3D可视化教学资源在组织胚胎学教学中的应用

李跃萍　齐亚灵　钟南田　张彦慧　洪灯

摘 要 人体任何组织、细胞都处于三維空间中，而现有的组织胚胎学教学，并不能使学生建立三维空间结构概念。随着计算机等新兴学科在医学领域的交叉渗透，为3D可视化教学资源（3D-VTR）库的建立提供了可能性。3D-VTR可将传统二维平面的组织切片“立”起来，使其结构、概念深刻印在学生的记忆中。3D-VTR将在形态学教学中发挥重要作用。

关键词 组织胚胎学；3D可视化教学资源；教学改革；电子显微镜

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）20-0060-02

Application of 3D Visual Resources in Teaching of Histology and Embryology//LI Yueping， QI Yaling， ZHONG Nantian， ZHANG Yanhui， HONG Deng

Abstract Any tissues and cells in human body are located at three-dimensional space. While during the present teaching process， the stu-

dents have no three-dimensional structure conception. With the cross

penetration of new emerging sciences， such as computer science， in the field of medicine， it become possible for establishment of three-dimensional visualization of teaching resources（3D-VTR）. 3D-

VTR makes the structures in traditional two-dimensional plane stand

up， and turns them into a three- dimensional visual model or teaching

tools. These structures in three-dimensional space will give a deep impression in the students memory. 3D-VTR will play a new and important role in the teaching of morphology.

Key words histology and embryology； three-dimensional visualiza-tion of teaching resources； teaching reform； electron microscope

1 前言

组织胚胎学是研究机体微细结构及其相关功能、研究人类胚胎形成和发育的一门科学，是医学院校重要的基础学科。一个好医生，常常能够通过病人外在的症状和体征，联想到内在形态和功能变化，从而因病施治。万丈高楼平地起，这就要求医学生必须打好基础医学知识功底。

2 组织胚胎学传统教学手段现状分析

组织胚胎学属形态学范畴，常常需要借助显微镜甚至电子显微镜来观察结构，需记忆的名词、概念多。在现有的授课环节中，无论是理论课还是实习课，以教师的课堂讲授为主，看PPT、模型、数字切片或显微镜等教学方式为辅。一个三维平面的立体结构，现有的视、听模式只能帮助学生建立组织的二维平面结构，并不能营造一个立体的空间结构观念，学生很难在第一时间接受所学知识[1]。

如果教师没有很好的空间结构描述、表达能力，或学生没有很好的立体结构思维，很多医学名词、复杂结构及其演变过程将变得难以理解，且容易遗忘，这使学生对组织胚胎学望而却步、难以彻底“吃透”，失去进行医学探索的兴趣。而学生课后复习主要是在图书馆、自习室或寝室根据教材、课堂笔记、教科书上的图片进行理解、复习。这种学习模式不能将教材中抽象、复杂的内容直观、立体地表现出来，制约学生对人体微细结构的认知和理解。

3 3D可视化教学资源的兴起及其在教学中的应用前景

在人类的记忆和认知系统中，视觉记忆是重要的组成部分。视觉工作记忆是视觉感知和概念上的表征建立联系的直接渠道，它能够同时对视觉目标不同维度的属性（如颜色、形状、方向、位置等）信息进行保持[2]。视觉条件下看到的物体越接近真实，对概念和构成的理解与记忆也就越准确。

随着计算机科学、信息技术、3D打印技术等新兴学科在医学领域的交叉渗透，对知识的理解、学术体系的构建等方面与原来相关的各个老学科有许多不同，具有全新的发展方向和自身特点。信息可视化、知识可视化领域的应用和拓展，教学设计研究也出现可视化视觉转向[3]，可视化教学研究也提上日程。

可视化（Visualization）技术是利用计算机图形学和图像处理技术，将海量数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术[3]。在计算机显示屏里看到的三维图形，是真实三维空间的一个影印版。为了让学生看到的图形更接近真实世界，在制图过程中需要利用人眼具有的近大远小的视觉特性；同时在计算机屏幕上使用不同的色彩、灰

度，使人眼能感受到物体不同面的光线强弱，从而使人眼产生对三维立体图像的感知。

以肝脏的肝小叶结构为例，对比二维平面和三维平面带来的视觉冲击。如图1所示，A图是普通切片下所展示的画面，而B图则是人体肝脏的真实形态结构（3D图像）。如果利用更多的如B图一样的3D图像和教具来进行教学，相信学生会对三维平面的结构记忆更深刻。endprint

在教学工作中，3D图像可以多角度、多层次地给学生以感官冲击，激发学生的学习兴趣。3D可视化教学将在教学过程发挥与众不同、崭新而重要的作用。在组织胚胎学教学中，3D可视化图像将传统二维平面的组织切片“立”起来，使其结构深深地印刻在学生的记忆中。

进入2014年，越来越多的本科院校和高等职业院校把建设“虚拟仿真实验教学中心”作为主打工作，即通过计算机而实现仿真、交互平台，帮助学生获得对抽象知识的感性认识。这个平台的建设近两年被高频率地纳入教育部的一系列重要文件中。针对高校对虚拟仿真教学的普遍需求，有很多虚拟仿真教学供应商宣布推出“3D互动教学系统”。曼恒数字教育销售总监丁永军介绍：“3D互动教学系统集合了三维可视化虚拟展示和智能互动两大功能，可以让复杂抽象的教学内容变得生动易懂，实现边学边模拟实践的高效教学。”“3D可视化互动教学系统”的推出，意味着3D可视化教学资源被越来越多的商家和高校所重视，成为教学改革中一个具有鲜活生命力的新方向。

3D可视化教学可克服传统教学的缺点，实现教学过程更加直观化、立体化与精细化，为医学知识的理解、认识与研究提供三维的可视化的解决途径。3D可视化教学资源可赋予课堂教学一种逼真的、三维的甚至可以是动态的视觉刺激，便于教师和学生用以前不可想象的手段来获取信息，发挥自己创造性的思维。3D可视化教学资源能揭开人体世界的神秘面纱，用更加接近真实的方式展现出人体的内在结构。而人体解剖学在3D可视化教学方面已经走在前列，并取得很好的教学效果[4]。

4 3D可视化教学资源建设目前存在的问题

目前正处于发展虚拟现实技术时期，在教学方面利用计算机等技术手段实现组织学与胚胎学结构的三维可视化应该是可行之事。在教学工作中可利用的3D可视化教学资源，不仅包含由计算机辅助设计及绘制的3D图像、3D模型，还包含由临床工作来源的胎儿镜、胎儿三维超声图像、畸形胎儿标本；另外，泥塑手工可以利用超轻黏土等材料，让学生在课外学习中将卵泡、肌组织等简单的结构通过动手的方式制作出来。这些技术和手段都可以被纳入3D可视化教学资源（3D Visual Teaching Resources，3D-VTR）库中。而在3D-VTR建设中还存在下面一些问题。

可利用的3D图像少 在国外各医学院校网站上，可见大量可利用的医学3D图像，图像逼真、画面清晰，但由于版权限制，需要医学专业人员与计算机图像绘制人员合作，如同建立人体解剖的3D可视化系统一样，共同开发更多的3D图像用于教学。

可利用的3D模型少，缺乏专业性 目前在我国市场上可购买的组织胚胎学3D教学模型种类少，做工粗糙，专业性不强，色彩对比度差，实用性弱，价格昂贵，与同款国外进口模型相比差距大，难以大批量引进并用于教学中。

临床资源不能很好地服务基础教学 在临床工作中获得的大量正常或异常的胎儿图片，如胎儿镜、胎儿三维超声图片，在用于教学过程中最好能对图片做更好的计算机处理，一方面避免伦理学问题，另一方面使图像更虚拟、立體，并配以文字说明，才能具有更强的实用性。而在实践中，由于缺乏计算机图像处理技术人员的参与，使这些临床资源不能很好地服务于基础教学。

5 结语

综上，与人体解剖学相比，组织胚胎学所研究的对象多数是肉眼不可见的，涉及组织和细胞层面，需借助显微镜甚至电子显微镜才能看到的结构。如何将这些微小的三维结构由解剖层面推进到组织甚至细胞层面，并展现在学生面前，这将会成为组织胚胎学教学发展的一个方向。我国目前鲜有有关组织学与胚胎学的3D可视化教学论文，相关教具及图形还很匮乏，这需要计算机图形处理、软件开发人员与医学教育工作者共同努力。相信3D-VTR库的建立将有助于学生对组织胚胎学的学习、理解，为组织胚胎学教学工作带来革新。

参考文献

[1]胡忠良.数字切片在病理学教学中的应用[J].山西医科大学学报：基础医学教育版，2010，12（8）：834-835.

[2]Luria R， Vogel E K. Shape and color conjunction stimuli are represented as bound objects in visual working memory[J].Neuropsychologia，2011，49（6）：1632-1639.

[3]钱旭鸯.教学设计可视化研究：教学设计的视觉转向[J].全球教育展望，2010（7）：30-35.

[4]孟凡洁，张国荣.基于可视化数字人体平台进行解剖学教学改革[J].中国教育技术装备，2016（6）：14-15.endprint