原创性交互式三维动画课件在耳鼻喉科教学中的应用

金晓峰，唐 琦，杨 华，高志强，姜 鸿，冯国栋，查 洋，潘 慧

中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 1耳鼻咽喉科 2教育处， 北京 100730

·教学与科研·

原创性交互式三维动画课件在耳鼻喉科教学中的应用

金晓峰1，唐 琦1，杨 华1，高志强1，姜 鸿1，冯国栋1，查 洋1，潘 慧2

中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院1耳鼻咽喉科2教育处， 北京 100730

交互式三维动画；耳鼻喉科学；教学质量评分表

耳鼻喉科解剖结构复杂、疾病众多，学习难度大。耳鼻喉科解剖特点是洞小腔深、结构重要、功能复杂，许多精细解剖结构，如中耳、内耳结构需要显微放大才能清晰显示；其中一些特殊结构，如耳蜗、前庭、半规管、听小骨等，需要准确理解其三维空间相对位置，因而使老师的教学和同学的学习均有一定难度。在以往教学中，授课老师以文字描述和平面图片为主讲解耳鼻喉科复杂的解剖结构，但同学们听完后经常介于似懂非懂状态，实际教学效果受限。另外，解剖和功能密不可分，不能正确理解和掌握某个结构的解剖知识就很难理解其生理功能及病理状况下的致病机制。如在学习耳科重要的听觉传导通路这一部分内容时，如何能够层层递进地讲解声音经外耳→中耳→耳蜗→柯替器→耳蜗毛细胞→顶端纤毛摆动→离子通道开放→神经冲动形成→向听觉中枢传导这一系列听觉解剖与相关功能机制，若仅靠文字和普通图片讲解，同学们理解非常困难，进而可能影响其学习兴趣，在一定程度上导致医学生对耳鼻喉科学“知难而退”。

交互式三维动画又称交互式3D动画，是近年来随着计算机软硬件技术发展而产生的新兴技术。三维动画软件可在计算机上首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹，虚拟摄影机的运动和其他动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光。当这一切完成后就可以通过计算机自动运算，生成最后的画面。交互式三维动画则是在此基础上，加入人机交互，产生对操作直接反馈的动画形式，可以产生强烈的视觉效果和身临其境的逼真感觉。

随着技术的发展和教学的客观需要,在保留传统授课媒介优秀内容的同时，耳鼻喉科教学需要补充更加富有表现力的授课媒介。动画以其形象直观、表现力丰富的特点不仅可以激发同学的学习兴趣,而且可以帮助他们更深刻地理解复杂的立体结构和生理功能。但目前适用于耳鼻喉科教学使用的交互式三维动画课件非常稀缺。面对这种局面，在北京协和医院教育处和北京协和医学院教学科研改革基金的资助和支持下，北京协和医院耳鼻咽喉科教学团队通过不断努力，自主探索设计和创作了交互式三维动画课件耳科解剖部分，应用于北京协和医学院本科生教学中，并通过设计的评分表由医学生进行无记名评分，以检验原创性3D课件实际应用价值，取得了较好的教学效果。

材料和方法

交互式三维动画制作方法

建模：根据专业解剖书籍及既往文献[1- 2]，采集耳部重要解剖结构在空间坐标系定位数据，确立听小骨、耳蜗、半规管等三维空间坐标架构；采用建模软件MAYA v6.5建立三维模型，包括解剖结构和交互式结构的制作，要求表现效果严格与实际效果一致，包括标准造型、转面图、结构图、比例图、分解图等，通过典型动作设计(如几个特定角度及旋转展示该解剖结构的最明确特征)，并辅以文字说明而实现。

剧本编写：根据教学内容需要，对教学动画进行规划与设计，主要包括剧本创作、分镜头剧本创作。将想表述的教学内容设计分镜头剧本，将文字进一步视觉化，包括镜头的类别和运动、构图和光影、运动方式和时间、音乐与音效等。其中每个图画代表一个镜头，文字说明用于如镜头长度、台词及动作等内容。

场景设计：场景是整个动画中景物和环境的来源，包括平面图、结构分解图、色彩气氛图等，通常用一幅图表达，根据教学需要编写。

动画制作：根据前期设计，在计算机中通过软件3DMAX、AutoCAD、Maya,按照摄影原理在三维动画软件中使用摄影机工具，导入三维模型，实现分镜头剧本设计的镜头效果。最后，用辐射度渲染方式进行渲染，即根据场景的设置、赋予物体材质和贴图、灯光等，由程序绘出一幅完整的画面或一段动画。

交互式设计：根据分镜头剧本与动作设计，运用已设计的造型在三维动画制作软件中制作出每一个分解动画片段。分别导入Adobe Flash Professional CS 5.5软件，通过操作关键帧以实现动作与画面的变化，达到交互。设定动画的主要画面为关键帧，关键帧之间的过渡由计算机完成。三维软件大都将动画信息以动画曲线表示，动画曲线的横轴是时间(帧)，竖轴是动画值，可以从动画曲线上看出动画设置的快慢急缓、上下跳跃。

后期合成：将教学所需的讲解音频及文字，按照分镜头剧本设计，通过非线性编辑软件编辑，最终生成动画影视文件。

教学效果评分表

在广泛采用的教学质量评价系统(system for evaluation of teaching qualities，SETQ)量表基础上[3- 5]，参考其他量表[6- 9]，对学生进行开放式调查采集评价指标，精简后编制耳鼻喉科教学方法评分表(system for evaluation of otolaryngology teaching qualities, SEOTQ),共8项评分指标(表1)。

课件效果评估群体

选择北京协和医学院2010级临床医学专业学习耳鼻喉科学医学生为课件效果评估群体，同时要求同学们填写计算机知识熟练程度信息。评估测试当天在场医学生共74名。

讲课方法及观察指标

在耳科解剖教学中，由同一位老师，在同一次讲课中先后采用传统二维课件和交互式三维动画课件进行讲解。两种课件的文字信息内容、老师口头讲解内容和讲述时长均相同。

表 1 耳鼻喉科教学方法评分表

教学结束后，采用SEOTQ评分表，让同学们对两种课件、教学方式及教学效果进行无记名评价，并对评分结果进行分析比较。

统计学分析

结 果

受试者一般资料

本研究共纳入2010级临床医学八年制医学生74名，其中男性30名(40.5%)，女性44名(59.5%)；年龄23～25岁。受试者教育程度全部为大学本科,学习耳鼻喉科学时间均<2个月。受试者计算机知识熟练程度统计资料显示，65%受试者的计算机水平为“熟练掌握Word、PowerPoint等软件及扩展功能”，16%具有更加高级的计算机软件知识，19%为“初步掌握Word、PowerPoint等软件”(图1)。

图 1 受试者计算机软件掌握程度(n=74)

耳部解剖交互式三维动画

根据解剖书籍及文献所述耳部重要解剖结构空间位置，最终制作出耳部解剖(第一阶段)3D演示动画，全程伴随语音解说，并在关键点及难点处设置人机交互(图2～4)。

图 2 动画第一部分：颞骨(深蓝色，以人体面朝向观察者为初始角度) A.轴向逆时针旋转45°；B,E,F.轴向逆时针旋转90°；C.轴向逆时针旋转135°；D.轴向逆时针旋转225°

图 3 动画第二部分：中耳、内耳三维结构 A.耳廓、外耳道软骨部、骨部；B.中耳、内耳结构，海蓝色显示鼓膜；C.橙色显示锤骨；D.黄色显示砧骨；E.紫色显示镫骨；F.深蓝色显示半规管

图 4 动画第三部分：双侧半规管空间位置 A.半规管在人体位置；B.A图放大；C.B图放大；D.C图放大; E.轴向逆时针旋转90°，在侧位显示右半规管空间位置；F.轴向逆时针旋转270°，在侧位显示左半规管空间位置，实线标示水平面，虚线标示外半规管平面，显示外半规管向前上与水平面成25°夹角

二维及三维课件教学效果分析比较

发放SEOTQ评分表74份，回收74份，回收率100%。SEOTQ评分表统计结果显示，三维课件8项指标得分全部高于二维课件，两者比较差异有统计学意义(P=0.000)。二维课件总体得分为(3.52±0.97)分,三维课件总体得分为(4.45±0.70)分，三维课件得分明显高于二维课件，两者比较差异有统计学意义(P=0.000)(图5)。

图 5 内耳解剖教学二维及三维课件教学效果比较SEOTQ:耳鼻喉科教学方法评分表； 两组各指标评分及总体评分比较，*P<0.001

讨 论

1910年美国教育家Flexner在考察了155所医学院后发表了著名的《Flexner报告》，该报告的可靠性和客观性使美国医学会(American Medical Association，AMA)决定大力改革医学教育不足之处,认证后关闭了一半不合格的医学院，使美国医学教育从学徒式培训转变为以大学为基础的现代医学教育模式，树立了医学教育必须是精英教育的理念，也成为世界医学教育改革的模范和奠基石[10]。2010年以来，研究者们总结分析一个世纪以来医学教育改革的经验，指出全球医学教育系统总体上仍不适应全球卫生环境，并提出了一系列医学教育改革的建议和理念[11]。随着时代和科技的发展以及知识载体的迅速革新，传统医学教育模式已经不能完全适应现代的需要。以往教-学双方信息不对称的状态现在甚至可能出现倒置。随着网络作为知识载体的爆发式扩容和无线上网作为获取知识手段的普及性，学生几乎可以随时随地对感兴趣或有疑问的内容通过搜索引擎检索到最新和权威的知识，这对授课老师的知识储备、传授知识的载体和媒介的吸引力均提出了很高的要求。根据本研究调查表资料，81%的医学生具有熟练的计算机常规应用知识，对于多媒体的熟悉程度和要求也相应较高，为此老师的授课方式需要顺应形势及时跟进。

耳鼻喉科学的学习从解剖开始，对耳鼻喉科三维解剖结构的掌握是后续学习的基础。这部分内容中很多概念所表述的空间结构十分抽象，老师难以用语言描述，采用实物模型和幻灯照片演示可以达到部分效果，但均受到一定限制。原因在于实物模型展示受众有限，不适用于大课；幻灯片所展示的平面图形不能清楚阐释解剖学中的三维抽象概念和生理机制,很大程度上限制了教学效果。2013年北京协和医学院对65位同学开展的解剖学学习问卷调查显示，56.5%的同学认为“需要记忆的内容太多，背不下来”, 22.6%的同学认为“立体空间感不好，记住了也不明白解剖结构的相对位置”[12]。

从20世纪80年代开始，随着计算机技术的飞速发展,动画在制作流程、艺术效果上发生了革命性的变化。电脑技术不但能够使传统动画制作周期缩短，节约动画制作成本，提高效率，而且计算机软件的应用将动画的形象和背景直接由计算机完成，使人们看到的虚拟画面更加逼真、更加接近于现实自然的画面效果。在此基础上形成的交互式三维动画可以达到非常强大的表现效果和教学效果。

交互式动画所具有的人机交互、立即反馈，是其他常规教学手段所不具备的。交互式三维动画进一步把动画所具有的视听合一功能与计算机交互功能结合在一起，产生出一种新的图文并茂的、立即反馈的人机交互方式。这样一种交互方式对于教学过程具有重要意义，它能够有效地激发同学的学习兴趣，产生强烈的学习欲望，从而形成学习动机。交互性使得交互式动画不仅是教学的手段方法，而且可以成为优化教学模式和教学思维的一个重要推动力。

交互式三维动画提供的外部信息不是单一感官刺激，而是多种感官的综合信息来源。这对于知识的获取和保持，都是非常重要的。实验证实，人类获取的信息主要来自视觉，同等条件下视觉获取知识的效率约是听觉的1.2倍[13]。多媒体课件既能看得见，又能听得见，还能用手操作，通过多种感官刺激获取的信息量也相应扩大，而获取的信息量越大可以掌握的知识量就会越大。因此，交互式三维动画对于知识的理解、记忆和保持都优于传统教学效果，本课题的对比研究也证实了这一点。耳鼻喉科解剖是教学中最大的难点之一，以内耳半规管为例，半规管由三根互成90度角的半圆环组成[1]，对于初学者来说，通过二维图和半规管角度数字表，抽象地理解它们之间的三维空间关系，难度较大。本研究分别采用传统二维课件和交互式三维动画进行相关教学，结果显示后者教学效果明显好于前者。

交互式三维动画技术具有众多优点，是未来教学的重要媒介模式,但应用时不能完全替代传统媒介。三维动画作为辅助教学、提高质量的手段，仍非常有必要与传统多媒体教学形式有机结合，才能更恰当地发挥其应有的价值。三维动画教学应该以现代教育思想、理论作指导，老师需要学习和掌握教学设计指导思想以指导自己的多媒体教学，科学地设计多媒体课件，在课堂学习中有机结合传统教学手段与三维动画课件的优点，充分发挥多媒体形式丰富的教学优势，并积极调动同学的兴趣。老师还需要注意平日对教学素材的积累，特别是一些生动的场景，要及时捕捉住思维中的灵感和精彩要素，并恰当地运用到三维动画创作中。

综上，在耳鼻喉科教学领域，交互式三维动画技术的应用空间很大，相信对于其他专科的教学也有一定借鉴作用。但本研究当前的创作和应用还仅处于起步探索阶段，协和耳鼻喉科教学改革和科研团队还将继续努力，不断完善。相信随着计算机仿真和虚拟现实技术的不断发展，交互式三维动画在耳鼻喉科教学的应用将会更加全面和深入。

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十二五国家科技支撑计划(2012BAI12B00/2012BAI12B01),北京协和医学院教学科研改革基金资助项目(2012)

杨 华 电话：010-69156311，E-mail：yanghua702@163.com

高志强 电话：010-69156301，E-mail：talllee@sina.com

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1674-9081(2014)04-0482-05

10.3969/j.issn.1674-9081.2014.04.029

2014- 06- 22)