3D 虛擬仿真技術(shù)在功能解剖學(xué)教學(xué)的應(yīng)用*

楊 春 張業(yè)輝 郭金華 崔曉軍 李文漫 張劍凱 杜以寬 孫艷芹

（1.廣東醫(yī)科大學(xué)解剖學(xué)教研室，廣東 東莞 523808；2.東莞市人民醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室，廣東 東莞 523059；3.廣東醫(yī)科大學(xué)病理學(xué)系，廣東 東莞 523808）

隨著時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列3D 數(shù)字虛擬仿真系統(tǒng)的人類研究產(chǎn)品。3D解剖教學(xué)軟件是基于計(jì)算機(jī)通過三維可視化軟件將CT、MR 及人體斷面標(biāo)本等相關(guān)信息進(jìn)行重建而成，構(gòu)建了人體結(jié)構(gòu)的立體圖像。該圖像具備可360 度旋轉(zhuǎn)，多角度觀察3D 層面等特點(diǎn)。因此，虛擬仿真系統(tǒng)則具有3D 可視化、虛擬化、人機(jī)交互等特點(diǎn)[1]。聯(lián)合這些虛擬仿真重建、虛擬可視化等軟件教學(xué)，克服了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)的局限性，受到了醫(yī)學(xué)教師、學(xué)生和臨床工作者的認(rèn)可。

功能解剖學(xué)是一門介紹正常的人體器官、結(jié)構(gòu)功能，以及人體結(jié)構(gòu)配布規(guī)律等在康復(fù)醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的課程，是康復(fù)學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課[2]。通過學(xué)習(xí)本門課程，能夠使學(xué)生明確體內(nèi)器官的位置、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能及生命活動(dòng)的規(guī)律、調(diào)節(jié)機(jī)制等，建立起對(duì)正常的生理結(jié)構(gòu)及一般的生長(zhǎng)、發(fā)育規(guī)律的普遍認(rèn)識(shí)；同時(shí)了解到康復(fù)訓(xùn)練對(duì)人體器官、功能的作用，以及相關(guān)衛(wèi)生、保健基礎(chǔ)知識(shí)；為后續(xù)康復(fù)課程的學(xué)習(xí)提前做好準(zhǔn)備，并為康復(fù)工作打下良好的基礎(chǔ)[3]。功能解剖學(xué)的教學(xué)效果影響到學(xué)生今后從事特殊康復(fù)工作的質(zhì)量。功能解剖學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)方式主要依靠教科書、標(biāo)本、模型及掛圖等，以教師填鴨式授課為主體，結(jié)合學(xué)生觀察標(biāo)本進(jìn)行教學(xué)。然而，教學(xué)中存在教學(xué)課時(shí)少、內(nèi)容多的矛盾，課上平面圖像無法將動(dòng)態(tài)動(dòng)作生動(dòng)展示，缺少活體標(biāo)本等多種因素，使初學(xué)者無法深入了解此課程，容易感到恐懼、困難，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。虛擬仿真系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生需要，多角度、多方向觀察相關(guān)結(jié)構(gòu)所在部位、毗鄰與細(xì)節(jié)，通過隨意的旋轉(zhuǎn)、拉伸及剪切處理圖像，更加深入且全面地了解人體形態(tài)結(jié)構(gòu)、毗鄰、層次等變化及體表標(biāo)志等解剖學(xué)知識(shí)。虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)融合了許多數(shù)字特效功能，可更加快速、便捷、直觀、清晰地多方位、多角度觀察同一個(gè)器官和組織。軟件教學(xué)資源十分的豐富，操作簡(jiǎn)單易行。這不僅有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，還可以改善解剖標(biāo)本短缺的問題[4]。拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間。因此，可以將3D 數(shù)字虛擬仿真系統(tǒng)與傳統(tǒng)的功能解剖學(xué)教學(xué)相結(jié)合，二者取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互融合。本文論述了3D 數(shù)字虛擬仿真系統(tǒng)在功能解剖學(xué)教學(xué)中的效果及作用，希望進(jìn)一步為相關(guān)學(xué)者提供寶貴的信息。

1 聯(lián)合3 D 數(shù)字虛擬仿真可活躍課堂氣氛 提高學(xué)習(xí)積極性

3D 數(shù)字虛擬仿真系統(tǒng)具有交互、可視化、完整性等特點(diǎn)，通過操作虛擬仿真軟件系統(tǒng)，可直觀地顯示人體的系統(tǒng)組成、位置、毗鄰，有助于引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建整體的學(xué)習(xí)框架。3D 解剖軟件內(nèi)圖像清晰度、飽和度都更高，較傳統(tǒng)圖譜更具優(yōu)勢(shì)。高質(zhì)量的圖片搭配文字簡(jiǎn)介，使原本晦澀難懂的解剖知識(shí)變得十分生動(dòng)。立體圖清楚地顯示了器官的位置和形狀，使得體表定位不再困難，揭開了功能解剖學(xué)的神秘面紗。人機(jī)交互，可以增強(qiáng)學(xué)生感知力、理解力，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容、范圍、重難點(diǎn)等有了良好的認(rèn)識(shí)。既可以使學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，又可消除學(xué)生的恐懼情緒，掌握、學(xué)習(xí)內(nèi)容和范圍，使其學(xué)習(xí)信心提高。

功能解剖學(xué)的傳統(tǒng)理論教學(xué)內(nèi)容冗雜、枯燥無味，將3D 仿真重建、虛擬可視化軟件應(yīng)用于理論課堂，可提供更完備的教學(xué)資源，直觀地將人體結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系展示，使抽象的教學(xué)內(nèi)容立體化，知識(shí)形象生動(dòng)的展示出來；虛擬仿真軟件使學(xué)生的學(xué)習(xí)具有探索性，學(xué)生可根據(jù)教師的講解自行操作，課堂氣氛活躍，提高學(xué)習(xí)積極性。

2 聯(lián)合3 D 數(shù)字虛擬仿真教學(xué)具有實(shí)驗(yàn)效率提高 標(biāo)本浪費(fèi)減少 標(biāo)本利用率增加等優(yōu)點(diǎn)

解剖學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且由于課時(shí)緊張，學(xué)生動(dòng)手能力欠缺，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)標(biāo)本具有一定的破壞性、不可逆性，存在實(shí)驗(yàn)效率低及標(biāo)本利用率低等問題，嚴(yán)重浪費(fèi)標(biāo)本。比如對(duì)局部某些部位的解剖，存在區(qū)域越來越小，位置越來越深的問題。解剖過程中，辨認(rèn)難度加大，加上操作空間小，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際操作過程中可能更容易對(duì)組織結(jié)構(gòu)造成不可逆的損傷。浪費(fèi)標(biāo)本的同時(shí)，也更容易引起學(xué)習(xí)的負(fù)面情緒高漲。不同部位肌肉組織存在空間結(jié)構(gòu)和重疊長(zhǎng)度的差異等實(shí)際問題，很難在標(biāo)本上展示。傳統(tǒng)的教學(xué)模式不能呈現(xiàn)生動(dòng)、形象的動(dòng)態(tài)圖像，只能顯示靜態(tài)圖像。虛擬仿真軟件可多層次、多角度的動(dòng)態(tài)顯示觀察的標(biāo)本結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生有效地理解、觀察標(biāo)本，也更大程度地減少教學(xué)標(biāo)本浪費(fèi)，使實(shí)驗(yàn)效率和標(biāo)本利用率提高[5]。

3 聯(lián)合3 D 數(shù)字虛擬仿真教學(xué) 可提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)課成就感 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性

基于計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)，有效結(jié)合解剖學(xué)知識(shí)的虛擬仿真系統(tǒng)，具有一定的課堂空間、時(shí)間的延展性。課堂前后學(xué)生可使用軟件進(jìn)行反復(fù)地觀看學(xué)習(xí)，有助于其自主學(xué)習(xí)能力的提高。虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)，無形當(dāng)中在很大程度上可提高學(xué)生的主觀意識(shí)。此軟件的應(yīng)用，有助于溫故知新，學(xué)生既能夠理解和掌握新知識(shí)，又能夠不斷地培養(yǎng)學(xué)生的自我探索、創(chuàng)新、獨(dú)立解決問題等能力。實(shí)際操作上，虛擬仿真系統(tǒng)可以在終端顯示器上將動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容呈現(xiàn)出來，進(jìn)而從多層次、多角度顯示出各個(gè)器官、組織的確切位置。形象而直觀，提高了教師的課堂教學(xué)效率的同時(shí)，也提高了學(xué)生實(shí)踐中的主觀性感受、實(shí)踐能力，而最終使其實(shí)踐成就感和主動(dòng)性提高。

4 聯(lián)合3 D 數(shù)字虛擬仿真教學(xué) 有助于完成學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)

目前的智慧虛擬教學(xué)軟件都是與微課、模擬測(cè)試、自主學(xué)習(xí)等緊密結(jié)合，功能豐富，透明、逐層剝離及添加、剔除毗鄰器官等功能均可以提供，方便人機(jī)互動(dòng)。針對(duì)學(xué)生的需求，便于課外學(xué)習(xí)，可使用一些方便在手機(jī)及平板電腦等移動(dòng)端安裝的解剖軟件。3D 數(shù)字虛擬仿真可實(shí)現(xiàn)功能解剖學(xué)教學(xué)資源的時(shí)空共享。功能解剖學(xué)傳統(tǒng)的授課容易受授課時(shí)間和學(xué)習(xí)空間等限制，一些課堂上遺留下來的問題很難下課后解決，問題積累后影響學(xué)習(xí)的熱情，甚至制約著課程教學(xué)質(zhì)量的提高。為了更好地培養(yǎng)高質(zhì)量、高水平的康復(fù)醫(yī)學(xué)專業(yè)人才，更好地熟悉解剖結(jié)構(gòu)，合理安排學(xué)習(xí)進(jìn)度，可以課前讓學(xué)生在手機(jī)等便攜式、多功能終端設(shè)備等提前進(jìn)行解剖過程的虛擬訓(xùn)練，課后通過軟件復(fù)習(xí)所學(xué)知識(shí)。這樣拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)空軸，實(shí)現(xiàn)了更多資源的共享。學(xué)生在這個(gè)過程中能自己總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提升獨(dú)立思考及獨(dú)立解決問題的能力[6]。課后的軟件學(xué)習(xí)主要可以解答一些疑惑，明確組織器官的立體毗鄰結(jié)構(gòu)等，通過拆分結(jié)構(gòu)，可以更好地溫習(xí)以提高操作過程效率，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

5 小結(jié)

通過運(yùn)用虛擬仿真等相關(guān)軟件，可輔助教師對(duì)抽象的教學(xué)內(nèi)容的講授，可有效提高課堂授課效率，提升實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的利用率。學(xué)生可以模擬操作，提高實(shí)驗(yàn)成就感。課堂時(shí)空的延展，可以使學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性提高。虛擬仿真系統(tǒng)融入課堂教學(xué)，可以成為課程教學(xué)創(chuàng)新的設(shè)備和科學(xué)保障，利于提升廣大中青年教師的專業(yè)素質(zhì)[7]。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真軟件仍有待完善。有些圖像的分辨率、逼真度等有待提升，針對(duì)不同需求，細(xì)節(jié)處理欠佳，整合相關(guān)學(xué)科的知識(shí)較少，目前與臨床對(duì)接欠佳，缺少相關(guān)疾病的病理對(duì)照，使得軟件應(yīng)用變狹窄。目前單純運(yùn)用虛擬仿真軟件，也會(huì)使部分學(xué)生產(chǎn)生過度依賴，導(dǎo)致其動(dòng)手能力弱，不愿意接觸標(biāo)本，無法培養(yǎng)其臨床動(dòng)手操作技能等。隨著科技的發(fā)展，用動(dòng)態(tài)的虛擬解剖軟件與實(shí)物尸體解剖相結(jié)合的教學(xué)方法，也是解剖學(xué)教學(xué)發(fā)展的大趨勢(shì)[8]。

功能解剖學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合3D 可視化動(dòng)態(tài)互動(dòng)式教學(xué)，目前可使師生獲得最大化的學(xué)習(xí)效率和教學(xué)成效。在醫(yī)學(xué)本科的教育階段，將數(shù)字化教學(xué)引入功能解剖學(xué)教學(xué)過程中，符合現(xiàn)有課程設(shè)置需求和學(xué)生的需求，其教學(xué)理念與培養(yǎng)創(chuàng)新型人才一致，滿足師生的共同需求和利益?，F(xiàn)代的高新科技發(fā)展，既推動(dòng)了教師的教學(xué)改革，又促進(jìn)了功能解剖學(xué)的發(fā)展。