劉 鎮(zhèn) 黃會(huì)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(qiáng)的實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)占比可達(dá)總教學(xué)課時(shí)的1/3~2/3。目前，各醫(yī)學(xué)院校解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化手段的報(bào)道呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。各單位應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)各有不同，有的進(jìn)行了數(shù)碼互動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(diǎn)，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(dòng)和教學(xué)軟件等多個(gè)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(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)集“理論-實(shí)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(shí)驗(yàn)室建設(shè)前情況

本教研室建有8間解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)室，每間實(shí)驗(yàn)室約65 m2，配有6張解剖臺(tái)，每間實(shí)驗(yàn)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(tái)式計(jì)算機(jī)和投影儀。2008年曾在其中3間實(shí)驗(yàn)室安裝標(biāo)清數(shù)碼互動(dòng)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(shí)驗(yàn)室不能滿足解剖學(xué)實(shí)踐教學(xué)需求的矛盾日益顯現(xiàn)出來：①未建數(shù)碼互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室，在對(duì)重、難點(diǎn)結(jié)構(gòu)示教時(shí)，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(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、細(xì)小結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)示教效果也不盡人意；②原有數(shù)碼互動(dòng)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(qiáng)，不僅影響課件演示效果，更無法進(jìn)行有效師生互動(dòng)；③實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，能利用數(shù)字軟件演示其立體結(jié)構(gòu)；②實(shí)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(duì)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(shí)，可以利用高清數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)給所有學(xué)生進(jìn)行演示。

3 數(shù)字化解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目

基于實(shí)驗(yàn)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(jì)，計(jì)劃先期完成5個(gè)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)室既能獨(dú)立開展教學(xué)活動(dòng)，也可以視為一個(gè)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(jì)算機(jī)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(jià)格日趨低廉。根據(jù)本教研室解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地條件，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室配備“一主兩輔”3塊LED顯示屏。實(shí)驗(yàn)室正前方的主顯示屏為86英寸觸控一體機(jī)，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(jì)算機(jī)、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(shí)驗(yàn)室建設(shè)整體架構(gòu)示意圖

3.2 基于高清攝像機(jī)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(jī)、硬盤錄像機(jī)和數(shù)碼互動(dòng)軟件。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室配置7臺(tái)高清全景攝像機(jī)，其中6臺(tái)全景攝像機(jī)分別位于6張解剖臺(tái)的正上方，另外1臺(tái)全景攝像機(jī)位于實(shí)驗(yàn)室中前部上方。全景攝像機(jī)通過網(wǎng)線依次與硬盤錄像機(jī)及教師用計(jì)算機(jī)相連，每臺(tái)教師用計(jì)算機(jī)配備1個(gè)主控鍵盤用于全景攝像機(jī)的視野調(diào)節(jié)。

各實(shí)驗(yàn)室間教師用計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線連通，構(gòu)建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)交互系統(tǒng)各設(shè)備的互連互通。通過數(shù)碼互動(dòng)軟件可實(shí)時(shí)調(diào)取局域網(wǎng)內(nèi)所有全景攝像機(jī)的實(shí)時(shí)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(gòu)了“中國(guó)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。“中國(guó)數(shù)字人”解剖系統(tǒng)展示的三維模型根據(jù)國(guó)人連續(xù)斷層數(shù)據(jù)重建而來，數(shù)據(jù)量大，相對(duì)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(shí)物解剖標(biāo)本建模而來，真實(shí)度和清晰度都很高，且該軟件有移動(dòng)平臺(tái)的APP，學(xué)生課后可以在手機(jī)或平臺(tái)上學(xué)習(xí)。“數(shù)字人”VR解剖學(xué)教學(xué)系統(tǒng)以真實(shí)人體連續(xù)斷層圖像為基礎(chǔ)，通過信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(jī)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(shí)，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(jí)，未來可以直接在PPT中插入可互動(dòng)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(shí)也可以適時(shí)地與中間的大屏相連，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)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(shí)驗(yàn)課程，特別是系統(tǒng)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。以往教師示教標(biāo)本或示范操作時(shí)，學(xué)生們圍攏在教師周圍，無法保證每個(gè)學(xué)生都能有較好的觀察視角。通過高清攝像機(jī)，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(tái)重復(fù)示教的時(shí)間，提高了教學(xué)效率；同時(shí)交互系統(tǒng)的使用可以相對(duì)解決實(shí)驗(yàn)室空間小、學(xué)生多造成的擁擠，比如在檢查驗(yàn)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或?qū)嶒?yàn)室間的共享。

位于實(shí)驗(yàn)室中前部吊頂?shù)娜皵z像機(jī)可自動(dòng)跟蹤教師運(yùn)動(dòng)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(shí)，也可實(shí)現(xiàn)一位教師實(shí)施多間實(shí)驗(yàn)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(bào)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(guó)內(nèi)自主研發(fā)，可360°任意旋轉(zhuǎn)，具有較強(qiáng)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(duì)于傳統(tǒng)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過程起到有效的補(bǔ)充，彌補(bǔ)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(dòng)資源發(fā)送至微信、微博等平臺(tái)（無需APP支持），可以用于重、難點(diǎn)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(jì)算機(jī)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(diǎn)[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(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于解剖學(xué)教學(xué)實(shí)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(yàn)“拼接標(biāo)本”等小游戲，促進(jìn)學(xué)生更仔細(xì)地在現(xiàn)實(shí)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(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，顯著增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的趣味性，對(duì)于提高解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量起到一定的促進(jìn)作用。

5 討論

5.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)要根據(jù)建設(shè)經(jīng)費(fèi)全面統(tǒng)籌安排。建設(shè)時(shí)，所有設(shè)備應(yīng)該是當(dāng)時(shí)較為先進(jìn)的，同時(shí)應(yīng)考慮到方便今后升級(jí)換代。不能建成即落后，造成不必要的浪費(fèi)。

5.2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要有系統(tǒng)性

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)并不是簡(jiǎn)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(jì)、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(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)，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(duì)實(shí)驗(yàn)室管理人員的專業(yè)知識(shí)提出了更高的要求

實(shí)驗(yàn)室教學(xué)儀器設(shè)備的日常維護(hù)，主要依賴實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員完成。隨著實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化建設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)。

5.4 存在不足

目前尚未能實(shí)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(fèi)的影響，師生互動(dòng)系統(tǒng)需要手動(dòng)調(diào)節(jié)攝像機(jī)視野，未能達(dá)到自動(dòng)捕捉目標(biāo)的功能。虛擬仿真配套設(shè)備價(jià)格相對(duì)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(yàn)，暫時(shí)還未能用于大規(guī)模教學(xué)。