3D可視化教學資源在組織胚胎學教學中的應用

李躍萍　齊亞靈　鐘南田　張彥慧　洪燈

摘 要 人體任何組織、細胞都處于三維空間中，而現有的組織胚胎學教學，并不能使學生建立三維空間結構概念。隨著計算機等新興學科在醫學領域的交叉滲透，為3D可視化教學資源（3D-VTR）庫的建立提供了可能性。3D-VTR可將傳統二維平面的組織切片“立”起來，使其結構、概念深刻印在學生的記憶中。3D-VTR將在形態學教學中發揮重要作用。

關鍵詞 組織胚胎學；3D可視化教學資源；教學改革；電子顯微鏡

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）20-0060-02

Application of 3D Visual Resources in Teaching of Histology and Embryology//LI Yueping， QI Yaling， ZHONG Nantian， ZHANG Yanhui， HONG Deng

Abstract Any tissues and cells in human body are located at three-dimensional space. While during the present teaching process， the stu-

dents have no three-dimensional structure conception. With the cross

penetration of new emerging sciences， such as computer science， in the field of medicine， it become possible for establishment of three-dimensional visualization of teaching resources（3D-VTR）. 3D-

VTR makes the structures in traditional two-dimensional plane stand

up， and turns them into a three- dimensional visual model or teaching

tools. These structures in three-dimensional space will give a deep impression in the students memory. 3D-VTR will play a new and important role in the teaching of morphology.

Key words histology and embryology； three-dimensional visualiza-tion of teaching resources； teaching reform； electron microscope

1 前言

組織胚胎學是研究機體微細結構及其相關功能、研究人類胚胎形成和發育的一門科學，是醫學院校重要的基礎學科。一個好醫生，常常能夠通過病人外在的癥狀和體征，聯想到內在形態和功能變化，從而因病施治。萬丈高樓平地起，這就要求醫學生必須打好基礎醫學知識功底。

2 組織胚胎學傳統教學手段現狀分析

組織胚胎學屬形態學范疇，常常需要借助顯微鏡甚至電子顯微鏡來觀察結構，需記憶的名詞、概念多。在現有的授課環節中，無論是理論課還是實習課，以教師的課堂講授為主，看PPT、模型、數字切片或顯微鏡等教學方式為輔。一個三維平面的立體結構，現有的視、聽模式只能幫助學生建立組織的二維平面結構，并不能營造一個立體的空間結構觀念，學生很難在第一時間接受所學知識[1]。

如果教師沒有很好的空間結構描述、表達能力，或學生沒有很好的立體結構思維，很多醫學名詞、復雜結構及其演變過程將變得難以理解，且容易遺忘，這使學生對組織胚胎學望而卻步、難以徹底“吃透”，失去進行醫學探索的興趣。而學生課后復習主要是在圖書館、自習室或寢室根據教材、課堂筆記、教科書上的圖片進行理解、復習。這種學習模式不能將教材中抽象、復雜的內容直觀、立體地表現出來，制約學生對人體微細結構的認知和理解。

3 3D可視化教學資源的興起及其在教學中的應用前景

在人類的記憶和認知系統中，視覺記憶是重要的組成部分。視覺工作記憶是視覺感知和概念上的表征建立聯系的直接渠道，它能夠同時對視覺目標不同維度的屬性（如顏色、形狀、方向、位置等）信息進行保持[2]。視覺條件下看到的物體越接近真實，對概念和構成的理解與記憶也就越準確。

隨著計算機科學、信息技術、3D打印技術等新興學科在醫學領域的交叉滲透，對知識的理解、學術體系的構建等方面與原來相關的各個老學科有許多不同，具有全新的發展方向和自身特點。信息可視化、知識可視化領域的應用和拓展，教學設計研究也出現可視化視覺轉向[3]，可視化教學研究也提上日程。

可視化（Visualization）技術是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將海量數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，進行交互處理的理論、方法和技術。它涉及計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設計等多個領域，成為研究數據表示、數據處理、決策分析等一系列問題的綜合技術[3]。在計算機顯示屏里看到的三維圖形，是真實三維空間的一個影印版。為了讓學生看到的圖形更接近真實世界，在制圖過程中需要利用人眼具有的近大遠小的視覺特性；同時在計算機屏幕上使用不同的色彩、灰

度，使人眼能感受到物體不同面的光線強弱，從而使人眼產生對三維立體圖像的感知。

以肝臟的肝小葉結構為例，對比二維平面和三維平面帶來的視覺沖擊。如圖1所示，A圖是普通切片下所展示的畫面，而B圖則是人體肝臟的真實形態結構（3D圖像）。如果利用更多的如B圖一樣的3D圖像和教具來進行教學，相信學生會對三維平面的結構記憶更深刻。endprint

在教學工作中，3D圖像可以多角度、多層次地給學生以感官沖擊，激發學生的學習興趣。3D可視化教學將在教學過程發揮與眾不同、嶄新而重要的作用。在組織胚胎學教學中，3D可視化圖像將傳統二維平面的組織切片“立”起來，使其結構深深地印刻在學生的記憶中。

進入2014年，越來越多的本科院校和高等職業院校把建設“虛擬仿真實驗教學中心”作為主打工作，即通過計算機而實現仿真、交互平臺，幫助學生獲得對抽象知識的感性認識。這個平臺的建設近兩年被高頻率地納入教育部的一系列重要文件中。針對高校對虛擬仿真教學的普遍需求，有很多虛擬仿真教學供應商宣布推出“3D互動教學系統”。曼恒數字教育銷售總監丁永軍介紹：“3D互動教學系統集合了三維可視化虛擬展示和智能互動兩大功能，可以讓復雜抽象的教學內容變得生動易懂，實現邊學邊模擬實踐的高效教學。”“3D可視化互動教學系統”的推出，意味著3D可視化教學資源被越來越多的商家和高校所重視，成為教學改革中一個具有鮮活生命力的新方向。

3D可視化教學可克服傳統教學的缺點，實現教學過程更加直觀化、立體化與精細化，為醫學知識的理解、認識與研究提供三維的可視化的解決途徑。3D可視化教學資源可賦予課堂教學一種逼真的、三維的甚至可以是動態的視覺刺激，便于教師和學生用以前不可想象的手段來獲取信息，發揮自己創造性的思維。3D可視化教學資源能揭開人體世界的神秘面紗，用更加接近真實的方式展現出人體的內在結構。而人體解剖學在3D可視化教學方面已經走在前列，并取得很好的教學效果[4]。

4 3D可視化教學資源建設目前存在的問題

目前正處于發展虛擬現實技術時期，在教學方面利用計算機等技術手段實現組織學與胚胎學結構的三維可視化應該是可行之事。在教學工作中可利用的3D可視化教學資源，不僅包含由計算機輔助設計及繪制的3D圖像、3D模型，還包含由臨床工作來源的胎兒鏡、胎兒三維超聲圖像、畸形胎兒標本；另外，泥塑手工可以利用超輕黏土等材料，讓學生在課外學習中將卵泡、肌組織等簡單的結構通過動手的方式制作出來。這些技術和手段都可以被納入3D可視化教學資源（3D Visual Teaching Resources，3D-VTR）庫中。而在3D-VTR建設中還存在下面一些問題。

可利用的3D圖像少 在國外各醫學院校網站上，可見大量可利用的醫學3D圖像，圖像逼真、畫面清晰，但由于版權限制，需要醫學專業人員與計算機圖像繪制人員合作，如同建立人體解剖的3D可視化系統一樣，共同開發更多的3D圖像用于教學。

可利用的3D模型少，缺乏專業性 目前在我國市場上可購買的組織胚胎學3D教學模型種類少，做工粗糙，專業性不強，色彩對比度差，實用性弱，價格昂貴，與同款國外進口模型相比差距大，難以大批量引進并用于教學中。

臨床資源不能很好地服務基礎教學 在臨床工作中獲得的大量正常或異常的胎兒圖片，如胎兒鏡、胎兒三維超聲圖片，在用于教學過程中最好能對圖片做更好的計算機處理，一方面避免倫理學問題，另一方面使圖像更虛擬、立體，并配以文字說明，才能具有更強的實用性。而在實踐中，由于缺乏計算機圖像處理技術人員的參與，使這些臨床資源不能很好地服務于基礎教學。

5 結語

綜上，與人體解剖學相比，組織胚胎學所研究的對象多數是肉眼不可見的，涉及組織和細胞層面，需借助顯微鏡甚至電子顯微鏡才能看到的結構。如何將這些微小的三維結構由解剖層面推進到組織甚至細胞層面，并展現在學生面前，這將會成為組織胚胎學教學發展的一個方向。我國目前鮮有有關組織學與胚胎學的3D可視化教學論文，相關教具及圖形還很匱乏，這需要計算機圖形處理、軟件開發人員與醫學教育工作者共同努力。相信3D-VTR庫的建立將有助于學生對組織胚胎學的學習、理解，為組織胚胎學教學工作帶來革新。

參考文獻

[1]胡忠良.數字切片在病理學教學中的應用[J].山西醫科大學學報：基礎醫學教育版，2010，12（8）：834-835.

[2]Luria R， Vogel E K. Shape and color conjunction stimuli are represented as bound objects in visual working memory[J].Neuropsychologia，2011，49（6）：1632-1639.

[3]錢旭鴦.教學設計可視化研究：教學設計的視覺轉向[J].全球教育展望，2010（7）：30-35.

[4]孟凡潔，張國榮.基于可視化數字人體平臺進行解剖學教學改革[J].中國教育技術裝備，2016（6）：14-15.endprint