原創性交互式三維動畫課件在耳鼻喉科教學中的應用

金曉峰，唐 琦，楊 華，高志強，姜 鴻，馮國棟，查 洋，潘 慧

中國醫學科學院 北京協和醫學院 北京協和醫院 1耳鼻咽喉科 2教育處， 北京 100730

·教學與科研·

原創性交互式三維動畫課件在耳鼻喉科教學中的應用

金曉峰1，唐 琦1，楊 華1，高志強1，姜 鴻1，馮國棟1，查 洋1，潘 慧2

中國醫學科學院 北京協和醫學院 北京協和醫院1耳鼻咽喉科2教育處， 北京 100730

交互式三維動畫；耳鼻喉科學；教學質量評分表

耳鼻喉科解剖結構復雜、疾病眾多，學習難度大。耳鼻喉科解剖特點是洞小腔深、結構重要、功能復雜，許多精細解剖結構，如中耳、內耳結構需要顯微放大才能清晰顯示；其中一些特殊結構，如耳蝸、前庭、半規管、聽小骨等，需要準確理解其三維空間相對位置，因而使老師的教學和同學的學習均有一定難度。在以往教學中，授課老師以文字描述和平面圖片為主講解耳鼻喉科復雜的解剖結構，但同學們聽完后經常介于似懂非懂狀態，實際教學效果受限。另外，解剖和功能密不可分，不能正確理解和掌握某個結構的解剖知識就很難理解其生理功能及病理狀況下的致病機制。如在學習耳科重要的聽覺傳導通路這一部分內容時，如何能夠層層遞進地講解聲音經外耳→中耳→耳蝸→柯替器→耳蝸毛細胞→頂端纖毛擺動→離子通道開放→神經沖動形成→向聽覺中樞傳導這一系列聽覺解剖與相關功能機制，若僅靠文字和普通圖片講解，同學們理解非常困難，進而可能影響其學習興趣，在一定程度上導致醫學生對耳鼻喉科學“知難而退”。

交互式三維動畫又稱交互式3D動畫，是近年來隨著計算機軟硬件技術發展而產生的新興技術。三維動畫軟件可在計算機上首先建立一個虛擬的世界，設計師在這個虛擬的三維世界中按照要表現的對象形狀尺寸建立模型以及場景，再根據要求設定模型的運動軌跡，虛擬攝影機的運動和其他動畫參數，最后按要求為模型賦上特定的材質，并打上燈光。當這一切完成后就可以通過計算機自動運算，生成最后的畫面。交互式三維動畫則是在此基礎上，加入人機交互，產生對操作直接反饋的動畫形式，可以產生強烈的視覺效果和身臨其境的逼真感覺。

隨著技術的發展和教學的客觀需要,在保留傳統授課媒介優秀內容的同時，耳鼻喉科教學需要補充更加富有表現力的授課媒介。動畫以其形象直觀、表現力豐富的特點不僅可以激發同學的學習興趣,而且可以幫助他們更深刻地理解復雜的立體結構和生理功能。但目前適用于耳鼻喉科教學使用的交互式三維動畫課件非常稀缺。面對這種局面，在北京協和醫院教育處和北京協和醫學院教學科研改革基金的資助和支持下，北京協和醫院耳鼻咽喉科教學團隊通過不斷努力，自主探索設計和創作了交互式三維動畫課件耳科解剖部分，應用于北京協和醫學院本科生教學中，并通過設計的評分表由醫學生進行無記名評分，以檢驗原創性3D課件實際應用價值，取得了較好的教學效果。

材料和方法

交互式三維動畫制作方法

建模：根據專業解剖書籍及既往文獻[1- 2]，采集耳部重要解剖結構在空間坐標系定位數據，確立聽小骨、耳蝸、半規管等三維空間坐標架構；采用建模軟件MAYA v6.5建立三維模型，包括解剖結構和交互式結構的制作，要求表現效果嚴格與實際效果一致，包括標準造型、轉面圖、結構圖、比例圖、分解圖等，通過典型動作設計(如幾個特定角度及旋轉展示該解剖結構的最明確特征)，并輔以文字說明而實現。

劇本編寫：根據教學內容需要，對教學動畫進行規劃與設計，主要包括劇本創作、分鏡頭劇本創作。將想表述的教學內容設計分鏡頭劇本，將文字進一步視覺化，包括鏡頭的類別和運動、構圖和光影、運動方式和時間、音樂與音效等。其中每個圖畫代表一個鏡頭，文字說明用于如鏡頭長度、臺詞及動作等內容。

場景設計：場景是整個動畫中景物和環境的來源，包括平面圖、結構分解圖、色彩氣氛圖等，通常用一幅圖表達，根據教學需要編寫。

動畫制作：根據前期設計，在計算機中通過軟件3DMAX、AutoCAD、Maya,按照攝影原理在三維動畫軟件中使用攝影機工具，導入三維模型，實現分鏡頭劇本設計的鏡頭效果。最后，用輻射度渲染方式進行渲染，即根據場景的設置、賦予物體材質和貼圖、燈光等，由程序繪出一幅完整的畫面或一段動畫。

交互式設計：根據分鏡頭劇本與動作設計，運用已設計的造型在三維動畫制作軟件中制作出每一個分解動畫片段。分別導入Adobe Flash Professional CS 5.5軟件，通過操作關鍵幀以實現動作與畫面的變化，達到交互。設定動畫的主要畫面為關鍵幀，關鍵幀之間的過渡由計算機完成。三維軟件大都將動畫信息以動畫曲線表示，動畫曲線的橫軸是時間(幀)，豎軸是動畫值，可以從動畫曲線上看出動畫設置的快慢急緩、上下跳躍。

后期合成：將教學所需的講解音頻及文字，按照分鏡頭劇本設計，通過非線性編輯軟件編輯，最終生成動畫影視文件。

教學效果評分表

在廣泛采用的教學質量評價系統(system for evaluation of teaching qualities，SETQ)量表基礎上[3- 5]，參考其他量表[6- 9]，對學生進行開放式調查采集評價指標，精簡后編制耳鼻喉科教學方法評分表(system for evaluation of otolaryngology teaching qualities, SEOTQ),共8項評分指標(表1)。

課件效果評估群體

選擇北京協和醫學院2010級臨床醫學專業學習耳鼻喉科學醫學生為課件效果評估群體，同時要求同學們填寫計算機知識熟練程度信息。評估測試當天在場醫學生共74名。

講課方法及觀察指標

在耳科解剖教學中，由同一位老師，在同一次講課中先后采用傳統二維課件和交互式三維動畫課件進行講解。兩種課件的文字信息內容、老師口頭講解內容和講述時長均相同。

表 1 耳鼻喉科教學方法評分表

教學結束后，采用SEOTQ評分表，讓同學們對兩種課件、教學方式及教學效果進行無記名評價，并對評分結果進行分析比較。

統計學分析

結 果

受試者一般資料

本研究共納入2010級臨床醫學八年制醫學生74名，其中男性30名(40.5%)，女性44名(59.5%)；年齡23～25歲。受試者教育程度全部為大學本科,學習耳鼻喉科學時間均<2個月。受試者計算機知識熟練程度統計資料顯示，65%受試者的計算機水平為“熟練掌握Word、PowerPoint等軟件及擴展功能”，16%具有更加高級的計算機軟件知識，19%為“初步掌握Word、PowerPoint等軟件”(圖1)。

圖 1 受試者計算機軟件掌握程度(n=74)

耳部解剖交互式三維動畫

根據解剖書籍及文獻所述耳部重要解剖結構空間位置，最終制作出耳部解剖(第一階段)3D演示動畫，全程伴隨語音解說，并在關鍵點及難點處設置人機交互(圖2～4)。

圖 2 動畫第一部分：顳骨(深藍色，以人體面朝向觀察者為初始角度) A.軸向逆時針旋轉45°；B,E,F.軸向逆時針旋轉90°；C.軸向逆時針旋轉135°；D.軸向逆時針旋轉225°

圖 3 動畫第二部分：中耳、內耳三維結構 A.耳廓、外耳道軟骨部、骨部；B.中耳、內耳結構，海藍色顯示鼓膜；C.橙色顯示錘骨；D.黃色顯示砧骨；E.紫色顯示鐙骨；F.深藍色顯示半規管

圖 4 動畫第三部分：雙側半規管空間位置 A.半規管在人體位置；B.A圖放大；C.B圖放大；D.C圖放大; E.軸向逆時針旋轉90°，在側位顯示右半規管空間位置；F.軸向逆時針旋轉270°，在側位顯示左半規管空間位置，實線標示水平面，虛線標示外半規管平面，顯示外半規管向前上與水平面成25°夾角

二維及三維課件教學效果分析比較

發放SEOTQ評分表74份，回收74份，回收率100%。SEOTQ評分表統計結果顯示，三維課件8項指標得分全部高于二維課件，兩者比較差異有統計學意義(P=0.000)。二維課件總體得分為(3.52±0.97)分,三維課件總體得分為(4.45±0.70)分，三維課件得分明顯高于二維課件，兩者比較差異有統計學意義(P=0.000)(圖5)。

圖 5 內耳解剖教學二維及三維課件教學效果比較SEOTQ:耳鼻喉科教學方法評分表； 兩組各指標評分及總體評分比較，*P<0.001

討 論

1910年美國教育家Flexner在考察了155所醫學院后發表了著名的《Flexner報告》，該報告的可靠性和客觀性使美國醫學會(American Medical Association，AMA)決定大力改革醫學教育不足之處,認證后關閉了一半不合格的醫學院，使美國醫學教育從學徒式培訓轉變為以大學為基礎的現代醫學教育模式，樹立了醫學教育必須是精英教育的理念，也成為世界醫學教育改革的模范和奠基石[10]。2010年以來，研究者們總結分析一個世紀以來醫學教育改革的經驗，指出全球醫學教育系統總體上仍不適應全球衛生環境，并提出了一系列醫學教育改革的建議和理念[11]。隨著時代和科技的發展以及知識載體的迅速革新，傳統醫學教育模式已經不能完全適應現代的需要。以往教-學雙方信息不對稱的狀態現在甚至可能出現倒置。隨著網絡作為知識載體的爆發式擴容和無線上網作為獲取知識手段的普及性，學生幾乎可以隨時隨地對感興趣或有疑問的內容通過搜索引擎檢索到最新和權威的知識，這對授課老師的知識儲備、傳授知識的載體和媒介的吸引力均提出了很高的要求。根據本研究調查表資料，81%的醫學生具有熟練的計算機常規應用知識，對于多媒體的熟悉程度和要求也相應較高，為此老師的授課方式需要順應形勢及時跟進。

耳鼻喉科學的學習從解剖開始，對耳鼻喉科三維解剖結構的掌握是后續學習的基礎。這部分內容中很多概念所表述的空間結構十分抽象，老師難以用語言描述，采用實物模型和幻燈照片演示可以達到部分效果，但均受到一定限制。原因在于實物模型展示受眾有限，不適用于大課；幻燈片所展示的平面圖形不能清楚闡釋解剖學中的三維抽象概念和生理機制,很大程度上限制了教學效果。2013年北京協和醫學院對65位同學開展的解剖學學習問卷調查顯示，56.5%的同學認為“需要記憶的內容太多，背不下來”, 22.6%的同學認為“立體空間感不好，記住了也不明白解剖結構的相對位置”[12]。

從20世紀80年代開始，隨著計算機技術的飛速發展,動畫在制作流程、藝術效果上發生了革命性的變化。電腦技術不但能夠使傳統動畫制作周期縮短，節約動畫制作成本，提高效率，而且計算機軟件的應用將動畫的形象和背景直接由計算機完成，使人們看到的虛擬畫面更加逼真、更加接近于現實自然的畫面效果。在此基礎上形成的交互式三維動畫可以達到非常強大的表現效果和教學效果。

交互式動畫所具有的人機交互、立即反饋，是其他常規教學手段所不具備的。交互式三維動畫進一步把動畫所具有的視聽合一功能與計算機交互功能結合在一起，產生出一種新的圖文并茂的、立即反饋的人機交互方式。這樣一種交互方式對于教學過程具有重要意義，它能夠有效地激發同學的學習興趣，產生強烈的學習欲望，從而形成學習動機。交互性使得交互式動畫不僅是教學的手段方法，而且可以成為優化教學模式和教學思維的一個重要推動力。

交互式三維動畫提供的外部信息不是單一感官刺激，而是多種感官的綜合信息來源。這對于知識的獲取和保持，都是非常重要的。實驗證實，人類獲取的信息主要來自視覺，同等條件下視覺獲取知識的效率約是聽覺的1.2倍[13]。多媒體課件既能看得見，又能聽得見，還能用手操作，通過多種感官刺激獲取的信息量也相應擴大，而獲取的信息量越大可以掌握的知識量就會越大。因此，交互式三維動畫對于知識的理解、記憶和保持都優于傳統教學效果，本課題的對比研究也證實了這一點。耳鼻喉科解剖是教學中最大的難點之一，以內耳半規管為例，半規管由三根互成90度角的半圓環組成[1]，對于初學者來說，通過二維圖和半規管角度數字表，抽象地理解它們之間的三維空間關系，難度較大。本研究分別采用傳統二維課件和交互式三維動畫進行相關教學，結果顯示后者教學效果明顯好于前者。

交互式三維動畫技術具有眾多優點，是未來教學的重要媒介模式,但應用時不能完全替代傳統媒介。三維動畫作為輔助教學、提高質量的手段，仍非常有必要與傳統多媒體教學形式有機結合，才能更恰當地發揮其應有的價值。三維動畫教學應該以現代教育思想、理論作指導，老師需要學習和掌握教學設計指導思想以指導自己的多媒體教學，科學地設計多媒體課件，在課堂學習中有機結合傳統教學手段與三維動畫課件的優點，充分發揮多媒體形式豐富的教學優勢，并積極調動同學的興趣。老師還需要注意平日對教學素材的積累，特別是一些生動的場景，要及時捕捉住思維中的靈感和精彩要素，并恰當地運用到三維動畫創作中。

綜上，在耳鼻喉科教學領域，交互式三維動畫技術的應用空間很大，相信對于其他專科的教學也有一定借鑒作用。但本研究當前的創作和應用還僅處于起步探索階段，協和耳鼻喉科教學改革和科研團隊還將繼續努力，不斷完善。相信隨著計算機仿真和虛擬現實技術的不斷發展，交互式三維動畫在耳鼻喉科教學的應用將會更加全面和深入。

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十二五國家科技支撐計劃(2012BAI12B00/2012BAI12B01),北京協和醫學院教學科研改革基金資助項目(2012)

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1674-9081(2014)04-0482-05

10.3969/j.issn.1674-9081.2014.04.029

2014- 06- 22)