張文利 陳晨 王岳 沙琨

摘? 要? 醫(yī)學(xué)教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜抽象，專業(yè)知識晦澀難懂，教師利用傳統(tǒng)教學(xué)方式難以具象、生動地傳遞知識。3D技術(shù)的引入可以豐富醫(yī)學(xué)課堂，能夠調(diào)動醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與主動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度及滿意度，從而更好地實現(xiàn)知識內(nèi)化。對比分析各類數(shù)字化醫(yī)學(xué)教學(xué)的優(yōu)缺點，結(jié)合問卷調(diào)查論證3D技術(shù)的有效性，并根據(jù)不同課程的教學(xué)需求，提出醫(yī)學(xué)教學(xué)三維動畫的設(shè)計與制作建議。

關(guān)鍵詞? 醫(yī)學(xué)教學(xué)；3D技術(shù)；數(shù)字媒體技術(shù)；課程思政；虛擬現(xiàn)實；三維動畫

中圖分類號：G642.4? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）17-0034-04

0? 引言

醫(yī)學(xué)課程專業(yè)性強，病理過程、藥物作用原理等內(nèi)容難以直接觀察，實踐性要求高。同時，課程內(nèi)容涉及大量的交叉性學(xué)科知識。教師利用傳統(tǒng)的講授法授課容易出現(xiàn)以教師為中心、學(xué)生被動接受的填鴨式教學(xué)，致使課堂枯燥乏味，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。數(shù)字媒體技術(shù)的引入可有效解決上述問題。

現(xiàn)階段，數(shù)字媒體技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，通過將抽象的醫(yī)學(xué)知識形象化、具體化，更好地幫助學(xué)生理解、記憶，提高了教學(xué)有效性，是有效的學(xué)習(xí)工具。數(shù)字媒體技術(shù)形式多樣，以圖片、實拍視頻、MG動畫、三維動畫、虛擬現(xiàn)實為主。相較于其他數(shù)字媒體技術(shù)，3D技術(shù)以動態(tài)三維的視角傳遞教學(xué)內(nèi)容，具備精確性、交互性、可無限操作性等特點，可有效促進醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量提升。然而，3D制作周期長，且醫(yī)學(xué)知識的科學(xué)性強，如何基于教學(xué)需求選擇適合的3D技術(shù)以開展有效教學(xué)，是當(dāng)前醫(yī)學(xué)教育工作者面臨的主要問題。

1? 醫(yī)學(xué)教學(xué)3D技術(shù)概述

3D技術(shù)是指利用3D視覺效果通過各種形式創(chuàng)建不同的虛擬體驗技術(shù)。它既可以新的視角模擬現(xiàn)實，為觀眾呈現(xiàn)日常生活中無法觀測到的內(nèi)容，又可以具象化呈現(xiàn)抽象內(nèi)容與過程，提供直觀生動的體驗，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域[1]。

3D技術(shù)的引入為醫(yī)學(xué)教學(xué)提供了新的可能。三維動畫可以增強知識可視化效果，以更直觀的方式呈現(xiàn)發(fā)病機制、病變過程、藥物作用原理等。教育工作者依據(jù)教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建醫(yī)學(xué)場景，按照真實的物理參數(shù)制作醫(yī)學(xué)模型，通過調(diào)節(jié)材質(zhì)貼圖及燈光提高模型仿真度。增強現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)生提供平面圖片的360°視角，幫助學(xué)生理解。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸式、交互性特點，讓學(xué)生置身于虛擬場景中，根據(jù)提示操作，可以將畫面出現(xiàn)的人體模型層層剝開，通過移動、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作，全方位觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，幫助空間想象力弱的學(xué)生理解人體內(nèi)部器官空間結(jié)構(gòu)和相互位置關(guān)系。利用3D技術(shù)，學(xué)生可以在課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)過程中隨時學(xué)習(xí)。

2? 數(shù)字媒體技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1? 圖片

在授課過程中，教師可以利用示意圖講解概念，將抽象概念具象化，幫助學(xué)生利用圖片形成對該知識點的初步認知。雖然教師可以利用系列圖片靜態(tài)展示病理的階段特征，但是無法動態(tài)地展示病理全過程。如教師可以通過呈現(xiàn)健康肝部圖片和肝硬化后肝部圖片形成對比，幫助學(xué)生了解病癥，但是圖片無法動態(tài)呈現(xiàn)肝硬化病理過程。

2.2? 實拍視頻

臨床醫(yī)學(xué)授課注重實踐性，教師可以利用實拍實操視頻讓學(xué)生觀看案例操作過程，提升學(xué)生對案例系統(tǒng)的學(xué)習(xí)；學(xué)生可以反復(fù)觀看教學(xué)視頻學(xué)習(xí)，也可以通過案例感受手術(shù)室嚴(yán)謹?shù)姆諊?。如脊柱?cè)彎手術(shù)視頻可以直觀地呈現(xiàn)椎弓根螺釘置入、金屬絲矯正脊柱全過程，幫助學(xué)生記憶、理解治療流程，實現(xiàn)理論知識的實踐應(yīng)用。同時，學(xué)生可以學(xué)習(xí)資深醫(yī)生現(xiàn)場決策過程。但是手術(shù)室錄像采用固定機位，部分內(nèi)容被遮擋，且脊神經(jīng)等細節(jié)無法看到，這些都會影響課堂知識的有效傳播。

2.3? MG動畫

MG動畫能夠利用卡通化、擬人化的醫(yī)學(xué)形象，風(fēng)趣、簡潔地呈現(xiàn)枯燥乏味的專業(yè)術(shù)語、不易理解的病變過程、復(fù)雜的實操過程，不僅可以幫助學(xué)生理解知識，還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。如口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)在教學(xué)齲齒時，教師可以通過MG動畫進行齲齒的病因及癥狀介紹，加深學(xué)生的記憶。MG動畫制作周期短、制作成本低、風(fēng)格多樣、表現(xiàn)力強，在吸引學(xué)生注意力的同時，可以有效提高學(xué)生的主觀能動性；但是MG動畫扁平化的表現(xiàn)方式僅適用于醫(yī)學(xué)知識科普、醫(yī)學(xué)課程導(dǎo)入等簡單的內(nèi)容，不適用于醫(yī)學(xué)專業(yè)知識的深層次學(xué)習(xí)[2]。

2.4? 3D技術(shù)之虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實的真實感、沉浸感、交互性等為醫(yī)學(xué)教學(xué)帶來新的方式。虛擬現(xiàn)實教學(xué)資源不受物理環(huán)境的影響，可以模擬醫(yī)學(xué)情境，讓學(xué)生有身臨其境的感覺，幫助學(xué)生更好地感受真實的醫(yī)療環(huán)境；可以交互式呈現(xiàn)解剖學(xué)知識、病理、病癥等。如過敏性哮喘虛擬現(xiàn)實課件允許學(xué)生進行簡單的體格檢查操作，全景式觀看過敏性哮喘病理，可以旋轉(zhuǎn)、放大、縮小，包含胸腔、肺部、支氣管等結(jié)構(gòu)模型，學(xué)習(xí)呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。同時，學(xué)生還可以通過模型匹配等交互式測試評價自己的學(xué)習(xí)結(jié)果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅增強了課堂的趣味性，還改變了以教師講授為中心的授課方式，學(xué)生通過與虛擬資源交互開展主動性學(xué)習(xí)，極大發(fā)揮學(xué)習(xí)主觀能動性。但虛擬現(xiàn)實開發(fā)成本過高，開發(fā)周期長，且由于設(shè)備等技術(shù)限制，無法在課堂上大規(guī)模推廣。

2.5? 3D技術(shù)之三維動畫

隨著CG圖像處理技術(shù)日益精進和完善，三維動畫內(nèi)容保真度有了質(zhì)的飛躍。醫(yī)學(xué)教學(xué)具有微觀、嚴(yán)謹、科學(xué)等特點，三維動畫的精確度和還原度更適用于醫(yī)學(xué)教學(xué)?；诰_的數(shù)據(jù)，三維動畫可以1∶1真實還原器官，清晰顯示肉眼無法觀測的神經(jīng)，演示病變過程等。利用三維動畫，教師可以更直觀、更立體、更生動地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，更好地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)解剖學(xué)知識，理解病理病癥，提升學(xué)習(xí)效率，為臨床工作打下堅實的基礎(chǔ)。

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院利用三維動畫開展小兒外科疾病腸旋轉(zhuǎn)不良教學(xué)，解決了胚胎發(fā)育過程抽象，傳統(tǒng)教學(xué)方式學(xué)生難以學(xué)習(xí)理解的問題，通過三維動畫清晰地呈現(xiàn)胚胎發(fā)育過程中臟器的形態(tài)變化、與周圍毗鄰組織關(guān)系，以及解剖位置變化過程。授課教師認為三維動畫可以生動地呈現(xiàn)理論知識，增強課堂教學(xué)吸引力，提高外科理論教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生對三維動畫的接受度高，認為三維動畫的可用性、有效性更強[3]。

陸軍軍醫(yī)大學(xué)針對腎內(nèi)科專業(yè)性較強、基礎(chǔ)理論知識要求較高等問題，在教學(xué)中引入三維動畫，演示電解質(zhì)平衡轉(zhuǎn)運、腎小管重吸收原理、腎小球高濾過狀態(tài)的病理生理過程。通過與傳統(tǒng)教學(xué)對比，三維動畫教學(xué)的學(xué)習(xí)成果更好，學(xué)生對知識的理解、模擬臨床技能操作水平更高[4]。

綜上所述，如表1所示，相較于其他數(shù)字媒體形式，三維動畫既可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，幫助學(xué)生更好地內(nèi)化知識，又具備開發(fā)成本低、應(yīng)用價值高的特點，是當(dāng)前醫(yī)學(xué)數(shù)字化教學(xué)資源的最佳選擇之一。

3? 3D技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與評價

為了解醫(yī)學(xué)教學(xué)中3D技術(shù)的使用反饋情況，筆者基于第九版人衛(wèi)醫(yī)學(xué)教材《內(nèi)科學(xué)》配套的AR（增強現(xiàn)實）教學(xué)資源開展問卷調(diào)查。問卷包括有用性、認知效益、保真度、操控性、滿意度、使用意愿等六個維度，分發(fā)問卷60份，有效問卷53份，有效率88.33%。

本次問卷調(diào)查結(jié)果顯示：大多數(shù)學(xué)生認為醫(yī)學(xué)教學(xué)結(jié)合3D技術(shù)對自己的學(xué)習(xí)有幫助，三維模型將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分段清晰呈現(xiàn)，也將抽象的名詞具體化、形象化，視覺化思考可以幫助提高學(xué)習(xí)效率；只有20.75%的學(xué)生認為這種資源的使用并不會影響到他們的學(xué)習(xí)結(jié)果。絕大多數(shù)學(xué)生運用該資源幫助自己更好地記憶、理解知識，在這其中還有64.15%的學(xué)生認為這種方式有利于學(xué)習(xí)遷移，如圖1所示。

保真度方面，僅有9.43%的學(xué)生認為三維模型材質(zhì)貼圖質(zhì)感的真實度低，無法潛心貫注地學(xué)習(xí)。三維模型的交互設(shè)計簡單易上手，83.02%的學(xué)生能夠很快掌握對模型移動、旋轉(zhuǎn)、拆分等操作方法；47.17%的學(xué)生認為對模型的實時可操作性有助于提高理解力，形成形象化記憶，如果可以在肺段模型拆分過程中對每段拆分出的模型名稱進行標(biāo)注，就會更有幫助。這種與三維動畫結(jié)合的教學(xué)方式，學(xué)生使用意愿高達90.56%，學(xué)生表示愿意使用此類型資源進行學(xué)習(xí)，并且推薦給其他學(xué)生嘗試；但課堂上這種類型資源少，更多時候需要自己在網(wǎng)上尋找，費時費力，還無法確保找到適用的資源，索性放棄這種學(xué)習(xí)方式，希望能有平臺集中制作整合醫(yī)學(xué)教學(xué)三維動畫資源，供大家學(xué)習(xí)使用。本次學(xué)習(xí)經(jīng)歷的滿意度達97.48%，如圖2所示；但是針對AR功能使用滿意度，有49.06%的學(xué)生選擇基本滿意，提出AR效果只是出現(xiàn)時帶來新奇的視覺沖擊，實際使用價值并沒有三維模型高，如圖3所示。

4? 醫(yī)學(xué)教學(xué)三維動畫的設(shè)計策略

4.1? 理論類醫(yī)學(xué)教學(xué)三維動畫設(shè)計策略

理論類課程以教師講授為主，課程目標(biāo)是將基本概念、結(jié)構(gòu)、原理等理論知識傳授給學(xué)生。利用三維動畫開展理論課程授課時，教學(xué)設(shè)計師應(yīng)依據(jù)教學(xué)目標(biāo)、重難點設(shè)計三維動畫，實現(xiàn)其他數(shù)字媒體無法呈現(xiàn)的效果。如肝臟中的“五葉四段”理論是讓學(xué)生理解肝臟的構(gòu)造及分割原理，而圖片的平面化和MG動畫的卡通化特性無法將此概念立體寫實地呈現(xiàn)，因此，三維動畫制作重點應(yīng)放在模型的寫實度與精準(zhǔn)度上。技術(shù)人員可以采用三維掃描儀獲取實物的三維數(shù)字模型，并對模型進行細節(jié)調(diào)整、UV拆分，賦予真實的材質(zhì)與貼圖，完成逼真化模型制作。同時，肝內(nèi)正中裂、左葉間裂、右葉間裂、左外葉段間裂和右后葉段間裂“五葉四段”的分割位置也需要運用特寫鏡頭、慢鏡頭進行展示，將理論知識精準(zhǔn)化呈現(xiàn)。此外，該動畫還應(yīng)展示外部透明的肝臟模型，便于學(xué)生更好地觀看肝臟內(nèi)部的肝血管模型，觀察肝血管的分布及走向，讓學(xué)生更好地理解“五葉四段”分割原理[5-7]。

4.2? 實踐類醫(yī)學(xué)教學(xué)三維動畫設(shè)計策略

實踐類課程前期教師講授程序性知識，學(xué)生在實際操作前應(yīng)熟記操作流程與注意事項。學(xué)生可以在課前自主觀看三維動畫進行預(yù)習(xí)，了解基本操作流程，降低程序性知識授課時間成本，預(yù)留更多的時間開展教師指導(dǎo)下的實踐活動。所以，三維動畫的設(shè)計重點并非模型的精細程度，而是操作過程的演示，應(yīng)當(dāng)詳細記錄操作過程的每一個步驟。如水銀血壓計操作教程三維動畫需要展示血壓計的構(gòu)成，利用近景展示使用前校正以及檢查水銀是否在基準(zhǔn)線上、開關(guān)是否閉合與袖帶是否漏氣等；運用特寫鏡頭展示袖帶的位置與松緊度、聽診器放置位置等，與音效結(jié)合呈現(xiàn)舒張壓和收縮壓，幫助學(xué)生準(zhǔn)確了解水銀血壓計操作技能，并且能夠在真實的情景中應(yīng)用此技能。

4.3? 課程思政三維動畫設(shè)計策略

課程思政目標(biāo)是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識、技能的同時，潛移默化地樹立正確的思想觀念、政治觀點和道德規(guī)范。教師結(jié)合案例講解，傳達價值觀念，給予學(xué)生正確的引導(dǎo)。課程思政可以通過三維動畫與專業(yè)知識有機結(jié)合的方式，提高課程的趣味性，幫助學(xué)生加深對專業(yè)知識的記憶，并且在專業(yè)內(nèi)容講授過程中升華學(xué)生思想境界。此類動畫在設(shè)計時需注意以傳播知識為主、思想升華為輔，控制情感烘托時間比例。如在講授生產(chǎn)知識時，教師通過一段三維動畫來演繹產(chǎn)婦生產(chǎn)過程、可能會出現(xiàn)的突發(fā)狀況以及未能及時正確處理突發(fā)狀況情況下產(chǎn)婦及嬰兒將面臨的危險等；在動畫上方置入生產(chǎn)時骨盆發(fā)生變化過程的特寫鏡頭，幫助學(xué)生有效學(xué)習(xí)生產(chǎn)知識，并溫習(xí)生產(chǎn)時恥骨、底骨、尾骨的分離打開，以及對脊柱的影響等知識點；在片尾制作母親懷抱嬰兒，回憶生產(chǎn)時的痛苦，與懷里嬰兒對視，看到他抓著母親的衣襟以及努力睜大的雙眼，露出充滿愛意的笑容的畫面，傳達母愛的無私與偉大，激發(fā)學(xué)生感恩母親和敬畏生命的情感[8-9]。

5? 結(jié)束語

3D技術(shù)是醫(yī)學(xué)教學(xué)的重要工具，具有很高的教學(xué)價值。教師利用3D技術(shù)可以提高課堂的趣味性，具象化呈現(xiàn)專業(yè)知識，從而更好地開展醫(yī)學(xué)教學(xué)，提升教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生利用3D技術(shù)以新的視角學(xué)習(xí)專業(yè)知識，根據(jù)學(xué)習(xí)需求進行自主學(xué)習(xí)，也可以突破物理空間和時間的限制，隨時隨地觀看、重看三維視頻，更好地實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。教師在設(shè)計、制作三維動畫時，需要專家團隊、技術(shù)團隊等確保三維動畫的科學(xué)性、教育性，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容調(diào)整三維動畫的重點。為提高三維動畫的成本效益，不同高等教育機構(gòu)可以跨校合作開發(fā)，共享教學(xué)資源。資源開發(fā)后需要相關(guān)課程教師和學(xué)生共同試用，獲取同行評價、學(xué)生評價意見，并及時進行更改和更新，確保資源的有效性。

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作者：張文利，海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍衛(wèi)生信息中心，助理工程師，研究方向為新媒體醫(yī)學(xué)教育應(yīng)用；陳晨、王岳，海軍軍醫(yī)大學(xué)；沙琨，通信作者，海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍衛(wèi)生信息中心，副教授，研究方向為高等教育信息化（200433）。