数字化虚拟人在人体解剖学教学改革中的应用

赵翌如 胡建立

（1.新乡医学院三全学院,河南 新乡 453003；2.新乡市中心医院,河南 新乡 453003）

1 引言

随着信息技术、计算机技术以及医学技术的发展，数字化虚拟人在医学中的应用越来越广泛。数字化虚拟人不仅对医疗健康发展具有重要的推动作用，同时也带来以人体解剖课程为主的医学课程教学的巨大变革。人体解剖学属于医学形态学范畴，是医学院校重要的基础课程，数字化虚拟人以其强大的技术支撑可以满足当前人体解剖教学的需求，因此利用好数字化虚拟人技术，充分发挥其作用和优势，来推进医学课程教学改革，是当前医学课程教学面临的重要任务。

2 传统人体解剖教学中的不足

传统的人体解剖课程主要是通过观看解剖图谱，利用简单的教学模型进行教学。人体标本资源紧缺，教师不能随时通过人体标本进行教学。图谱虽然容易获得且教学方便，但是有一个明显的缺点，即缺乏人体组织和器官的结构真实感和立体感，学生难以通过图谱观察来获取清晰科学的认识，从而对解剖知识了解得不够深刻。教学模型虽然克服了图谱立体性不强的缺点，让学生可直观了解人体的组织结构，但模型尺寸、大小比例等失真现象较为常见，难以精确还原人体标本，导致学生观察了解不充分，动手实验能力不足，理论教学充分，而实践教学不足，学生动手操作能力差，进而导致教学质量难以提升。随着医学专业学生的不断扩招，人体标本的数量供应远远无法满足当前人体解剖课程的教学和实践需要。如果还是利用传统的教学模式进行教学，则对学生知识储备和临床操作能力的培养造成消极影响[1]。因此，人体解剖课程必须弥补传统教学模式的不足，解决标本不足的问题，切实提升教学质量。

3 数字化虚拟人的特点

3.1 真实性

数字化虚拟人最大的特点和优势即是对人体的还原度高，具有真实性，可供医学教师和学生进行观摩和实验。数字化虚拟人体解剖系统是将大量人体断面数据信息在计算机里整合并重建成人体的三维立体结构图像，主要运用人体解剖软件将人体数据进行整合计算，在计算机技术和图像处理计算的辅助下，构建三维人体立体数据系统，其结构模型与人体结构精确一致，可供学生进行模拟解剖[2]。

3.2 立体性

数字虚拟人技术充分利用三维动画技术，人体结构图可任意分离、可自由组合,解剖结构可任意角度旋转、缩小与放大，便于转变视角和多方位观察结构图，图像清晰，虚拟人体立体且完整，且在细节处添加必要的文字注释，鼠标一点即可学习组织或器官的相关文字注解，从而帮助学生理解人体知识，引导学生更系统地学习解剖知识。

3.3 功能强大

将虚拟人体应用于人体解剖课程教学的重要原因之一是数字化虚拟人功能强大，在医学教学课程方面具有明显的技术优势，除以上真实性和立体性以外，还具有分离显示功能、透明化功能、染色功能、逐层剥离功能、随手画功能等，极大地方便教师进行教学演示，学生也可通过虚拟人体加深对解剖知识的理解。

4 数字化虚拟人在人体解剖学教学中的应用

4.1 数字解剖图谱

图谱是解剖学中重要的学习和教学工具，医学图谱产生于中世纪，是通过二维图画的方式来解释人体各个组织和器官的组成，简单易学，直观清晰，易于获得，长期以来是人体解剖学课程学习和教学的基础工具。但其二维表达的方式严重限制图谱作用的发挥，随着计算机技术的飞速发展，三维成像技术应用成熟，图像的获取、存储、显示和应用方式发生了根本性变革。利用数字化虚拟人技术可制作三维立体的数字化图谱，通过操作计算机，可随时查看数字图谱中的任意解剖结构，解剖结构的解释说明则通过计算机技术存储在其中，鼠标一点即可显示，数字化虚拟人也能显示器官或结构的截面图像，360度观看该解剖结构，便于教师教学，学生也可通过观看虚拟人了解解剖知识，从而弥补二维图谱缺乏解剖结构在人体空间定位的缺陷。在学习解剖之前要对一个人体器官或组织有着充分而深入的了解，如教师要想让学生充分了解某个组织的生长过程，可通过数字化虚拟人制作数字图谱，并辅以计算机模拟动态技术，动态演示某组织发育生长的过程，让学生更直观、更科学地学习人体发育生长的相关知识[3]。

4.2 重要器官解剖

实验是人体解剖课程的重要教学内容，数字化图谱有助于帮助学生了解人体各个组织和器官的组成和特点，在了解之后，则要进行解剖实验来锻炼动手能力，因此，在人体解剖课教学中，解剖实践是不可缺少的步骤。但在现实中，可供学生进行解剖实践的大体标本严重匮乏，数字化虚拟人可以解决这个棘手的问题。首先利用数字化技术根据需要构建虚拟人，并建立与其配套的虚拟手术器械。利用虚拟手术器械解剖虚拟尸体，并利用操纵杆、手套和其他设备的触觉强力反馈来感知人体组织的不同质感。除了整体性结构以外，还可将某一特定部位或组织剥离出来，对该组织进行细致的模拟解剖。在重要器官的模拟解剖过程中，有两点需要注意：一是要让学生充分了解虚拟人模拟解剖系统的操作流程，以免在解剖中损坏解剖模拟系统；二是如果学生发生错误，该虚拟人系统可随时返回，恢复器官解剖前原样，并支持重新解剖，同时学生可反复进行练习和训练，这是传统标本实验解剖所无法实现的优势。此外，数字化虚拟人还解决了时空的限制，学生通过远程系统也可随时进行解剖模拟训练，无须进入解剖实验室学习，同时也节省了实验器材费用，减少了器材的损耗，降低了解剖教育成本。总体来说，在实验解剖中，与传统解剖教学相比，数字化虚拟人解剖具有优势：一是学生可不限次数对解剖进行反复练习和训练；二是学生训练突破时间和空间的限制；三是一定程度上节省了教育成本，减少了器材的日常损耗。

4.3 建立计算机解剖学教学和实习操作系统

当前不少医学院引进数字化虚拟人，并建立数字化虚拟人数据集，利用计算机建模技术和功能强大的数据库，获取更多例数的人体结构数据集，进行观测和统计；对重要的器官,获取更为细致的数据资料，完善虚拟人数据采集，建立科学完整的数据系统。系统化是数字化虚拟人在人体解剖教学推进中的重要步骤，通过建立数字化虚拟人系统和计算机解剖实操系统，为教学提供可靠的技术和平台支撑[4]。建立数字化虚拟人解剖系统是当前解剖课程教学改革和发展的重要方向之一，要实现教学方式的突破和教学质量的提升则必须重视数字化虚拟人解剖系统的引进、使用以及建设。

5 数字化虚拟人在人体解剖学教学改革中的作用与优势

5.1 缓解大体标本资源短缺的现状

解剖课是医学教育体系中的重点课程，随着医学院校招生规模的不断扩大，我国医疗卫生后备人才增多，标本损耗率不断攀升，解剖课中的重要大体标本严重不足，基本无法满足医学教育的需求。这导致学生无法获取高质量的解剖课程知识，影响对学生实践操作能力的培养和提升。数字化虚拟人则缓解了大体标本资源短缺的问题。首先，数字化虚拟人可供学生进行反复解剖和实践。其次，随着数字虚拟人技术的不断发展，医学系统中的虚拟人不断升级，一方面，数字虚拟人无限接近真实的人体标本，其系统人体数据也更加丰富，虚拟人模型更加精确科学，另一方面，解剖教学、实验过程与真实的人体解剖过程基本一致，解剖过程的还原度越来越高，这大大缓解了大体标本不足的教学困境。因此，在人体解剖课教学中，要注重大体标本解剖教学与数字虚拟人教学的结合，利用二者的优势，在发挥其各自的教学功能的基础上合理分配和利用教学资源，为解剖学教学服务，促进学科发展。

5.2 丰富解剖实验教学模式

教学模式单一历来是人体解剖课程改革的难点，也是导致教学质量难以提升的重要原因之一，数字化虚拟人应用于解剖实验教学可丰富单一枯燥的解剖实验教学模式。这主要体现在两个方面，一是数字化虚拟人可展现完整的断层系列标本，包括头部、颈部、胸部、盆部、四肢等重要的人体断层组织，实验过程可供学生观看，使学生充分了解人体各个部位及组织，获取充足的人体结构知识，为亲自解剖打下良好的知识基础。二是教师可通过操纵计算机来对解剖过程进行模拟演示，通过动画演示，学生可清晰了解到解剖的全过程，并迅速获取解剖过程中的关键点，从而有利于学习水平提高。此外，数字化虚拟人系统具有强大的模拟实验功能，学生在上课过程中可自主参与解剖过程，人人都有机会实验操作，从而实现理论知识与实践的结合，这大大提升了学生的动手能力，提升了解剖实验教学的教学质量。因此，数字化虚拟人的引入大大丰富了解剖实验教学的教学模式，使得教学课堂更加丰富多彩、灵活生动，学生也更加喜爱这种教学形式，学习的主动性和积极性也得以大幅度提升。此外，数字化虚拟人系统还能对学生的学习情况进行考核，这大大改变了传统的考核方式，数字化虚拟人系统提供解剖模拟功能，学生可在系统中进行解剖实操，教师可根据学生的能力来综合打分，同时查漏补缺，找到教学中的薄弱之处，从而继续改进教学。

5.3 优化解剖实验教学环境

数字化虚拟人应用于解剖课堂教学可优化解剖实验教学环境，一方面，可优化真实的空间环境，常规的解剖实验教学离不开福尔马林等防腐固定处理的大体标本，而福尔马林挥发出强烈的刺激性气味，对教师及学生的呼吸道和视觉器官会产生强烈刺激及损害。在这种环境的实验室教学，教师的教学状态和学生的学习状态都会受到影响，这种环境也限制了实验教学的学习时长，即不具备长期待在实验室学习的条件[5]。而数字化虚拟人可有效解决这个问题，虚拟人是以真实人体横断面影像数据为依据，通过三维重建得来，其位置、形态与真实人体数据一致，不需要化学和医学制剂来维持，安全无毒，不会产生气味，这大大提升了解剖实验教学的安全性，也提升了教师教学和学生学习的积极性。另一方面，数字化虚拟人教学同时也提升了教学的人文环境，改变传统的课堂教学的枯燥氛围，通过观看和操作虚拟人解剖过程，学生的课堂参与程度提升，课堂氛围更加活跃，学习的整体环境也得以改善。因此，总体来说，数字化虚拟环境可优化解剖实验教学环境，促进教学质量的提升。

5.4 提升学生学习积极性

数字化虚拟人应用于人体解剖课程教学可有效提升学生的学习积极性，引导学生主动学习，从而提高学习效率。数字化虚拟人是以计算机和信息技术为支撑，易于操作，学生可通过电脑、手机等设备登录进入数字化虚拟人系统，这种学习方式深受当前年轻的大学生群体欢迎，并且虚拟人解剖结构可满足全角度、多方位的观看，更能激发学生的学习兴趣，现代化的数字人体解剖系统和科学的实验步骤给学生良好的视野和满足感，从而引导学生主动学习、积极学习。教学改革的目标之一是改变传统教学中教师主导、学生被动的教学模式，人体解剖课程也不例外，只有学生积极主动地获取知识，发挥主观能动性，才能提出问题，深入思考，主动实践，促进其解剖能力的提升。因此，数字化虚拟人教学的一大优势就是能够以其强大的技术功能和全新的教学方式全面激发学生学习的主动性，改变教师和学生的课堂角色定位，从而促进教学质量的提升。

6 结语

数字化虚拟人在解剖教学课程中的广泛应用是医学教育发展的必然趋势。数字化虚拟人可最大程度代替真实人体标本，有效缓解大体标本供应不足给教学带来的困扰，同时以其强大的功能丰富了解剖实验教学模式，也提升了学生学习解剖学的兴趣，改变了传统课堂中学生的角色定位，对于提升解剖课程教育质量、促进人体解剖学科教育发展具有重要的推动作用。因此，面对数字化虚拟人发展的态势和医学教学改革理念，要有效利用数字化虚拟人资源，将大标本解剖教学与虚拟人体解剖相结合，克服传统教学的不足，培养学生主动学习和独立解决问题的能力，推动医学教育迈上新台阶，为医学、生命科学等应用研究提供支撑。