非交互式虛擬現(xiàn)實(shí)用于康復(fù)動作的教學(xué)效果

張宏 閆瑾 孫昕 崔立軍 李嘯揚(yáng) 謝青 牛傳欣*

（1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，上海 200025；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)系，上海 200025；3.上海市瑞金康復(fù)醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，上海 200025）

運(yùn)動療法是康復(fù)教學(xué)的重要內(nèi)容，其教學(xué)難點(diǎn)在于動作要點(diǎn)不易形成直觀感受，原因是患者在徒手或持械狀態(tài)下運(yùn)動，肢體姿勢和肌肉發(fā)力都隨時間而發(fā)生變化。在目前的康復(fù)課堂教學(xué)中，為本科生講授運(yùn)動療法時仍以圖片文字為主要媒介，只能承載靜態(tài)內(nèi)容，無法展現(xiàn)肢體運(yùn)動細(xì)節(jié)，影響學(xué)生臨床實(shí)習(xí)的效率［1］。非交互式虛擬現(xiàn)實(shí)（Non-Interactive Virtual Reality，NIVR）技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)建立人體和康復(fù)環(huán)境的三維動畫，借助于鼠標(biāo)、頭顯、搖桿等設(shè)備獲取期望的視角和動線，然后將錄制好的三維動畫作為教學(xué)內(nèi)容播放給學(xué)生。該技術(shù)可保證多人同堂學(xué)習(xí)同一套材料，因此NIVR可以無縫接入現(xiàn)有康復(fù)醫(yī)學(xué)的課堂教學(xué)［2］。

為達(dá)到利用NIVR提升康復(fù)教學(xué)效率的目的，我們提出并建立了一套利用Blender開源軟件進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容定制開發(fā)的方法。Blender是一款開源的跨平臺三維動畫制作軟件，在國際學(xué)術(shù)界和開源社區(qū)廣受好評，國內(nèi)有高校利用該技術(shù)搭建大學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)室［3，4］。Blender的突出優(yōu)勢是以一套小巧的軟件包，提供了NIVR所需的幾乎所有內(nèi)容制作功能，而且可以通過Python編程接口與頭顯、搖桿等人機(jī)交互設(shè)備協(xié)同工作［5］。本研究首先展示了基于Blender制作NIVR的3個案例，并通過實(shí)驗(yàn)觀察了該方法是否能夠提升康復(fù)運(yùn)動療法的教學(xué)效果。

1 方法與對象

1.1 教材制作方法

康復(fù)動作選擇方面，由兩位中級以上職稱且具有帶教資格的物理治療師選取3項(xiàng)上肢訓(xùn)練動作：墻角后壓、棍棒外旋及上肢前推。這3項(xiàng)康復(fù)動作是指導(dǎo)患者訓(xùn)練時常用的基礎(chǔ)動作。墻角后壓為徒手完成，棍棒外旋是持械完成，上肢前推可以利用康復(fù)機(jī)器人完成。這3個動作雖然看似簡單易懂，但在臨床實(shí)習(xí)帶教過程中，卻經(jīng)常有學(xué)生對動作細(xì)節(jié)理解錯誤或不到位。

圖文教材的制作方面，課題組分別編寫3項(xiàng)上肢訓(xùn)練動作的說明，并參考教材或公開發(fā)表文獻(xiàn)，制作能形象展示該動作的插圖。每個動作的說明文字字?jǐn)?shù)控制在100字以內(nèi)。墻角后壓、棍棒外旋的文字說明參考繁體中文版《運(yùn)動治療學(xué)》［6］并針對臺灣與大陸的用語習(xí)慣進(jìn)行了術(shù)語校正；上肢前推的文字說明參考課題組已發(fā)表的臨床研究［7］。

NIVR動畫的制作方面，首先使用Blender軟件創(chuàng)建人物、器械和環(huán)境的三維模型，然后完成人物和器械（包括棍棒、Fourier ArmMotus M2Pro型康復(fù)機(jī)器人）的綁骨，擺放好人物的關(guān)鍵姿勢。同時調(diào)整攝像機(jī)位置，以呈現(xiàn)利于觀看者學(xué)習(xí)的角度。NIVR動畫渲染成功后，通過剪輯軟件加入與圖文資料統(tǒng)一的文字說明。圖文資料和NIVR動畫見圖1。

圖1 傳統(tǒng)圖文資料（左）和Blender非交互式虛擬現(xiàn)實(shí)動畫屏幕截圖（右）

1.2 研究對象

2022年6月—2022年7月，招募在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院實(shí)習(xí)的24名本科生，按隨機(jī)數(shù)字表法分為兩組。研究組12人，其中男生9人，女生3人，平均年齡（22.71±1.45）歲。對照組12人，其中男生5人，女生7人，平均年齡（22.64±0.89）歲。所有參與學(xué)生均對本研究知情同意。經(jīng)過χ2檢驗(yàn)，對照組和研究組兩組間性別和組別之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。經(jīng)過Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗(yàn)和Levene方差齊性檢驗(yàn)，得出兩組年齡數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布和方差齊性假設(shè)，使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較得出，研究組和對照組在年齡上差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t＝0.34，P＞0.05）。

1.3 教學(xué)與評價(jià)方法

教學(xué)過程中，研究組以NIVR動畫為教材，對照組以傳統(tǒng)圖文資料為教材，分別在1h之內(nèi)自學(xué)3個上肢訓(xùn)練動作。自學(xué)完成后，兩組均需回答9道考試題，內(nèi)容涵蓋運(yùn)動的關(guān)節(jié)角度、發(fā)力方式、相關(guān)肌肉?？碱}回答完成后，兩組的所有學(xué)生都會被展示NIVR動畫和圖文資料兩套教材，并被要求通讀后填寫包含12個問題的調(diào)查問卷。實(shí)驗(yàn)流程見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

考試考核共包含9道題目。對兩組標(biāo)準(zhǔn)化試題成績數(shù)據(jù)集進(jìn)行Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗(yàn)，證明了數(shù)據(jù)集滿足正態(tài)分布［8］。采用t檢驗(yàn)和邏輯回歸探究研究組和對照組兩組間標(biāo)準(zhǔn)化試題的平均成績有無顯著性差異。NIVR調(diào)查問卷共包含2項(xiàng)性別統(tǒng)計(jì)、對NIVR的了解程度統(tǒng)計(jì)以及10項(xiàng)問題，要求學(xué)生從“非常認(rèn)同（2分）”“認(rèn)同（1分）”“一般（0分）”“不認(rèn)同（-1分）”“很不認(rèn)同（-2分）”中選擇答案。采用雙因素方差分析探究組別和題目對于NIVR調(diào)查結(jié)果是否有影響。P＜0.05則認(rèn)為差異具有顯著性。統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用4.1.2版R軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 考試考核

t檢驗(yàn)顯示，兩組間標(biāo)準(zhǔn)化試題成績無顯著性差異（P＞0.05），研究組的平均成績?yōu)椋?0.17±2.91）分，對照組的平均成績?yōu)椋?.5±2.5）分。見表1?？荚囶}中有一個問題是“前推動作中有哪些肌肉參與”，邏輯回歸顯示對于該問題，研究組成績高于對照組，兩組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（β1＝0.14，SE＝0.06，t＝2.16，P＜0.05）。其OR值為1.15，表示研究組回答該題正確的事件發(fā)生概率比對照組高1.15倍。

表1 兩組考試考核成績比較（，分）

表1 兩組考試考核成績比較（，分）

2.2 問卷調(diào)查

共發(fā)出并回收問卷24份，由頻率分布熱度圖（圖3、圖4）和教學(xué)情況問卷調(diào)查結(jié)果（表2、表3）可見，兩組學(xué)生均對于NIVR用于康復(fù)教學(xué)的認(rèn)可程度較好。我們首先研究的問題是組別和問題對卷面總分是否有影響。采用雙因素方差分析，自變量為組別、問題、組別和問題的交互作用，因變量為總分，為計(jì)量資料。結(jié)果顯示，組別對總分有顯著影響（F1，220＝11.61，P＜0.05），而問題與組別和問題的交互作用對分?jǐn)?shù)影響不顯著。交互作用情況如圖5所示?？梢妼φ战M對NIVR的評分比研究組更高，表示使用圖文資料的對照組在得知有NIVR動畫后，更加認(rèn)可這種新型的教學(xué)方式。我們還對教學(xué)情況問卷調(diào)查得分計(jì)量資料進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對照組在回答“我很滿意NIVR教學(xué)方式”時，得分高于研究組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t18.68＝2.55，P＜0.05）。見表4。

表2 研究組教學(xué)情況問卷調(diào)查結(jié)果［n（%）］

表3 對照組教學(xué)情況問卷調(diào)查結(jié)果［n（%）］

表4 教學(xué)情況問卷調(diào)查得分獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果表

圖3 研究組調(diào)查問卷熱度圖

圖4 對照組調(diào)查問卷熱度圖

圖5 分組與問題分?jǐn)?shù)的交互作用圖

3 討論

3.1 結(jié)果回顧

我們的研究表明，與傳統(tǒng)教學(xué)工具相比，NIVR教學(xué)給學(xué)生帶來更好的運(yùn)動療法學(xué)習(xí)效果，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在觀察肌肉參與運(yùn)動的表現(xiàn)更直觀、教學(xué)方式被更加認(rèn)可。這與既往虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)用于康復(fù)教學(xué)的研究結(jié)果相似［9，10］。表明NIVR可以作為康復(fù)運(yùn)動療法教學(xué)的補(bǔ)充?？祻?fù)醫(yī)學(xué)的實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下操作才能取得較好的教學(xué)效果。但大學(xué)生獲取知識最主要的途徑還是課堂教學(xué)和自學(xué)，教學(xué)媒介仍以文字和圖片為主［11］。圖文資料只能承載靜態(tài)內(nèi)容，無法展現(xiàn)運(yùn)動療法中的肢體運(yùn)動細(xì)節(jié)，難以讓學(xué)生在進(jìn)入臨床前對訓(xùn)練動作形成準(zhǔn)確理解。所以，開發(fā)更直觀、表現(xiàn)力更強(qiáng)的康復(fù)醫(yī)學(xué)教學(xué)方法，突破圖片文字的局限，解除學(xué)生對康復(fù)動作的陌生感，才能培養(yǎng)出知識扎實(shí)、技術(shù)過硬的實(shí)用型康復(fù)人才［12］。

本研究所涉及的NIVR技術(shù)的核心是通過計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境來提供一種非真實(shí)的、被動式的用戶體驗(yàn)［13］。在制作NIVR三維動畫時，可以集成建模、動畫等技術(shù)，構(gòu)造出視覺逼真的環(huán)境［14，15］。動畫中還可以變換視角，使觀看者得以觀察到事物全貌［16］。NIVR的應(yīng)用范圍廣泛，國外已經(jīng)出現(xiàn)NIVR用于輔助康復(fù)的案例［17，18］。相比于其他虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，NIVR更加簡單易用，手機(jī)和普通電腦即可訪問，不易產(chǎn)生頭暈、惡心、視覺疲勞等不適感［19］，因此較適合康復(fù)課堂教學(xué)。

我們在NIVR動畫制作軟件的選擇上，刻意避開了大型商業(yè)軟件而選取了開源的Blender軟件。Blender具有人體建模、人體綁骨、動作擺位等適合康復(fù)示教的功能［20］。在上海交大醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)系的本科教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，Blender可以用于康復(fù)教材制作、輔具設(shè)計(jì)等任務(wù)。

3.2 局限

有研究指出NIVR教學(xué)方式與二維視頻教學(xué)方式相比，可以提高知識測試成績［21］；本研究中兩組總體成績并沒有明顯差異，但NIVR組在掌握康復(fù)動作的相關(guān)肌肉方面優(yōu)于對照組。本研究樣本數(shù)量較小，有待在更大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)研究。

NIVR在康復(fù)教學(xué)中的應(yīng)用也仍需突破一些瓶頸，包括教學(xué)人員中掌握NIVR動畫制作技能的比例仍偏低、專業(yè)理論資料缺乏、對教師的英語和計(jì)算機(jī)素質(zhì)要求較高等［22］。

3.3 小結(jié)

本研究結(jié)果初步顯示，在傳統(tǒng)康復(fù)教學(xué)方法的基礎(chǔ)上引入NIVR教學(xué)方式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)滿意度，有助于學(xué)生更好地理解康復(fù)動作所涉及的肌肉和動態(tài)細(xì)節(jié)，從而掌握康復(fù)動作要領(lǐng)。