沉浸式體驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)在口腔正畸生物力學(xué)實(shí)操訓(xùn)練中的應(yīng)用與評(píng)價(jià)

閆鳳杰 張麗媛

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院口腔科，呼和浩特 010050）

科學(xué)化、精細(xì)化的臨床實(shí)踐教學(xué)，重點(diǎn)在于診斷思路和臨床經(jīng)驗(yàn)的獲得，是學(xué)生們?cè)趥鹘y(tǒng)實(shí)踐課中難以深刻理解掌握的，尤其像牙齒移動(dòng)中生物力學(xué)的表達(dá)，比如：力學(xué)抽象概念與對(duì)應(yīng)臨床操作及牙移動(dòng)表達(dá)效果，更讓大部分醫(yī)學(xué)生深感枯燥難懂。如何使臨床實(shí)踐教學(xué)更具有情境性和實(shí)操性，更加關(guān)注醫(yī)學(xué)生對(duì)知識(shí)的遷移、操作的體驗(yàn)、方法的理解、經(jīng)驗(yàn)的獲得，是現(xiàn)階段臨床實(shí)踐教學(xué)改革的重點(diǎn)任務(wù)。

1975 年，由Csikszentmihalyi 首次提出沉浸理論(flow theory)，解釋當(dāng)人們?cè)谶M(jìn)行某些日常活動(dòng)時(shí)為何會(huì)完全投入情境當(dāng)中，集中注意力，并且過(guò)濾掉所有不相關(guān)的知覺(jué)，進(jìn)入一種沉浸式體驗(yàn)狀態(tài)[1]。目前，虛擬技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于口腔及其他醫(yī)療領(lǐng)域中，比如：虛擬手術(shù)、遠(yuǎn)程診療系統(tǒng)等。但是，由于學(xué)科專(zhuān)業(yè)差異及場(chǎng)地設(shè)備等因素限制，沉浸式體驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)中尚未廣泛開(kāi)展，其應(yīng)用于教學(xué)的有效性及效果分析評(píng)價(jià)也有待于教學(xué)實(shí)踐的進(jìn)一步檢驗(yàn)?？谇徽锪W(xué)方面的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究以“牙齒控根移動(dòng)”這一口腔正畸生物力學(xué)的主題為例，通過(guò)對(duì)比研究，探索虛擬現(xiàn)實(shí)與實(shí)踐教學(xué)深度融合后對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)牙齒控根移動(dòng)的三大目標(biāo)維度的影響，擬探索一條口腔正畸臨床操作技能培訓(xùn)的新方法。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

1.1.1 口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分為前期準(zhǔn)備、程序開(kāi)發(fā)、測(cè)試3個(gè)階段。

前期準(zhǔn)備階段主要完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、腳本編寫(xiě)和模型制備工作。模型制備中，通過(guò)CT 掃描，建立正常頜骨的三維模型，使用3D Max 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)操作中用到的環(huán)境和材料器具進(jìn)行建模，包括診室、操作臺(tái)、托槽、弓絲、正畸鉗、橡皮鏈等。

程序開(kāi)發(fā)工作在Unity3D 中完成，將上述模型導(dǎo)入，按腳本邏輯進(jìn)行動(dòng)畫(huà)和交互制作。程序分內(nèi)容導(dǎo)覽、演示和交互操作3 個(gè)主要模塊。內(nèi)容導(dǎo)覽中以教學(xué)目標(biāo)為指導(dǎo)，用分層目錄組織所有知識(shí)點(diǎn)；演示模塊可按知識(shí)點(diǎn)回放制作好的演示動(dòng)畫(huà)和操作實(shí)錄；交互操作模塊學(xué)生可以用手柄進(jìn)行交互操作。程序效果見(jiàn)圖1-2。

圖1 系統(tǒng)登錄界面

圖2 PC 端互動(dòng)操作界面

系統(tǒng)測(cè)試階段由學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作，并針對(duì)反饋的問(wèn)題，進(jìn)行程序修改完善。

1.1.2 VR 交互設(shè)備

口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于HTC VIVO 硬件設(shè)備，配合高性能PC 提供高質(zhì)量的畫(huà)面呈現(xiàn)和流暢交互體驗(yàn)。HTC VIVO 頭盔可以提供六自由度的姿態(tài)判斷，使學(xué)習(xí)者佩戴頭盔可以在三維環(huán)境中自由觀(guān)察。HTC VIVO 手柄可以實(shí)時(shí)獲得手部的姿態(tài)和定位，以及抓取、釋放等按鍵操作，以獲得對(duì)模型精確的操作控制。

1.2 口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

1.2.1 研究對(duì)象

隨機(jī)選取內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院在校生40 人，所有學(xué)生視力或矯正視力正常，同時(shí)均沒(méi)有接觸過(guò)沉浸式虛擬體驗(yàn)學(xué)習(xí)，對(duì)比研究應(yīng)用口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)效果并進(jìn)行心流體驗(yàn)問(wèn)卷調(diào)查。所有研究對(duì)象均被告知研究情況并同意參與研究。

1.2.2 研究方法與內(nèi)容

自主開(kāi)發(fā)口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，隨機(jī)選取未進(jìn)入臨床實(shí)習(xí)階段的2018 級(jí)口腔醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生40 人，隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，每組20 人，以“牙齒的控根移動(dòng)”為專(zhuān)題開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，對(duì)照組先由教師講授示教，然后讓學(xué)生彎制弓絲，最后進(jìn)行病例分析，時(shí)長(zhǎng)為2 個(gè)學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)組先讓學(xué)生在口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中沉浸式體驗(yàn)學(xué)習(xí)，通過(guò)手柄操作在口腔正畸牙列安放不同轉(zhuǎn)矩的弓絲，并通過(guò)頭盔顯示器，在三維空間中，任意角度觀(guān)察不同轉(zhuǎn)矩的弓絲對(duì)牙齒產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，借助空間線(xiàn)索標(biāo)示進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)完畢后，進(jìn)行弓絲彎制，然后進(jìn)行同一病例分析，時(shí)長(zhǎng)也為2 個(gè)學(xué)時(shí)。沉浸式學(xué)習(xí)過(guò)程見(jiàn)圖3-4。

圖3 學(xué)習(xí)者佩戴頭盔

圖4 VR 交互操作

所有研究對(duì)象都由同一組老師帶教。實(shí)踐教學(xué)2 周后對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行對(duì)比研究，采用同一試卷進(jìn)行筆試+實(shí)操?？荚噧?nèi)容涉及記憶、理解、應(yīng)用3 個(gè)維度?？荚囈园俜种朴?jì)算，考試結(jié)束后由同一教師完成閱卷及成績(jī)分析工作。

實(shí)踐教學(xué)結(jié)束2 周后，對(duì)實(shí)驗(yàn)組樣本20 人進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)心流問(wèn)卷調(diào)查分析，回收有效問(wèn)卷20 份，有效率100%。問(wèn)卷題目分為控制感、沉浸感、愉悅感、專(zhuān)注度4 大類(lèi)，共20道題，每題描述一種體驗(yàn)效果，答案按是否同意分5 個(gè)級(jí)別，非常同意記5 分，非常不同意記1 分，問(wèn)卷滿(mǎn)分為100 分。用來(lái)判斷實(shí)驗(yàn)組在使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)的過(guò)程中，全身心投入其中的狀態(tài)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)計(jì)量資料進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05；得出數(shù)據(jù)以表示，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組學(xué)生進(jìn)行“牙齒控根移動(dòng)”專(zhuān)題實(shí)踐訓(xùn)練的記憶、理解、應(yīng)用3 個(gè)維度測(cè)試，每個(gè)維度以百分制計(jì)算成績(jī)，對(duì)比結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組同學(xué)的測(cè)試成績(jī)均高于對(duì)照組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），其中在知識(shí)應(yīng)用維度的測(cè)試結(jié)果差異最為顯著，見(jiàn)表1。

表1 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的測(cè)試數(shù)據(jù)與分析結(jié)果（分，）

表1 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的測(cè)試數(shù)據(jù)與分析結(jié)果（分，）

?

2.2 心流體驗(yàn)

實(shí)踐學(xué)習(xí)結(jié)束2 周后，對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行心流體驗(yàn)問(wèn)卷調(diào)查，問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示：口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)生全身心投入學(xué)習(xí)的心流體驗(yàn)良好，90%以上的同學(xué)都喜歡虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的真實(shí)體驗(yàn)，并且表示專(zhuān)注度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)，見(jiàn)表2-3。

表2 實(shí)驗(yàn)組心流體驗(yàn)問(wèn)卷各維度得分情況（n=20）

表3 實(shí)驗(yàn)組心流體驗(yàn)問(wèn)卷的結(jié)果統(tǒng)計(jì)（人）

3 討論

3.1 口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用效果

當(dāng)沉浸理論應(yīng)用于教學(xué)中時(shí)，能充分利用學(xué)習(xí)者的感官和認(rèn)知，營(yíng)造氛圍讓學(xué)習(xí)者享受一種正向的、積極的心理體驗(yàn)，參與學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)獲得很大的愉悅感，從而促使學(xué)習(xí)者反復(fù)進(jìn)行同樣的練習(xí)而不會(huì)厭倦。同時(shí)，沉浸式體驗(yàn)學(xué)習(xí)通過(guò)建立集成姿態(tài)傳感器和視覺(jué)顯示的虛擬交互環(huán)境，提供了模擬實(shí)際臨床效果的可視化空間，使學(xué)生對(duì)抽象概念的理解、力學(xué)的感知以及操作訓(xùn)練形成內(nèi)在邏輯聯(lián)系，有助于學(xué)生獲得理論知識(shí)、實(shí)踐操作和臨床效果相融合的最初體驗(yàn)[1]。

力相當(dāng)于正畸醫(yī)生手里的“藥”，將不同轉(zhuǎn)矩的弓絲放置于正畸牙列上，牙齒將分別做出怎樣的力學(xué)反應(yīng)？由于部分學(xué)生缺乏立體空間思維，對(duì)牙齒在三維方向的移動(dòng)很難理解。本研究通過(guò)“牙齒控根移動(dòng)”這一典型教學(xué)專(zhuān)題，通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，沉浸式實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用大大緩解了學(xué)生由于思維習(xí)慣和個(gè)體差異導(dǎo)致的學(xué)習(xí)困難，使學(xué)生對(duì)抽象生物力學(xué)的認(rèn)知和體驗(yàn)在沉浸式實(shí)踐操作后理解的深度及應(yīng)用能力明顯提高，說(shuō)明沉浸式實(shí)踐體驗(yàn)可以在短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生深刻理解抽象概念。這與Passig 的研究結(jié)果一致[2]。

同時(shí)，沉浸式實(shí)踐操作體驗(yàn)既可以提高學(xué)生獨(dú)立分析、解決問(wèn)題的能力，又有利于學(xué)生對(duì)獲取知識(shí)的理解與整合，學(xué)生通過(guò)沉浸在真實(shí)環(huán)境中反復(fù)練習(xí)，不斷試錯(cuò)，在知識(shí)、技能和體驗(yàn)之間建立聯(lián)系，最終適應(yīng)復(fù)雜而多變的臨床情況，找到有效解決問(wèn)題的方法，進(jìn)而又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力[3]。因此，沉浸式實(shí)踐操作體驗(yàn)表現(xiàn)為以學(xué)生為中心，結(jié)合身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，非常有利于幫助學(xué)生將理論知識(shí)、操作技能和臨床體驗(yàn)建立起內(nèi)在邏輯聯(lián)系，有效提升了學(xué)生的綜合能力。這與Schott 和Marshall的教學(xué)研究結(jié)果一致[4]。同樣，Lau 和Lin 等也對(duì)這種沉浸式、探究式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果也表明，在沉浸式實(shí)踐教學(xué)體驗(yàn)中，學(xué)生的大部分時(shí)間用于創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，對(duì)操作的敏感性、靈活性和創(chuàng)新性方面能力都得到明顯提升。

3.2 口腔正畸生物力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的心流體驗(yàn)

心流是心理學(xué)中的一個(gè)重要概念，是一種積極的情感體驗(yàn)，是對(duì)用戶(hù)深度需求的挖掘與認(rèn)知，并使人能夠全身心地投入某種活動(dòng)中，以求達(dá)到一種挑戰(zhàn)與技能的平衡，從而能夠使用戶(hù)產(chǎn)生情感體驗(yàn)的過(guò)程。心流體驗(yàn)的9 個(gè)特征，分別是：明確的活動(dòng)目標(biāo)、直接的即時(shí)反饋、個(gè)人技能與任務(wù)挑戰(zhàn)之間平衡、行動(dòng)與知覺(jué)相融合、專(zhuān)注于所做的事情、潛在的控制感、失去自我意識(shí)、時(shí)間感的喪失、自身有目的的體驗(yàn)。本課題以皮爾斯（Pearce J）等人開(kāi)發(fā)的量表為基礎(chǔ)，編制了心流體驗(yàn)調(diào)查問(wèn)卷[5]，用來(lái)判斷實(shí)驗(yàn)組在使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)的過(guò)程中，全身心投入其中的狀態(tài)，結(jié)果90%以上的同學(xué)都喜歡虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的真實(shí)體驗(yàn)，并且表示專(zhuān)注度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)。因此，使用沉浸式體驗(yàn)虛擬技術(shù)營(yíng)造寬松、和諧、民主的翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生更自由、更自主、更自信地學(xué)習(xí)，可以迫使學(xué)生放下等待與依賴(lài)的心理，進(jìn)而點(diǎn)燃學(xué)生的求知欲與學(xué)習(xí)熱情，切實(shí)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。蒲軍等將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于外科學(xué)培訓(xùn)中，也得到了相似的結(jié)果[6]。

3.3 沉浸式體驗(yàn)臨床實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

建立操作與反饋體驗(yàn)，是沉浸式體驗(yàn)實(shí)踐課程設(shè)計(jì)的核心要素，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐操作步驟進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，增加軟件與學(xué)生間的互動(dòng)性空間線(xiàn)索指引，使學(xué)習(xí)目標(biāo)更有指向性。

建立環(huán)境仿真體驗(yàn)，是學(xué)生獲得沉浸感的主要來(lái)源。使學(xué)生獲得身臨其境的感覺(jué)，360。觀(guān)察和體驗(yàn)虛擬環(huán)境內(nèi)的事物，感受真實(shí)的臨床情景和視覺(jué)心理。

建立非常規(guī)視角體驗(yàn)，通過(guò)虛擬攝影機(jī)提供更大的觀(guān)察自由度，觀(guān)察視角完全脫離空間影響，甚至可自由分解、縮放，滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)細(xì)節(jié)的觀(guān)察，加深學(xué)生對(duì)空間結(jié)構(gòu)的理解。

建立物理仿真體驗(yàn)，虛擬操作及虛擬物體自身運(yùn)行都符合物理規(guī)律，使學(xué)生可以觀(guān)察到正確的物理現(xiàn)象，并獲得真實(shí)的操作結(jié)果。

4 結(jié)論

以沉浸式體驗(yàn)提升臨床實(shí)踐教學(xué)的效果，具有沉浸感、想象性和交互性的本質(zhì)特征，可體現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)生實(shí)踐操作培養(yǎng)的全新目標(biāo)，但是還不能完全取代真實(shí)的動(dòng)手操作，將沉浸式體驗(yàn)學(xué)習(xí)與實(shí)際動(dòng)手操作相結(jié)合，有望探索出一條培訓(xùn)口腔正畸醫(yī)師操作技能的新方法。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突