3D技术在医学教学中的应用与评价研究

张文利 陈晨 王岳 沙琨

摘  要  医学教学内容复杂抽象，专业知识晦涩难懂，教师利用传统教学方式难以具象、生动地传递知识。3D技术的引入可以丰富医学课堂，能够调动医学生学习积极性与主动性，提高学生的学习参与度及满意度，从而更好地实现知识内化。对比分析各类数字化医学教学的优缺点，结合问卷调查论证3D技术的有效性，并根据不同课程的教学需求，提出医学教学三维动画的设计与制作建议。

关键词  医学教学；3D技术；数字媒体技术；课程思政；虚拟现实；三维动画

中图分类号：G642.4    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）17-0034-04

0  引言

医学课程专业性强，病理过程、药物作用原理等内容难以直接观察，实践性要求高。同时，课程内容涉及大量的交叉性学科知识。教师利用传统的讲授法授课容易出现以教师为中心、学生被动接受的填鸭式教学，致使课堂枯燥乏味，不利于激发学生的学习兴趣。数字媒体技术的引入可有效解决上述问题。

现阶段，数字媒体技术已被广泛应用于医学教学的各个环节，通过将抽象的医学知识形象化、具体化，更好地帮助学生理解、记忆，提高了教学有效性，是有效的学习工具。数字媒体技术形式多样，以图片、实拍视频、MG动画、三维动画、虚拟现实为主。相较于其他数字媒体技术，3D技术以动态三维的视角传递教学内容，具备精确性、交互性、可无限操作性等特点，可有效促进医学教学质量提升。然而，3D制作周期长，且医学知识的科学性强，如何基于教学需求选择适合的3D技术以开展有效教学，是当前医学教育工作者面临的主要问题。

1  医学教学3D技术概述

3D技术是指利用3D视觉效果通过各种形式创建不同的虚拟体验技术。它既可以新的视角模拟现实，为观众呈现日常生活中无法观测到的内容，又可以具象化呈现抽象内容与过程，提供直观生动的体验，被广泛应用于医学、军事等领域[1]。

3D技术的引入为医学教学提供了新的可能。三维动画可以增强知识可视化效果，以更直观的方式呈现发病机制、病变过程、药物作用原理等。教育工作者依据教学内容构建医学场景，按照真实的物理参数制作医学模型，通过调节材质贴图及灯光提高模型仿真度。增强现实技术为学生提供平面图片的360°视角，帮助学生理解。虚拟现实技术具有沉浸式、交互性特点，让学生置身于虚拟场景中，根据提示操作，可以将画面出现的人体模型层层剥开，通过移动、缩放、旋转等操作，全方位观察人体内部结构，帮助空间想象力弱的学生理解人体内部器官空间结构和相互位置关系。利用3D技术，学生可以在课前预习、课堂学习、课后复习过程中随时学习。

2  数字媒体技术在医学教学中的应用现状

2.1  图片

在授课过程中，教师可以利用示意图讲解概念，将抽象概念具象化，帮助学生利用图片形成对该知识点的初步认知。虽然教师可以利用系列图片静态展示病理的阶段特征，但是无法动态地展示病理全过程。如教师可以通过呈现健康肝部图片和肝硬化后肝部图片形成对比，帮助学生了解病症，但是图片无法动态呈现肝硬化病理过程。

2.2  实拍视频

临床医学授课注重实践性，教师可以利用实拍实操视频让学生观看案例操作过程，提升学生对案例系统的学习；学生可以反复观看教学视频学习，也可以通过案例感受手术室严谨的氛围。如脊柱侧弯手术视频可以直观地呈现椎弓根螺钉置入、金属丝矫正脊柱全过程，帮助学生记忆、理解治疗流程，实现理论知识的实践应用。同时，学生可以学习资深医生现场决策过程。但是手术室录像采用固定机位，部分内容被遮挡，且脊神经等细节无法看到，这些都会影响课堂知识的有效传播。

2.3  MG动画

MG动画能够利用卡通化、拟人化的医学形象，风趣、简洁地呈现枯燥乏味的专业术语、不易理解的病变过程、复杂的实操过程，不仅可以帮助学生理解知识，还能提高学生学习兴趣。如口腔医学专业在教学龋齿时，教师可以通过MG动画进行龋齿的病因及症状介绍，加深学生的记忆。MG动画制作周期短、制作成本低、风格多样、表现力强，在吸引学生注意力的同时，可以有效提高学生的主观能动性；但是MG动画扁平化的表现方式仅适用于医学知识科普、医学课程导入等简单的内容，不适用于医学专业知识的深层次学习[2]。

2.4  3D技术之虚拟现实

虚拟现实的真实感、沉浸感、交互性等为医学教学带来新的方式。虚拟现实教学资源不受物理环境的影响，可以模拟医学情境，让学生有身临其境的感觉，帮助学生更好地感受真实的医疗环境；可以交互式呈现解剖学知识、病理、病症等。如过敏性哮喘虚拟现实课件允许学生进行简单的体格检查操作，全景式观看过敏性哮喘病理，可以旋转、放大、缩小，包含胸腔、肺部、支气管等结构模型，学习呼吸系统的结构。同时，学生还可以通过模型匹配等交互式测试评价自己的学习结果。虚拟现实技术不仅增强了课堂的趣味性，还改变了以教师讲授为中心的授课方式，学生通过与虚拟资源交互开展主动性学习，极大发挥学习主观能动性。但虚拟现实开发成本过高，开发周期长，且由于设备等技术限制，无法在课堂上大规模推广。

2.5  3D技术之三维动画

随着CG图像处理技术日益精进和完善，三维动画内容保真度有了质的飞跃。医学教学具有微观、严谨、科学等特点，三维动画的精确度和还原度更适用于医学教学。基于精确的数据，三维动画可以1∶1真实还原器官，清晰显示肉眼无法观测的神经，演示病变过程等。利用三维动画，教师可以更直观、更立体、更生动地呈现教学内容，更好地帮助学生学习解剖学知识，理解病理病症，提升学习效率，为临床工作打下坚实的基础。

上海交通大学医学院利用三维动画开展小儿外科疾病肠旋转不良教学，解决了胚胎发育过程抽象，传统教学方式学生难以学习理解的问题，通过三维动画清晰地呈现胚胎发育过程中脏器的形态变化、与周围毗邻组织关系，以及解剖位置变化过程。授课教师认为三维动画可以生动地呈现理论知识，增强课堂教学吸引力，提高外科理论教学质量。学生对三维动画的接受度高，认为三维动画的可用性、有效性更强[3]。

陆军军医大学针对肾内科专业性较强、基础理论知识要求较高等问题，在教学中引入三维动画，演示电解质平衡转运、肾小管重吸收原理、肾小球高滤过状态的病理生理过程。通过与传统教学对比，三维动画教学的学习成果更好，学生对知识的理解、模拟临床技能操作水平更高[4]。

综上所述，如表1所示，相较于其他数字媒体形式，三维动画既可以激发学生学习兴趣，提高学生学习主动性，帮助学生更好地内化知识，又具备开发成本低、应用价值高的特点，是当前医学数字化教学资源的最佳选择之一。

3  3D技术在医学教学中的应用与评价

为了解医学教学中3D技术的使用反馈情况，笔者基于第九版人卫医学教材《内科学》配套的AR（增强现实）教学资源开展问卷调查。问卷包括有用性、认知效益、保真度、操控性、满意度、使用意愿等六个维度，分发问卷60份，有效问卷53份，有效率88.33%。

本次问卷调查结果显示：大多数学生认为医学教学结合3D技术对自己的学习有帮助，三维模型将复杂的结构分段清晰呈现，也将抽象的名词具体化、形象化，视觉化思考可以帮助提高学习效率；只有20.75%的学生认为这种资源的使用并不会影响到他们的学习结果。绝大多数学生运用该资源帮助自己更好地记忆、理解知识，在这其中还有64.15%的学生认为这种方式有利于学习迁移，如图1所示。

保真度方面，仅有9.43%的学生认为三维模型材质贴图质感的真实度低，无法潜心贯注地学习。三维模型的交互设计简单易上手，83.02%的学生能够很快掌握对模型移动、旋转、拆分等操作方法；47.17%的学生认为对模型的实时可操作性有助于提高理解力，形成形象化记忆，如果可以在肺段模型拆分过程中对每段拆分出的模型名称进行标注，就会更有帮助。这种与三维动画结合的教学方式，学生使用意愿高达90.56%，学生表示愿意使用此类型资源进行学习，并且推荐给其他学生尝试；但课堂上这种类型资源少，更多时候需要自己在网上寻找，费时费力，还无法确保找到适用的资源，索性放弃这种学习方式，希望能有平台集中制作整合医学教学三维动画资源，供大家学习使用。本次学习经历的满意度达97.48%，如图2所示；但是针对AR功能使用满意度，有49.06%的学生选择基本满意，提出AR效果只是出现时带来新奇的视觉冲击，实际使用价值并没有三维模型高，如图3所示。

4  医学教学三维动画的设计策略

4.1  理论类医学教学三维动画设计策略

理论类课程以教师讲授为主，课程目标是将基本概念、结构、原理等理论知识传授给学生。利用三维动画开展理论课程授课时，教学设计师应依据教学目标、重难点设计三维动画，实现其他数字媒体无法呈现的效果。如肝脏中的“五叶四段”理论是让学生理解肝脏的构造及分割原理，而图片的平面化和MG动画的卡通化特性无法将此概念立体写实地呈现，因此，三维动画制作重点应放在模型的写实度与精准度上。技术人员可以采用三维扫描仪获取实物的三维数字模型，并对模型进行细节调整、UV拆分，赋予真实的材质与贴图，完成逼真化模型制作。同时，肝内正中裂、左叶间裂、右叶间裂、左外叶段间裂和右后叶段间裂“五叶四段”的分割位置也需要运用特写镜头、慢镜头进行展示，将理论知识精准化呈现。此外，该动画还应展示外部透明的肝脏模型，便于学生更好地观看肝脏内部的肝血管模型，观察肝血管的分布及走向，让学生更好地理解“五叶四段”分割原理[5-7]。

4.2  实践类医学教学三维动画设计策略

实践类课程前期教师讲授程序性知识，学生在实际操作前应熟记操作流程与注意事项。学生可以在课前自主观看三维动画进行预习，了解基本操作流程，降低程序性知识授课时间成本，预留更多的时间开展教师指导下的实践活动。所以，三维动画的设计重点并非模型的精细程度，而是操作过程的演示，应当详细记录操作过程的每一个步骤。如水银血压计操作教程三维动画需要展示血压计的构成，利用近景展示使用前校正以及检查水银是否在基准线上、开关是否闭合与袖带是否漏气等；运用特写镜头展示袖带的位置与松紧度、听诊器放置位置等，与音效结合呈现舒张压和收缩压，帮助学生准确了解水银血压计操作技能，并且能够在真实的情景中应用此技能。

4.3  课程思政三维动画设计策略

课程思政目标是让学生在学习专业知识、技能的同时，潜移默化地树立正确的思想观念、政治观点和道德规范。教师结合案例讲解，传达价值观念，给予学生正确的引导。课程思政可以通过三维动画与专业知识有机结合的方式，提高课程的趣味性，帮助学生加深对专业知识的记忆，并且在专业内容讲授过程中升华学生思想境界。此类动画在设计时需注意以传播知识为主、思想升华为辅，控制情感烘托时间比例。如在讲授生产知识时，教师通过一段三维动画来演绎产妇生产过程、可能会出现的突发状况以及未能及时正确处理突发状况情况下产妇及婴儿将面临的危险等；在动画上方置入生产时骨盆发生变化过程的特写镜头，帮助学生有效学习生产知识，并温习生产时耻骨、底骨、尾骨的分离打开，以及对脊柱的影响等知识点；在片尾制作母亲怀抱婴儿，回忆生产时的痛苦，与怀里婴儿对视，看到他抓着母亲的衣襟以及努力睁大的双眼，露出充满爱意的笑容的画面，传达母爱的无私与伟大，激发学生感恩母亲和敬畏生命的情感[8-9]。

5  结束语

3D技术是医学教学的重要工具，具有很高的教学价值。教师利用3D技术可以提高课堂的趣味性，具象化呈现专业知识，从而更好地开展医学教学，提升教学质量。学生利用3D技术以新的视角学习专业知识，根据学习需求进行自主学习，也可以突破物理空间和时间的限制，随时随地观看、重看三维视频，更好地实现学习目标。教师在设计、制作三维动画时，需要专家团队、技术团队等确保三维动画的科学性、教育性，根据教学目标与内容调整三维动画的重点。为提高三维动画的成本效益，不同高等教育机构可以跨校合作开发，共享教学资源。资源开发后需要相关课程教师和学生共同试用，获取同行评价、学生评价意见，并及时进行更改和更新，确保资源的有效性。

参考文献

[1] 卢军.虚拟现实技术在三维动画实训项目中的应用[J].北京印刷学院学 报，2021，29（S1）：249-251.

[2] 王锦秀，陈晨，铁电奇.动态图形技术临床医学运用[J].解放军医院管理杂志，2020，27（2）：175-176.

[3] 邬文杰，陶怡菁，吕凡，等.三维动画多媒体课件在小儿外科教学中的应用[J].中国医学教育技术，2020，34（5）：606-608.

[4] 张军，唐茂芝，张湖海，等.三维动画模式PPT在肾内科教学的应用[J].医学研究杂志，2020，49（1）：178-180，177.

[5] 连颖，胡通洲.三维动画模拟教学法在骨科实习护生中的应用[J].中国乡村医药，2020，27（18）：70-71.

[6] 吴丽，高庆春.三维动画在神经病学多媒体教学中的运用[J].中国继续医学教育，2018，10（33）：49-51.

[7] 蒋安，王贵虎，李宗芳，等.自制3D动画在胆石症CBL教学中的实践[J].中国医学教育技术，2019，33（6）：694-697.

[8] 陈亚肖，丁淼，陈冬梅，等.在妇产科本科教学中融入课程思政的探索[J].中国继续医学教育，2021，13（32）：109-113.

[9] 薛琳琳.《动物解剖生理》课程思政教学案例[J].现代畜牧科技，2021（9）：27-28.

作者：张文利，海军军医大学海军卫生信息中心，助理工程师，研究方向为新媒体医学教育应用；陈晨、王岳，海军军医大学；沙琨，通信作者，海军军医大学海军卫生信息中心，副教授，研究方向为高等教育信息化（200433）。