虚拟现实技术联合翻转课堂教学在整形外科教学中的应用

文雪 许学文

整形外科在近几十年的发展中经历了从最初的修复手术到目前各种精细的美容手术的技术革命[1]。整形外科医师不仅需要掌握人体多种器官/组织错综复杂的解剖结构，针对各类缺损/缺陷制定个体化的重建方案，同时还需要根据不同患者的审美标准灵活调整手术策略，这对未来的整形外科医生在专业技术方面提出了更高的要求[2]。然而目前，我国整形外科的教学模式仍然存在“重理论、轻实践、难理解”等不足[2]。如何在课堂上提高学生的学习主动性、培养学生的学习兴趣、帮助学生实现从理论知识到临床实践的高效转化，是整形外科教学中亟待解决的难题[3]。21 世纪初，随着在教育认知上的改观，人们更加重视自主学习和终身学习能力的培养[4]。翻转课堂（flipped classroom）教学模式则在这一大环境中诞生。此外，利用现代化信息技术如虚拟现实（virtual reality）技术，可帮助学生快速且全面地了解所学领域的前沿知识，这将大幅提高学生的学习效率与学习兴趣，也将更有利于翻转课堂教学模式的顺利实施[5]。因而，将虚拟现实技术结合翻转课堂，将有助于建立一种新的以学生自主学习为主的高效教学模式，这也可能是未来整形外科教学的新方向。本文将总结虚拟现实技术联合翻转课堂教学模式在未来整形外科教学中的应用展望。

1 当下整形外科教学模式的挑战

近十年来，在外科医疗技术的高速发展与市场求美需求的迅速扩增下，整形外科的治疗方式也飞速革新[6]。同时，医美市场的激烈竞促使社会从大众审美向个性化审美的需求转变[6]。这对整形外科医生的培养要求与专业水平提出了更高的标准。然而，目前的整形外科教学过程中仍存在以下挑战。

1.1 复杂解剖结构的解析难度大

整形外科专业所涉及的人体器官/组织广，因而要求医生掌握各个器官/ 组织的解剖结构是最基本的要求[7]。以面部解剖为例，面部肌肉、血管、神经的分布以及各亚单位的结构和功能均是面部美容的基石[7]。然而，目前课堂上对面部解剖的讲解模式还停留于二维平面上，学生对所讲授内容的掌握程度有赖于教师的描述方式与学生的三维想象力，这极大地加大了教师的授课难度与学生的理解难度。二维平面的讲授甚至会使课程显得枯燥乏味，进一步浇灭了学生的学习兴趣，对学生的自主学习造成了极大的阻碍[8]。然而，随着教育教学工作的发展，将学生视为教学的主体，提高学生的学习能动性、培养学生的终身学习能力是时代发展的需求[4]。因此，开拓新的教学方法以帮助学生理解复杂而又枯燥的解剖理论，对于提高学生的学习兴趣与学习积极性、充分发挥学生在学习过程中的主观能动性，起着关键作用。

1.2 实践教学中场地与设备的限制

整形外科是一门对医生的操作技术要求非常高的精细学科，这离不开大量的模拟练习与临床实践。然而，多数整形美容涉及的仪器少则数万，多则数十万甚至百万，加上仪器维护与保养等成本，使得高校无法配置相关设备[9]。其次，在一些复杂的器官或组织缺损/缺陷的修复中，由于不同部位、不同程度甚至不同原因造成的创面的修复方式不尽相同，需要医生根据经验制定个体化的修复方案，这也要求医生具备扎实的基础知识、大量的手术经验和灵活的应变能力[9]。然而，由于整形外科病种繁杂多样、临床患者特异性较高，其疾病治疗的学习缺乏可重复性。因此，临床前的学习和实践显得尤为重要[10]。而在目前的整形外科教学中，仍主要使用幻灯片（power point，PPT）、书本、或视频的形式呈现仪器或手术的操作过程。由于练习场地与设备的限制，严重影响了实践教学的实施与课后练习，使得学生的学习仅仅停留在理论层面，而无法将理论与实践结合，实则是纸上谈兵，久而久之学生将遗忘所学理论知识，这是当下整形外科教学中存在的最大问题之一[10]。解决该问题的关键途径，一则扩建教学场所，并完善相关教学设备的配置；二则利用现代化信息技术，在不受场地与设备限制的情况下帮助学生完成课后的实践操作等练习。显然后者所需的投入资本更低，而长期回报率更高。

1.3 个性化审美的培养周期长

随着社会的审美趋势由大众审美向个性化审美的转变，医生的审美水平也必须随之提高，才能满足求美者的个体化需求。审美水平的提升往往需要一个较长的周期，且需要医生在治疗过程中不断观察、思考和总结[11]。这就要求在未来的教学过程中要更加注重培养学生的自主学习和思考的能力以及终身学习能力。然而，在传统的整形外科教学模式中，主要由教师根据自身的美学经验向学生传授美学知识，例如三庭五眼的比例，腰臀比例等等[10]。学生在接收这些数值后缺乏自己的判断和思考，可能会机械地按照所谓的标准比例进行整形手术，而忽略了求美者本身的基础条件和需求，甚至可能使学生对教科书上的知识产生依赖而失去创造力[12]。毋庸置疑的是，结合患者自身条件和患者个人要求来设计手术并保留其辨识度是今后医美的主流趋势，因而如何高效地培养出具有高审美水平的优质医生成为当下整形外科教学的又一大挑战[13]。在当下的整形外科医师培养模式中，医生主要通过大量临床经验的积累来培养自身的个性化审美，因而周期颇长。然而，如若在整形外科的教学当中融入相关教学内容，则可更好更快地促进其审美水平的提升与审美体系的构建。因此，利用现代化信息技术，使学生在不同人体模型与临床场景中进行大量练习与经验积累，是解决该问题的有效方法之一。

2 基于虚拟现实技术的翻转课堂教学模式应用于整形外科教学中的优势

翻转课堂是指学生在课前通过相关资料提前学习教学内容，课堂上师生互动完成知识内化的现代教学模式[14]。这一教学模式的理论基础包括布卢姆的掌握学习理论，赛轮的学习风格理论，爱德加·戴尔德学习金字塔理论以及让·皮亚杰的构建主义理论[15]。相比于传统教学模式，翻转课堂教学在教学方式与教学地位上均有所不同[16]。在教学方式上，传统教学的授教过程主要在课堂中完成，课后学生再对所授内容进行消化；而在翻转课堂教学模式中，学习过程主要在课前学生自主完成，随后在课堂讨论中完成知识的内化[16]。在教学地位上，传统教学模式中学生处于被动地位，教师是授课的主要执行者。而在翻转课堂模式中，由教师引导学生进行自主学习，适时答疑解惑，学生是教学的执行者而教师是监督与引导者[16]。显然，翻转课堂教学模式更有利于调动学生的学习主动性，培养学生的自学能力与终身学习能力[17]。目前，翻转课堂教学模式已逐步引入医学教育中，并取得显著的教学效果[18]。但其在整形外科教学中的应用仍较为有限。由于翻转课堂教学的实施受限于学生的自觉性及其对所学课程的兴趣程度，因而，利用现代化教学技术如虚拟现实技术则可帮助学生在自主学习过程中对学习内容的理解与兴趣培养。虚拟现实技术起源于20 世纪90年代，又称灵镜技术，是一种借助计算机等设备模拟的三维视觉、触觉、嗅觉等感官体验的仿真系统[19]。相比于传统教学方法，虚拟现实技术可为学生提供具身学习环境，从而使学生通过参与活动，在与模拟环境相互作用的过程中获得经验来建构知识[19]。近年来，继2017 年教育部提出在“十三五”期间建设10 个国家级的虚拟仿真一流课程的要求，虚拟现实技术也逐步应用于医学教育中[19-20]；虚拟仿真一流课程也是我国高等学校教育“六卓越一拔尖”计划中“双万计划”一流课程之一，足以见得国家对虚拟现实技术在育培行业中的重视。根据已报道的教学效果，无论是虚拟现实技术还是翻转课堂教学模式在课堂中的应用，均可显著提高学生的学习效率，得到了师生的一致性认可[21-22]。而基于虚拟现实技术的翻转课堂教学模式也许可将整形外科的教学效率提升到一个新的高度。概括来讲，相较于传统的整形外科教学，基于虚拟现实技术的翻转课堂教学模式具有以下优势。

2.1 在三维立体空间呈现复杂的解剖结构，降低课前自主学习难度

首先，在课前，利用虚拟现实技术呈现复杂的解剖结构，不仅有利于学生对各器官/组织的不同层次的解剖的理解与掌握，如面部不同层面的解剖构成；还可帮助学生在三维维度上记忆器官/组织的整体解剖结构，例如面部重要的血管、神经在不同层面的走行、分支等[23]。此外，在课堂中，利用虚拟现实技术将帮助学生与教师在可视化的基础上进行讨论和互动，使得教学过程更为直接和高效。因此，在三维立体维度中呈现复杂的解剖结构，不仅有利于学生在课前的自主学习，也大大降低了课堂上教师的授课难度，从而大幅提高授课效率，这也将为后续的实践课程打下坚实的基础[23]。

2.2 在模拟场景中供学生实践练习，有利于课堂上的知识内化

在整形外科的实践教学中，最好的模式就是在安全的环境中进行手术模拟。如此学生既不会因为技术生疏而感到紧张，患者的安全也不会受到威胁，从而避免了大量的医疗纠纷，实现从基础到临床的平稳过渡[24]。虚拟现实技术可在计算机模拟的手术环境中，利用高保真人体模型，供学生进行剪、切、缝等基本操作。各种复杂的疾病模型的治疗过程也可在虚拟现实技术的加持下反复进行操作、讨论、总结和再操作。这种即时反馈模式不仅可以促进学生在实践中的反思，巩固课前的自学内容，还可增强学生的学习信心，从而对后续课程的学习埋下良好的铺垫[25]。

2.3 在不同人体模型中探索美学奥秘，帮助学生快速建立完整的美学体系

审美水平的提高离不开自身对美学概念的理解、思考和实践。利用虚拟现实技术，学生可在高保真人体模型中大胆尝试不同手术设计对整体美感的影响，这不仅有利于学生对美学的理解和审美水平的提升，也为今后在临床上针对患者的不同条件、不同需求而制定个性化的手术方案打下坚实的基础[26]。此外，在模拟环境中的反复试练还可激发学生的创造潜能，这在当下整形外科术式飞速革新的大环境下显得尤为重要[27]。

3 基于虚拟现实技术的翻转课堂教学模式在整形外科教学中的实施

在实施过程中，整体的教学过程将以翻转课堂教学模式为基础，再融入虚拟现实技术帮助学生理解、互动、与实践。总的来说，基于虚拟现实技术的翻转课堂教学模式的实施主要包括课前、课中和课后等相对独立而又循序渐进的三部分[28]。

3.1 课前通过虚拟现实技术自主学习相关理论知识

在课前，学生可通过虚拟现实技术，结合书本、视频等资料进行自主学习，以熟悉基本的理论知识。以重睑手术为例，学生在课前可自学眼的解剖结构，单睑与重睑的形成原因，重睑术的原理，以及具体的手术过程等。通过该过程，学生可从基础到临床对重睑手术有整体的了解。

3.2 课中通过虚拟现实技术交流互动

在课中，主要通过讨论的形式促进课前所学知识的内化。讨论不仅限于学生与教师之间，也可在学生与学生之间进行。讨论主要在虚拟现实技术制造的模拟场景中进行。讨论的内容包括但不限于术式的选择，手术方案设计过程中应考虑的因素，手术过程涉及的解剖结构，术中应注意哪些解剖结构的保护，以及术后的护理及恢复期的注意事项等。通过课中的讨论，将巩固学生课前所学理论，也有利于后续的课后练习。

3.3 课后通过虚拟现实技术自主练习、思考和总结

经过课前和课中的学习，学生已经基本掌握了理论知识。通过课后的模拟实践，学生将对具体的手术过程更为熟悉。课后的练习仍然通过虚拟现实技术进行。学生在模拟环境中试验不同术式的美学效果，还可尝试根据不同人体模型的面部条件设计个性化的手术方案。通过这些练习，学生不仅可以牢固掌握课前与课中所学，还可在不断的反思与总结中培养应变能力，提升审美水平。

4 基于虚拟现实技术的翻转课堂教学模式在外科教学中的效果

目前关于虚拟现实技术在整形外科中的研究报道十分有限。在泌尿外科中，应用虚拟现实技术教学可显著提高学生的理论考核成绩、技能操作考核成绩、临床思维能力评分、团队合作能力评分、以及学习兴趣调动评分[29]。此外，在胸外科的实践教学中，虚拟现实技术的引入也可显著提高学生的理论与操作考核成绩[27]。在胃肠外科教学中，应用翻转课堂教学模式可显著提高学生的理论考试成绩及优良率[28]。在心外科教学中也有一致发现：翻转课堂教学模式的应用可显著强化临床思维、提高自学能力、提升学习效率与授课满意度等[29]。在口腔颌面外科教学中，联合“互联网+”与翻转课堂教学模式可大幅提高学生对教学的满意度，且可显著提高学生的理论考核成绩[30]。上述研究结果表明，基于虚拟现实技术的翻转课堂教学模式，通过利用现代化信息技术、重置课堂内外的时间分布，有利于构建系统化知识体系、有助于体现全新教育理念、有助于提升外科教学的质量和效果，值得教学推广应用。

综上，虚拟现实技术作为一种新型的教学工具，可使学生摆脱教学场地与设备的限制，在高度保真的模拟环境中进行沉浸式的学习与练习。而翻转课堂作为一种新兴的教学模式，可最大限度地开发学生的学习积极性，培养学生的自主学习与终身学习能力。因此，是否可通过将虚拟现实技术与翻转课堂教学模式相结合来改进整形外科的教学模式，做到真正将教、学、与实践相统一，从而帮助整形外科的医生培养与学科建设，值得进一步的思考与探索。