基于三维虚拟仿真CT教学软件平台的课程设计和教学实践

赖胜圣 张刚平 刘文平 杨蕊梦

一、前言

近年来，随着国家对医疗卫生费用的投入不断增多，医疗卫生机构数量不断增加，医疗器械制造、发展政策持续发布等因素刺激着国内CT设备市场持续增长。[1]另一方面，2020年突发的新型冠状病毒给我们带来了巨大的灾难，严重威胁着人类的健康及生命，CT设备在新冠肺炎病例的筛查及诊断中发挥了巨大作用[2，3]，常规CT设备及方舱CT设备需求日益增多。综上所述，未来几年中国CT设备市场仍会处于稳定发展阶段。随之而来，CT设备的安装、维护、保养的专业性人才的需求亦会持续增加。为此，国内开设智能医疗装备技术专业的高职高专院校或者生物医学工程专业的本科院校越来越多。经过调研得知，各大院校对于CT等大型医学影像设备的教学主要存在以下问题[4-7]：

（1）CT设备缺乏。CT设备属于贵重精密医学仪器，价格极高，学校一般不会购买全新的CT作为教学设备，许多开设了相关专业的院校一般采取理论教学为主，参观医院影像科为辅，缺乏实体设备教学，学生缺乏学习激情，导致学生理论和操作技能脱节。

（2）CT实训室建设费用过高。CT设备体积庞大，对实训场地不但有面积要求，同时要满足大功率供电、射线防护工程，这对于学校来说是难以承受的压力。

（3）实训成本过高。个别学校拥有一两台CT设备，但无法满足安装、拆卸等实训项目，主要原因是设备经受不起高频率的拆卸，对部件的磨损大，成本异常高。

本文章主旨是将三维虚拟仿真技术引入到智能医疗装备技术专业日常教学中，运用该虚拟仿真软件与实训室现有的设备，形成理论与实操相结合，虚拟仿真設备与实物设备相结合，简称“理-实、虚-实”双结合，以逼真的三维模型，真实的交互体验，提高学生学习积极性和主动性，激发其学习兴趣，改善教学效果和提升学习效率，是一种新的尝试和探索创新，对推动本专业教学的发展具有重要的意义。

二、课程基本情况

根据本专业标准，结合医用CT设备分析与维修这门课程就业相关岗位要求，把课程知识目标、技能要求及素质要求整理如表1所示。

三、课程总体设计

“教师讲+学生听”这种传统灌输式的教学方式已经不能适应现在信息高度发达的时代[8]，单纯知识点的传输极度让学生产生疲倦，甚至厌烦。基于这一点，我们设计了以教师引导、学生为中心的“理-实、虚-实”双结合一体化教学方式，如图1所示。目前，我们采购的虚拟仿真CT设备软件以某公司16排螺旋CT为原型，使用3Dsmax软件对CT设备高压发生装置、X线球管、探测器、扫描床及部分外围设备及内部结构进行建模、材质贴图，能够实现模块的拆卸、装配模拟;扫描过程模拟;机房畅游;常见故障分析等，如图2所示。

四、课程具体实施

在课程设计总体思路基础上，我们按目前实验室已有的条件设计每一次课，下面以“CT球管认识及拆装”为案例进行详细说明。

（一）案例概况

本案例涉及的课程相关的岗位有： CT调试及维修岗位、CT安装岗位。

理论要求：CT球管作用、结构及特点。

能力要求：CT球管拆卸、安装的正确步骤及注意事项。

教材：《医用CT设备原理与结构》，自编教材。

课时：4课时。

授课教师：校内专任教师+校外兼职教师。

授课地点：医用CT设备维修实训室。

实训设备：16层CT、球管及虚拟仿真教学软件。

（二）教学过程

1.第一个环节

回顾上一节课知识，提问“CT成像的主要原理是什么？CT成像原理与X线成像原理有什么区别？”接着由问题“如果CT设备在使用过程，提示球管已经损坏，那么我们应该如何更换球管”引出本案例“CT球管的拆卸与安装”。校内专任教师通过照片、视频等多媒体方式讲述CT球管的作用、结构、特点等必要的理论知识，将CT球管的相关概念传授给学生，让学生对CT球管的作用有初步的、模糊的轮廓。引导其思考“根据CT成像原理，那么CT球管与普通X线机球管有什么区别”？紧接着，教师通过电脑操作虚拟仿真软件，通过视觉拉伸、放大、旋转等方式展示，反复强调重点，开始步入“虚拟”环节。最后，教师布置下一环节问题：“CT球管更换前应核对新旧球管的参数是否完全一致？”这一环节主要是以理论知识传授为主，虚拟仿真教学平台为辅。

2.第二个环节

根据已学理论，由校外企业兼职教师采用CT球管实物展示方式讲述CT球管的结构及特点，接着教师结合真实16层CT设备给学生讲授球管的作用、与其他部件的物理联系等，让学生认真观看实物，并布置问题：“如果要更换损坏球管，应该怎么拆卸？”这一步骤属于实物教学。

下一步讲述重要知识点——球管的拆装，教师在三维虚拟仿真CT教学软件平台上详细操作球管的拆装步骤，并把拆卸、安装步骤、拆卸所需工具和注意事项逐一描述，如图3、4所示。学生通过听讲、做笔记等方式消化本节课的重点、难点。

3.第三个环节

经过上述必要的理论及虚拟仿真教学过程后，学生对CT球管的外观、作用、结构、特点、安装位置等已经有了初步认识，校外企业兼职教师进行阶段性小结，抽查学生记录球管拆卸步骤的笔记，布置“球管拆卸”子任务。

下一步，需要学生在已经安装了CT虚拟仿真教学软件平台的电脑上进行独立虚拟仿真操作。结合虚拟软件中的文字说明，要求掌握CT球管拆卸、安装的关键步骤、注意事项。此过程是在校内专任教师及校外企业兼职教师的共同协作下，指导学生通过三维虚拟仿真CT教学软件平台进行虚拟互动、人机交流，熟悉球管的结构及作用，整理出球管的结构及更换球管的相关规范要求，画出示意图及流程图。

此步骤要求学生分组讨论，并由教师随机抽取学生小组到讲台上汇报总结，由教师打分、同学互评两个环节进行评价。

最后，由教师统一安排进行考核，由教师在虚拟仿真教学软件平台中设置考核时间、考核步骤顺序等。通过考核检验学生对CT球管的拆卸与安装能力的掌握程度，考核界面如图5所示。

通过任务为导向的教学实施过程，学生一改以往被动式、填鸭式的学习方式，发挥了主观能动性和积极性，变为主动探索实践，同时课程也由传统单一的理论课堂变为虚拟的工作场景。学生逐渐降低对教材和教师的依赖程度。学生目标一致，通过团队成员间的磨合、合作、评价，也能让学生深刻体会到CT设备维修岗位的工作状态。

综上所述，此教学设计要求教师学习以培养学生独立操作能力为中心的全新教学理念，在“理-实、虚-实”双结合的教学模式中，教师更多的是指引作用，随时指引学生行动，降低传统教学中以教师讲“讲”的比例。

五、教学效果和评价

从过往几届学生开展问卷调查，收集教学效果反馈意见。从调查问卷结果获悉，绝大部分学生对“理+实，虚+实”相结合的教学方式持肯定态度，普遍认为虚拟仿真教学软件的使用：（1）加深了对设备的理解和认识;（2）提高了学习积极性;（3）增進了动手技能;（4）节省了实践时间。通过用人企业的反馈得知，通过虚拟仿真CT教学软件平台的训练，我们的学生能深入理解CT设备的基础理论，对CT设备的结构熟悉，更容易进入工作状态。

六、结束语

现代职业教育观念和教学模式在不断更新迭代，越发趋向于技术化和科技化。[9]在强调专业技能教学同时，设计和实践一种激发学生学习主动性、提高学生专业素养的综合授课模式显得尤其重要。[10]在这样的前提和背景下，考虑CT设备在医疗器械类专业的重要地位，改进更新CT设备课程的教学模式迫在眉睫。我们CT设备课程团队建立基于三维虚拟仿真“理+实、虚+实”交叉的教学模式大大激发了学生们的学习积极性和主动性，同时提高了教学效率及降低了教学成本，是教与学双赢的模式。在接下来的工作中，我们计划进一步选取其他昂贵的医学影像设备如MRI课程进行虚拟仿真教学设计，把目前现有的虚拟仿真教学软件更新为网页版本，结合雨课堂等技术辅助教学，让医疗器械类专业学生在课后亦能方便学习，成长为更符合时代特色的应用型人才。

参考文献：

[1]梁慧刚.从中国制造2025看医疗器械产业的发展[J].新材料产业，2015，31（7）：28-31.

[2]金征宇，管汉雄，熊颖，等.新型冠状病毒肺炎（COVI胁19）临床影像学特征[J].放射学实践，2020，35（2）：125-130.

[3]李宏军.新型冠状病毒肺炎影像学辅助诊断指南[J].中国医学影像技术，2020，36（03）：321-331.

[4]黄磊，胡慧娴，徐晓燕，等.CT原理展示与仿真操作与模拟诊断实验教学系统的设计与实现[J].包头医学院学报，2019，35（04）：112-114.

[5]张改改.基于CT机设备结构的教学仿真设计[D].新乡医学院，2019.

[6]吉振宁，何威震，沈江燕，等.基于VR技术的CT设备结构拆装与故障维修示教系统的设计与应用[J].中国医学教育技术，2019，33（03）：313-315.

[7]赵鹤亮，洪波，赵新斌，等.CT、MRI仿真操作系统在实验教学中的应用[J].河北联合大学学报（医学版），2014，16（01）：122-123.

[8]范帅军.三维虚拟仿真技术在汽车维修教学中的应用初探[J].现代职业教育，2018（2）：130-131.

[9]黄忠浩.医学影像虚拟仿真系统的设计与实现[D].山东大学，2019.

[10]翟科峰，段红，曹稳根，等.基于虚拟仿真技术的生物制药实训课程的改革与实践[J].吉林医药学院学报，2020，41（03）：235-236.

[本文系广东省高等专业院校医药卫生类教育教改项目（2018LX047）、广东食品药品职业学院教育教学改革项目（2020JG04，2020JG20）、华南理工大学教研教改项目-青年教改专项（C9223156）的研究成果。杨蕊梦为本文通讯作者。]