浅析虚拟仿真实验教学在正常人体解剖学实验教学中的应用

钟占琼，姜岑，谢璐霜，易晓红

（成都中医药大学基础医学院，四川 成都 611137）

人体解剖学在医学教育中具有重要地位，实验教学是《正常人体解剖学》课程的重要组成部分，尸体解剖则是加强实践性教学、培养学生动手能力的一个重要环节。人体尸体标本成为实验教学中不可或缺的材料。近年来，随着招生人数的不断扩大，人体尸体标本出现严重短缺的现象，且影响到实验教学的质量，虽然人体、器官捐献工作，在一定程度上能缓解尸源不足的问题，但距离实验教学需要仍相距较远。

虚拟仿真是以计算机虚拟现实和数码仿真技术为核心建立的视、听虚拟环境的高科技术。在计算机环境中建立的虚拟实验环境使实验者可以运用虚拟的实验器械或设备，在实验对象上进行各种实验项目练习。虚拟仿真实验在医学实验教学中发挥巨大的作用，通过虚拟实验的真实感、立体感、多媒体性、多通道性，在无真实实验条件下，满足学生们逼真、身临其境做实验的需求，学生通过对仿真实验系统的反复多次模拟操作，加强学生们的能动性和对知识的理解力，使学生掌握基本操作技能和运用知识的能力，可以节约实验材料、节省时间、避免受实验条件的限制、避免实验室污染等问题[1-2]。基于计算机资源的虚拟仿真技术虽然具有众多优点，但是，研究表明在对不同组别的学生采用传统方式，使用计算机技术资源没有使用尸体解剖，或者传统与计算机技术结合两种方式完成解剖学课程，在通过考试和成绩方面的结果显示传统的教学小组较技术支持的小组取得更好的成绩，而采用两种模式相结合组的成绩优于其他组[3]。因此，即使计算机改进已经发展到一个新的领域，为学生提供许多方式以促进他们对图像结构的处理，但距离替代传统实验教学仍然存在距离。

为进一步探究当前的虚拟仿真技术是否能够达到替代或促进传统实验教学，本研究选取由同一位教师授课的同一个班级，采用两种不同的实验教学模式，研究现阶段虚拟仿真实验教学在解剖学实验教学中的作用。

1 资料与方法

1.1 研究对象 成都中医药大学2018 级眼视光学专业学生，总人数59 人，男生19 人、女生40 人；年龄19～21 岁。随机分成对照组与实验组。

1.2 实验方法 对照组和实验组同学由同一老师采用多媒体授课、结合尸体实物标本，挂图及模型的传统教学方法讲解。两组同学教材相同，学时相同，为104 课时，其中，理论课68课时，实验课36课时。但是，实验组同学要求每次实验课前、课中或课后使用3D body或者虚拟解剖系统进行对照学习，任何疑问教师及时解答。

1.3 教学内容 按教学进度、教学大纲要求授完《正常人体解剖学》（全国中医药出版社，绍水金主编，第2版）内容进行期末成绩汇总分析。

1.4 考核 期末理论采用人机对话考试，系统导入试题，分别有单项选择题，多项选择题、判断题，每题1分；填图题、填空题每空1 分；名词解释，每题3 分；简答题，每题5 分；论述题，每题8分。满分100分，由计算机系统随机组卷，最后对卷面的每一个题型进行全面分析，同时对该班学生进行问卷调查。实验教学考试采用标本辨认实作考试。

1.5 问卷调查 课程结束完成考核后对实验组和对照组学生进行问卷调查，分别从激发学习兴趣、促进对知识的理解和掌握、促进基础与临床的联系等方面进行评价。

2 结果

2.1 考核成绩 实验组实验成绩高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.01），实验组综合成绩高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.01），见表1。

表1 两组各测试平均成绩比较（，分）

表1 两组各测试平均成绩比较（，分）

综合成绩70.88±19.93 57.75±12.01 0.003 0组别实验组对照组P值实验成绩95.32±3.24 87.08±9.66 0.000 2

2.2 问卷调查 通过手机客户端发起问卷调查，收回有效问卷58份，虚拟软件认同度调查分别从实验可视感、与临床的紧密联系、学习兴趣、团队协助能力、自主学习能力、科研能力和动手能力等方面进行评价。结果显示，在实验可视感、自主学习能力、科研能力、与临床紧密联系、提高学习兴趣等方面认同度（完全同意和基本同意）超过80%，而在团队协助能力和动手能力上则认同度仅有60%，见表2。

表2 学生对虚拟仿真教学模式的评价[n（%）]

对教学和学习的过程中使用的虚拟软件优缺点调查显示，在虚拟软件的优点中，可以不限地点和时间使用、理解组织或器官的层次结构以及便捷的操作方式优于传统的实验学习方式超过60%，见图1；但是在部分组织器官与实物的差异、部分解剖结构的展示不清楚和不利于动手能力培养等缺点超过60%，见图2。

图1 解剖学虚拟软件的优点

图2 解剖学虚拟软件的缺点

3 讨论

正常人体解剖学是一门研究正常人体形态和结构的科学，是医学专业必修的专业基础课。该课程通常是在大学一年新生刚入学第一学期开设，大部分学生还未适应大学的教学方式和学习方式，而人体结构复杂，专业名词数量庞大，在传统的教学中多采用教材、模型以及结合实验教学标本进行，使得教学效果不良。当前，人体解剖学实验教学主要是剖解和肉眼观察，从而加深学生对理论知识的掌握，然而，传统的实验教学具有时间、地点和实验标本的局限性，对于非临床医学专业学生更是欠缺[4]。因此，需要一种可以有效提高教学质量的教学方式。

随着网络技术的发展，3D 模型、全息表示法、基于虚拟现实的软件、Google 眼镜、生物打印、虚拟现实和相关技术等新技术在医学发展中的作用具有广阔的应用前景[5]。虚拟技术运用于各行各业已日趋明显，这也使得虚拟软件在医学领域的使用越来越广泛。通过虚拟现实软件教会医学和其他卫生专业的学生同情老年人，使他们能够模拟与年龄相关的疾病，例如黄斑变性和高频听力丧失，这种虚拟现实沉浸式训练医学生熟悉老年人的健康[6]。此外，借助虚拟现实和计算机生成的交互式环境，个人可以反复体验其遇到的问题，并通过基于此证据的心理治疗学习如何克服困难，结果显示虚拟现实模拟现实的能力可以大大增加患者获得心理疗法的机会和增强治疗效果[7]。

虚拟仿真技术辅助课堂教学具有明显优势，能显著提高学生学习积极性和主观能动性，提高教师的实验教学水平，改革实施多样化实验教学模块[8-9]。虚拟仿真技术也运用于各个学科的教学实践中，如在医学微生物学的实验教学中，对照组采用传统实验教学模式，观察组采用虚拟仿真实验教学后，将虚拟实验和真实实验有机地结合，观察组实验考核成绩、教学满意度优于对照组[10]。此外还有生理学、病理生理学、药理学、毒理学等多学科教学中。虚拟仿真在解剖学实验教学中的应用，更是起举足轻重的作用。尽管尸体是医学类专业学生学习解剖学的金标准，但是尸体标本在财务，道德和管理上均有很大的限制。此外，尽管解剖学仍然是医学教育的基本领域之一，但现在高校已经减少分配给解剖学教学的总体时间，以便支持临床工作应用。虚拟解剖实验教学可以提高医学生的创新能力和实践能力，节约尸体标本，缓解标本总体的供应不足，此外，也可以提高基础医学教学质量，提升教师的教学能力，进一步提高教学水平[11]。

虚拟仿真技术作为搭载手机或电脑终端的计算机网络技术，可以完整地展示人体内部的精细结构，如骨骼、血管、肌肉等的不同形态，并可以逐层的添加组织、器官等，以三维立体的形式展现机体的形状、位置及器官间的相互空间关系等。例如，3D body软件可以在手机终端安装，内容包括系统解剖学和局部解剖学，可独立查看男性和女性两套模型，具有文字描述信息；可以根据板块添加需要查看的内容，如头颈部，在此板块上可以单独查看骨骼，而骨连接、循环、神经、消化、呼吸、肌肉等可以通过点击按钮添加，有不同的颜色加以标注，整个模型可以按照需求任意角度旋转显示；此外，还有放大、缩小、隐藏、透明等功能。3D多媒体内容信息量大、功能强大，在解剖教学中结合专业要求、开展教学实践，显著提高学生成绩[12]。其他虚拟仿真软件数据库，如Primal互动3D解剖学数据库可以逐层剥离解剖模型，显示关节运动的3D动画，内嵌学习指导与习题等功能；中国数字人解剖系统（ECDH）有男、女两套真实、完整人体断层图像，可以实现分离、显示、轮廓示意（透明化）、染色、逐层剥离、任意角度旋转、随手画等功能[13]。心脏解剖学部分由于其结构复杂，是解剖学实验中对于初学者而言是难以掌握的内容之一。在对学生使用虚拟现实技术干预前后进行相关问题测试，结果显示，干预后测试平均得分高于干预前，且与对照组比较，接触虚拟现实技术的学生得分较高[14]。虚拟现实技术使学习者能够与心脏的解剖学进行三维互动，具有可行性和有效性。

本研究结果显示，有效结合虚拟软件3D body和传统标本实验教学的模式，能有效改善学生的综合成绩和实验考试成绩，因此，与以往研究结果一致。通过问卷调查的结果虚拟软件可以不限地点和时间使用、更能理解组织或器官的层次结构、便捷的操作方式优于传统的实验学习方式。但是，虚拟软件有一定的缺点，如部分组织器官与实物的差异、部分解剖结构的展示不清楚和不利于学生动手能力培养等。虚拟和增强现实设备与平板电脑设备一样可以增加学习者的沉浸感和参与度，但是参与者更有可能出现诸如头痛、头晕或视力模糊等症状[15]。在系统人体解剖学课程中，在线创建完整的本科解剖课程，并且具有实时交互式实验室组件，使用协作软件操纵三维虚拟解剖模型与传统的面对面课程同时运行，比较学生成绩表明，可以预测解剖学传统面对面教学的学生学习成绩[16]。由此可见，在解剖学实验教学中，传统实验教学有尸源不足，标本异味大，结构不易分辨，实验时间短暂，对于非临床专业学生动手机会较少等缺点，但是，虚拟仿真软件、虚拟现实和3D 模型等新技术虽然具有不限地点和时间使用、便于理解组织或器官的层次结构以及便捷的操作方式等优点，亦具有不利于学生动手能力培养，学生成绩不可预见性，使用者出现头痛、头晕或视力模糊等缺点。因此，这些新技术不能完全取代传统的实验教学，旨在寻找能够学习提升教学质量的资源[17]。

4 小结

综上所述，根据不同的专业需求不同，可以设置虚拟仿真实验与传统实验教学相结合，互相补充各有的优缺点，充分发挥虚拟实验的不限时间地点、层次结构清晰的技术优势，有效利用传统实验提高学生的动手能力。整体培养学生的学习能力和动手能力，提高教师的实验教学水平，实现高质量的教学模式。有效结合虚拟仿真技术和传统实验教学能提高教学质量，资源得到最大化使用，深化教学改革。