演示系統(tǒng)主要由教師用計算機連接高清LED顯示屏幕組成，并配以光能黑板。

隨著液晶屏幕的廣泛應(yīng)用，大尺寸（65英寸以上）LED顯示屏的價格日趨低廉。根據(jù)本教研室解剖學(xué)實驗室的場地條件，每個實驗室配備“一主兩輔”3塊LED顯示屏。實驗室正前方的主顯示屏為86英寸觸控一體機，分辨率為 3 840×2 160。主顯示屏的左右兩側(cè)各安裝一塊光能黑板，替代傳統(tǒng)的黑板或綠板。側(cè)面的輔顯示屏為55英寸LED顯示屏，分辨率為3 840×2 160。教師用計算機、HDMI分配器和顯示屏幕之間，通過HDMI高清線相連。

圖1 數(shù)字化人體解剖學(xué)實驗室建設(shè)整體架構(gòu)示意圖

3.2 基于高清攝像機的師生交互系統(tǒng)建設(shè)

師生交互系統(tǒng)主要包括高清全景攝像機、硬盤錄像機和數(shù)碼互動軟件。每個實驗室配置7臺高清全景攝像機，其中6臺全景攝像機分別位于6張解剖臺的正上方，另外1臺全景攝像機位于實驗室中前部上方。全景攝像機通過網(wǎng)線依次與硬盤錄像機及教師用計算機相連，每臺教師用計算機配備1個主控鍵盤用于全景攝像機的視野調(diào)節(jié)。

各實驗室間教師用計算機通過網(wǎng)線連通，構(gòu)建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)交互系統(tǒng)各設(shè)備的互連互通。通過數(shù)碼互動軟件可實時調(diào)取局域網(wǎng)內(nèi)所有全景攝像機的實時畫面。

3.3 數(shù)字化教學(xué)軟件的建設(shè)

通過比較，本教研室分別采購了“中國數(shù)字人”解剖系統(tǒng)6.0、“醫(yī)維度”智慧教學(xué)系統(tǒng)和“數(shù)字人”VR解剖教學(xué)系統(tǒng)V1.0?！爸袊鴶?shù)字人”解剖系統(tǒng)展示的三維模型根據(jù)國人連續(xù)斷層數(shù)據(jù)重建而來，數(shù)據(jù)量大，相對逼真。而“醫(yī)維度”智慧教學(xué)系統(tǒng)里的三維標(biāo)本依據(jù)實物解剖標(biāo)本建模而來，真實度和清晰度都很高，且該軟件有移動平臺的APP，學(xué)生課后可以在手機或平臺上學(xué)習(xí)?！皵?shù)字人”VR解剖學(xué)教學(xué)系統(tǒng)以真實人體連續(xù)斷層圖像為基礎(chǔ)，通過信息技術(shù)、計算機技術(shù)將人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化，經(jīng)過三維重建和虛擬現(xiàn)實技術(shù)處理，得到可見的、能夠控制的虛擬仿真人體模型。

4 實驗室建設(shè)效果

4.1 高清課件演示系統(tǒng)的應(yīng)用效果

使用HDMI線連接教師用計算機和LED顯示屏，圖像清晰度明顯高于傳統(tǒng)的投影儀，理論上能達(dá)到4K標(biāo)準(zhǔn)。

觸控一體機兼具LED顯示屏和內(nèi)置觸控電腦的功能，可以安裝各種教學(xué)軟件，直接用于課件演示。在理論講解某一解剖結(jié)構(gòu)時，可從PPT顯示狀態(tài)一鍵切換至“數(shù)字人”或“醫(yī)維度”系統(tǒng)，讓學(xué)生直接看到該結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)，該立體結(jié)構(gòu)可以旋轉(zhuǎn)、拆解，演示操作更便捷，大大提高了教學(xué)效果。隨著教學(xué)軟件的升級，未來可以直接在PPT中插入可互動的三維結(jié)構(gòu)，教學(xué)效果將進(jìn)一步提高。

光能黑板為感應(yīng)壓力顯示，書寫無需耗材，支持一鍵清除和局部擦除，不僅使得師生免受粉塵之苦，同時也可以適時地與中間的大屏相連，實現(xiàn)擴展顯示。

4.2 基于高清攝像的師生交互系統(tǒng)的應(yīng)用效果

標(biāo)本示教環(huán)節(jié)是解剖學(xué)實驗課程，特別是系統(tǒng)解剖學(xué)實驗教學(xué)過程中的一個重要環(huán)節(jié)。以往教師示教標(biāo)本或示范操作時，學(xué)生們圍攏在教師周圍，無法保證每個學(xué)生都能有較好的觀察視角。通過高清攝像機，結(jié)合數(shù)碼交互軟件，可以將細(xì)小的結(jié)構(gòu)清晰地展示在LED顯示屏上，不僅保證每名學(xué)生都能看清示教的結(jié)構(gòu)或操作的具體情況，也節(jié)約了多臺重復(fù)示教的時間，提高了教學(xué)效率；同時交互系統(tǒng)的使用可以相對解決實驗室空間小、學(xué)生多造成的擁擠，比如在檢查驗收環(huán)節(jié)應(yīng)用交互系統(tǒng)，可減輕教師在學(xué)生中穿行之苦。此外，某一組學(xué)生在局解操作中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變異可以借此系統(tǒng)實現(xiàn)實驗室內(nèi)或?qū)嶒炇议g的共享。

位于實驗室中前部吊頂?shù)娜皵z像機可自動跟蹤教師運動軌跡并錄像，可用于課后學(xué)生復(fù)習(xí)，也可用于遠(yuǎn)程查課和遠(yuǎn)程教學(xué)。在教師資源不足時，也可實現(xiàn)一位教師實施多間實驗室教學(xué)。

4.3 數(shù)字化教學(xué)軟件的應(yīng)用效果

多位作者先后報道了“數(shù)字人”解剖系統(tǒng)軟件[3-5]和“醫(yī)維度”智慧教學(xué)系統(tǒng)[6]在人體解剖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。該2款軟件均為國內(nèi)自主研發(fā)，可360°任意旋轉(zhuǎn)，具有較強的立體感，重要結(jié)構(gòu)標(biāo)注準(zhǔn)確。應(yīng)用該2款軟件，對于傳統(tǒng)解剖學(xué)實驗課教學(xué)過程起到有效的補充，彌補教學(xué)示教標(biāo)本數(shù)量不足、質(zhì)量參差不齊等問題?！搬t(yī)維度”教學(xué)系統(tǒng)的分享功能，還能將三維的互動資源發(fā)送至微信、微博等平臺（無需APP支持），可以用于重、難點內(nèi)容的課后提示、復(fù)習(xí)，有助于提高學(xué)生課后學(xué)習(xí)的效果。

計算機虛擬仿真技術(shù)具有鮮明的沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特點[9]。利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的解剖學(xué)教學(xué)系統(tǒng)具有形象直觀、情景逼真、可重復(fù)性等優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用于解剖學(xué)教學(xué)實踐中。學(xué)生除了可以在虛擬環(huán)境中觀察、辨認(rèn)標(biāo)本，還可以體驗“拼接標(biāo)本”等小游戲，促進(jìn)學(xué)生更仔細(xì)地在現(xiàn)實環(huán)境中觀察標(biāo)本。應(yīng)用虛擬仿真解剖學(xué)教學(xué)系統(tǒng)能有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，顯著增強實驗教學(xué)中的趣味性，對于提高解剖學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量起到一定的促進(jìn)作用。

5 討論

5.1 實驗室數(shù)字化建設(shè)要有前瞻性

電子類產(chǎn)品更新?lián)Q代較快，實驗室數(shù)字化建設(shè)要根據(jù)建設(shè)經(jīng)費全面統(tǒng)籌安排。建設(shè)時，所有設(shè)備應(yīng)該是當(dāng)時較為先進(jìn)的，同時應(yīng)考慮到方便今后升級換代。不能建成即落后，造成不必要的浪費。

5.2 數(shù)字化實驗室建設(shè)要有系統(tǒng)性

數(shù)字化實驗室建設(shè)并不是簡單的搭積木，各種設(shè)備堆積在一起就完成了，而是需要專業(yè)設(shè)計、系統(tǒng)配置，才能達(dá)成軟硬件配置合理，取得最佳效能。因此，在數(shù)字化實驗室建設(shè)時，避免想到什么建什么，系統(tǒng)性規(guī)劃、配置和建設(shè)十分重要。

5.3 對實驗室管理人員的專業(yè)知識提出了更高的要求

實驗室教學(xué)儀器設(shè)備的日常維護(hù)，主要依賴實驗技術(shù)人員完成。隨著實驗室數(shù)字化建設(shè)，對實驗技術(shù)人員提出了更高的要求，要求他們必須掌握一定的計算機軟硬件知識。

5.4 存在不足

目前尚未能實現(xiàn)PPT課件中直接演示或調(diào)入可旋轉(zhuǎn)、拆解的三維立體結(jié)構(gòu)，講解和演示仍需切換系統(tǒng)。受技術(shù)和經(jīng)費的影響，師生互動系統(tǒng)需要手動調(diào)節(jié)攝像機視野，未能達(dá)到自動捕捉目標(biāo)的功能。虛擬仿真配套設(shè)備價格相對較為昂貴，學(xué)生使用虛擬設(shè)備需要一定的學(xué)習(xí)過程，使得其目前更多地用于小范圍體驗，暫時還未能用于大規(guī)模教學(xué)。