增強現實技術結合翻轉課堂在骨科教學中的應用

鄒俊 于浩

[摘要] 骨科學是一門以解剖學和生理學為基礎的臨床學科，涉及影像學、生物力學等多門學科，具有極強的專業性。由于學科交叉較多、知識概念抽象，骨科教學實踐存在一定難度。為了滿足現代社會對高素質醫學人才的迫切需求，醫學教育改革的呼聲日益高漲，尋求能夠提高骨科教學質量的有效方法引起了許多醫學教育者的關注。近幾年來，翻轉課堂教學模式成為醫學教育改革的熱點，增強現實技術也逐漸被應用于課堂教學。文章根據骨科學教學內容，設計和實施了以Complete Anatomy軟件為平臺的增強現實技術輔助翻轉課堂教學方法，并總結了該方法在教育實踐過程中存在的優勢和問題。

[關鍵詞] 骨科教學;教育改革;醫學教育;翻轉課堂;增強現實技術

[中圖分類號] G642? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2020）10（a）-0067-04

Application of augmented reality combined with flipped classroom in the orthopedics teaching

ZOU Jun? ?YU Hao▲

Department of Orthopedic， the First Affiliated Hospital of Soochow University， Jiangsu Province， Suzhou? ?215006， China

[Abstract] Orthopedics is a clinical subject based on anatomy and physiology， involving many subjects such as imaging and biomechanics， and has a strong professionalism. Due to the many interdisciplinary subjects and abstract knowledge concepts， orthopedics teaching practice has certain difficulties. In order to meet the urgent needs of high-quality medical talents in modern society， the call for medical education reform is increasing. The search for effective methods that can improve the quality of orthopedics teaching has attracted the attention of many medical educators. In recent years， the flipped classroom teaching model has become a hot spot in the reform of medical education， and augmented reality technology has gradually been applied to classroom teaching. Based on the teaching content of orthopedics， the article designs and implements an augmented reality technology-assisted flipped classroom teaching method based on Complete Anatomy software， and summarizes the advantages and problems of this method in the process of educational practice.

[Key words] Orthopedics teaching; Education reform; Medical education; Flipped classroom; Augmented reality

傳統骨科教學往往采用課堂講授的形式，即授課教師通過理論講解使學生掌握骨科知識。這種教學模式由于形式單一、內容繁多且時間有限，難于為學生提供充足的課堂時間去深入剖析問題，導致學生對知識的掌握只能浮于表面，課下仍需要花費大量的時間重新學習，寶貴的課堂時間不能發揮最大效益。此外，傳統課堂上的信息主要來源于授課教師，學生的表達時間較少，一方面使學習內容受限于教師的認知范圍，另一方面也減少了學生交流討論的機會，不利于醫學生拓展思維和語言表達能力的培養。國內已有將翻轉課堂教學模式應用于醫學教學的先例[1-3]，這種教學模式雖然在提高學生綜合素質上取得了一定成效，但在骨科學的課下自學環節中，存在學生難以理解課本知識，導致學習興趣降低、喪失學習動力的問題。隨著信息技術的快速發展，解剖學教育數字產品逐漸進入市場，增強現實（augmented reality，AR）技術的支持進一步提高了虛擬解剖模型的真實性和交互性[4]。因此，本研究嘗試將AR技術和翻轉課堂教學模式聯合應用于骨科教學，探究新型教學方法在骨科教學活動中應用的可行性，并將其作為提高醫學生綜合素質的有效途徑。

1 AR技術和翻轉課堂的背景和理論知識

1.1 AR技術

1990年，波音公司的研究員Thomas Caudell最早提出了AR這一概念[5]。該技術利用特定的3D軟件，將計算機程序中的虛擬世界圖像與現實世界場景聯系起來，完成兩個世界在同一時空的相互疊加[6]。當計算機設備采集真實場景信息時，AR軟件分析識別場景中的特殊標記或進行位置信息計算，而后將虛擬圖像和現實場景在電子顯示器上疊加顯示。用戶可通過相應的設備與疊加顯示的圖像進行實時交互，最終實現對虛擬圖像的增強顯示。盡管從整體發展進程來看，AR技術尚處于起步階段，但其發展勢頭十分迅猛，已被廣泛應用于多種領域，如工業設計[7]、商品展示[8]、教學模型[9]等。

Complete Anatomy軟件是目前世界上主流的解剖軟件之一，迄今已被300多所大學用于醫學教育[10]。該軟件由3D 4Medical公司于2016年開發，能夠在Windows 10、macOS、平板電腦和手機等多種平臺運行。軟件以真實人體骨骼為參照，將人體分為12個系統，采用高質量貼圖完整而精細地模擬了解剖結構和毗鄰關系，并對所有結構進行了相應的文字描述。軟件提供了多種工具，允許用戶進行涂鴉筆記、多層面切割、模擬骨折和添加骨贅等交互操作。該軟件內置的教學講座和視頻不僅生動地再現了心臟跳動、血液供應、肌肉牽拉骨骼運動等生理活動，還介紹了包括骨科、康復科、眼科、牙科等領域的疾病信息。2017年，該軟件開發了AR功能，可將一個大小可調的立體解剖模型投影到現實平面上，且支持AR模式下分離解剖結構，實現對解剖結構的全角度觀察。考慮Complete Anatomy對骨科解剖結構的精密還原和以上諸多優勢，本教學活動采用Complete Anatomy作為輔助教學軟件。

1.2 翻轉課堂

一直以來，高等院校都在革新教學觀念，努力推動從“以教為主”向“以學為主”的教育模式轉變[11]。尋找有效方案促使學生主動學習是教學改革中的重點環節，針對這一問題，有學者建議采用一種顛覆傳統的教學模式——翻轉課堂[12-13]。該模式將傳統課堂活動與課下活動進行對換，使學生在課堂開始前通過調研資料、觀看視頻等方式自主完成學習。課堂的大部分時間不再由老師占用，而是交給學生用來展示和討論學習成果。通過這種方式，授課教師有更多機會對學生的學習情況提供在線指導，并且可以采用多項指標對學生進行評價考核。

醫學不僅是一門研究人體生理結構和疾病診斷治療的自然學科，還是一門涉及道德倫理、醫患溝通和團隊合作的人文社會科學。我國醫學教育長期存在“重技術、輕人文”的弊端，且醫學生生活環境相對封閉，缺乏與非醫學專業學生的交流，容易導致醫學生知識結構單一，人文精神匱乏[14-15]。當醫學生步入臨床工作階段，由于缺乏人際交往技巧和團隊互助能力，難以順利的完成臨床任務，使臨床工作的進行受到阻礙。翻轉課堂鼓勵學生在展示成果和相互學習的過程中及時認識到自身的不足之處，在實踐鍛煉中克服弱點，成長為符合新時代需求的全面型醫學人才。

2 AR結合翻轉課堂教學環節

AR技術結合翻轉課堂教學模式的活動環節設計如下。①課前準備階段。授課教師根據教學內容，結合實際病例設計出具有真實性和典型性的病例，每個病例中需包含相關問題，確保每組問題數量和難度相當，并為學生提供相關的學習資料和充足的準備時間。另外，授課教師還需設計隨堂測驗試卷，內容涵蓋本次教學活動涉及的所有病例。②自主學習階段。學員自由組隊，選擇一組感興趣的病例，在課余時間對病例相關知識進行調研、討論和資料總結，小組之間可自由分享和交流調研結果。建議學員對照課本知識和影像資料，使用Complete Anatomy軟件的AR功能觀察病變部位的解剖特點，利用切割、骨折、疼痛等工具模擬疾病發生發展的過程，提出可行的疾病治療方案。③隨堂測驗階段。課堂開始時，授課教師占用5 min，以事先準備好的試卷對全體學員進行考核，由授課教師在課后打分，作為部分考核成績。④展示交流階段。課堂上，學員根據課前調研結果，以組為單位通過PPT進行成果展示，其他小組提出問題，相互補充回答。對于學員不能解答的問題，授課教師利用Complete Anatomy軟件對病變部位進行解剖演示，將抽象的骨科知識與直觀的解剖圖像相結合，幫助學員理解問題、加深印象。⑤總結評價階段。課堂展示從病例分析、知識介紹、內容深度、展示效果、回答問題情況等方面進行評價，由授課教師和全體學員共同打分完成。最終，每名學員的成績根據課堂小測驗、各自的學習報告、所在小組的課堂展示進行綜合評定。

該教學環節以翻轉課堂教學模式為基礎，鼓勵學員圍繞課前提出的問題進行自主調研學習，使課堂不再是授課教師的獨角戲，教師能夠作為監督者和信息補充者參與學習過程。課前學習階段，學員以小組的形式對授課教師提供的病例資料和重點問題進行調研，將個人所得信息進行歸納總結后進行初步交流討論。為了幫助學員對骨科解剖結構形成直觀的認識，教學活動創新性地引入了以Complete Anatomy軟件為平臺的AR技術，減少調研文獻過程的枯燥乏味，增加學習的趣味性。授課教師幫助學員制訂合理的調研計劃，對學員自主學習過程中產生的困惑及時解答并予以啟發。展示交流階段，學員利用PPT和AR將所學知識傳授給全班同學，小組間互相提問回答，進一步深入理解所學內容的同時挖掘更多值得探討的問題。對于學員展示過程中存在的漏洞和難以解決的問題，授課教師進行統一回答，并借助AR技術實現精確部位的解剖講解和病變治療模擬。

3 AR技術結合翻轉課堂應用于骨外科教學的可行性分析

3.1 AR技術結合翻轉課堂的優勢

自主學習階段，學員擁有充足的時間為課堂展示做準備，在此環節，學員通過自身努力來搜集資料、歸納信息、理解概念、構建知識體系，這些技能的培養對研究生來說是尤為重要的[16]。另一方面，學員們在課前也有自由的時間進行溝通，交流各自的學習成果和感想，增加學員的人際交往能力。此外，學員可根據自身能力制訂合理的學習計劃，并根據需要及時復習功課，從而避免傳統課堂上一部分學員對教學內容不堪重負，而另一部分同學已經不勝其煩的現象。

課堂展示前進行隨堂測驗，這一環節保證了學員在自學過程中不局限于自己負責解答的問題，對教學內容均需要進行初步的了解，同時也起到了敦促學員間交流不同學習成果的作用[17]。課堂的大部分時間用于成果展示，鼓勵學員積極參與課堂活動，將學習到的知識靈活運用于病例分析，展現分析思路，這對于幫助醫學生實現從理論知識到實際應用的過渡非常重要。現場提問不僅考驗了學員對知識的理解程度，對學員的語言表達能力和舉一反三能力也是一種鍛煉。通過全程觀察學員的表現，授課教師可以全面了解班級全體學員在多種能力上的差距，以便在后續教學活動中調整教學方法。

傳統骨科理論教學方法包括閱讀書籍、觀看視頻和觀察模型等[18-19]。由于骨科疾病涉及解剖部位繁多、解剖結構復雜，傳統教學方法往往抽象而使學生難以理解。例如，一些教師在課堂上為學員播放實際手術操作視頻，期望以這種方式加深學員們對所學知識的印象。然而，由于部分視頻缺少對手術相關解剖結構的描述，或視頻內容與課本知識不統一，導致學員對視頻學習的興趣降低[20-22]。盡管有學者提出將3D打印應用于骨科教學，但不能完整顯露目標部位的周圍器官結構[23]。將Complete Anatomy等具有AR功能的解剖軟件引入骨科教學，一方面其具備形象、直觀的三維立體圖形顯示，幫助學生從不同角度觀察目標及周圍解剖結構;另一方面其具備使用成本低、操作簡單、多平臺運行等優勢，允許學生隨時隨地進行學習、復習。更重要的是，Complete Anatomy軟件還提供了筆記、切割、骨折、骨贅等多種功能，以及講座、模型、視頻等多種學習資料，便于學生探索解剖結構的生理功能。在大部分學員提交的學習報告中，都表示AR功能夠將立體解剖圖像融入于真實場景，且能夠將解剖細節放大展示，這種新穎的學習工具極為有效地激發了學員們的學習熱情。利用AR技術模擬手術具有易于分辨組織結構的優勢，學員也可親自進行操作，增加學員對骨科學知識的直觀理解，為以后的實際臨床操作奠定堅實的基礎。

除AR技術外，目前應用于醫學教育的圖形可視化技術還包括虛擬現實技術（virtual reality，VR）[24]、混合現實技術（mixed reality，MR）[25]與全息投影技術（holographic projection，HP）[26]。與AR技術比較，以上技術同樣能夠全方位地展現解剖結構，且MR技術與HP技術可將虛擬圖像與解剖實體進行融合，使其帶來的真實體驗優于AR技術。然而，這些技術的使用成本較高，即必須在特定設備的支持下使用，如VR眼鏡、MR眼鏡和全息投影儀等。另外，MR技術和HP技術并未得到主流解剖軟件的支持，虛擬模型的構建往往依賴于志愿者的影像學數據，模型精度和局部細節可能劣于現有的解剖軟件;另外，這些技術的虛擬解剖操作功能也不如Complete Anatomy軟件成熟，難以生動地模擬病理變化和手術操作。調查顯示，部分使用者在長時間佩戴VR眼鏡后出現了頭暈、惡心等不適癥狀[27]，一旦該現象發生，則會嚴重降低學員的課堂學習效率，使教學質量大打折扣。為避免以上問題，本教學活動采用的AR技術能夠將3D圖像呈現于普通顯示器和手機屏幕上，一方面節約了購買特殊設備的教學成本，另一方面避免了佩戴3D成像眼鏡帶來的不適感，而且軟件學習成本較低、方便每名學員隨時使用，更符合本教學活動的自主學習理念。

3.2 AR技術結合翻轉課堂的不足

在翻轉課堂的教學模式下，少數學員由于自身不能明確學習目標，學習計劃不能及時完成，最終導致學習效果差強人意。對于這部分同學，授課教師應當定期幫助其調整學習計劃，提出建設性的意見和建議，避免學員在調研方向上誤入歧途。另外，學員性格差異導致參與課堂討論的積極性不同，參與交流互動較少的學員不能及時地在課堂上解決自己的疑惑，而積極提問的學員則有更多機會解開學習過程中遇到的謎題。長此以往，不僅會加重班級學習情況兩極分化的局勢，還會使原本內向的學員產生厭學和逃避心理。因此，授課教師應鼓勵同學加強與其他學員之間的溝通，并設置小組內成員分工調研制度，促使學員將自己的學習成果和疑問與小組成員進行交流解答。

對于Complete Anatomy解剖軟件，有少部分同學反映該軟件缺乏中文說明。由于解剖學專業名詞較多，英語基礎較差的同學在初期使用中存在一定困難，但配合翻譯軟件和醫學辭典等工具，該軟件對學習效果并無明顯影響，還在一定程度上幫助學員們提高了醫學英語水平。Complete Anatomy軟件中的一些功能需要付費使用，教學團隊應為學員提供可用的學習賬戶或補助，以減輕學員的經濟負擔。在設備技術方面，本教學活動通過手機、iPad等電子屏幕來顯示解剖結構與現實場景相融合的畫面，雖然真實度相較于傳統書籍有明顯提高，但與VR和HP技術比較，仍然有提升的空間。未來圖形可視化技術的發展和解剖軟件的更新，必然會帶來更加生動逼真的顯示方法，實現觸溫感覺、多人實時交互等新功能。

4 結語

AR技術應用于翻轉課堂是將現代信息技術與創新醫學人才培養模式相融合的一種新型教學方法。在骨科教學中采用該教學方法能夠使學員充分的發揮主觀能動性，自主制訂學習計劃，調整學習進度，運用各種手段進行資料搜集和總結。AR技術為學員帶來了耳目一新的學習體驗，不僅吸引了學員們的學習興趣，也幫助學員從具體化的圖像中理解抽象的知識。同時，學員相互展示和學習，在活躍的課堂氛圍中提高學員的表達溝通能力。綜上所述，AR技術結合翻轉課堂在骨科教學中的應用可培養學員的綜合素質，提高骨科教學質量。盡管這種新型教學方法在實施過程中還存在一些挑戰，但經過深入的研究和改進，今后可能發展成為一種主流的教學模式。

[參考文獻]

[1]? 張金萍.基于微課的翻轉課堂教學模式在《人體形態學》教學中的應用[J].重慶醫學，2015，44（17）：2441-2442.

[2]? 張成亮.翻轉課堂結合PBL教學模式對骨科學生臨床思維能力的培養[J].中國衛生產業，2019，16（23）：133-134.

[3]? 鐘潔，胡躍強，黃河，等.基于個性化“互聯網+翻轉課堂”模式探索臨床實踐同質化建設[J].基層醫學論壇，2020， 24（2）：269-271.

[4]? Beck D. Special Issue：Augmented and Virtual Reality in Education：Immersive Learning Research [J]. J Educational Compu Res，2019，57（7）：1619-1625.

[5]? 丁群，劉鍵薇，洪娜佳，等.增強現實技術[J].黑龍江科技信息，2015（30）：179.

[6]? Tao XM. Virtual and augmented reality enhanced by touch [J]. Nature，2019，575（7783）：453-454.

[7]? 劉智偉，郭彥萱.工業設計領域下VR和AR技術的新融合[J].數字化用戶，2019，25（23）：188.

[8]? 夏杰，尤志翔，李凱，等.基于AR技術的實時互動體驗電商系統[J].電視技術，2018，42（2）：76-82.

[9]? 張海森，楊光輝，劉超見，等.基于AR技術的跨平臺移動終端的輔助學習系統[J].圖學學報，2018，39（1）：85-90.

[10]? 趙燕鵬，郝明，唐佩福.Complete Anatomy軟件在骨科手術入路教學中的應用[J].中國繼續醫學教育，2019， 11（6）：18-20.

[11]? 蘇兆亮，馬瑞，夏海平，等.發展醫學教育堅持以學生為主體[J].檢驗醫學與臨床，2012，9（24）：3154-3155.

[12]? 李汨，鞠迪，韓曼.翻轉課堂在醫學教育中的應用[J].教育教學論壇，2019（2）：179-180.

[13]? 邰春玲，隋樹杰，史淑杰.翻轉課堂醫學教育領域應用研究評述[J].中華醫學教育雜志，2016，36（3）：398-400，408.

[14]? 陳可洵，才華興，馮長卓，等.醫學人文教育融入臨床實踐教學的有效途徑[J].現代養生，2019（12）：208-209.

[15]? Qian Y，Han Q，Yuan W，et al. Insights into medical humanities education in China and the West [J]. J Int Med Res，2018，46（9）：3507-3517.

[16]? 霍春月，吳常偉.精準醫學背景下臨床醫學生綜合素質的培養[J].人力資源管理，2018（11）：335-336.

[17]? 白雪杉，張樹琦.CBL與PPT總結加隨堂小測驗的教學模式在留學生普外科見習課中的應用[J].醫學教育管理，2019，5（2）：149-153.

[18]? 王春成，彭曉松.仿真模型在骨科手術學教學中的應用研究[J].中國中醫藥現代遠程教育，2017，15（17）：13-15.

[19]? 魏芳遠，張建中，張立軍.手術視頻結合病例討論教學法用于骨科臨床實習教學中的研究[J].繼續醫學教育，2018，32（10）：41-43.

[20]? 謝江濤，謝遠龍，雷軍，等.骨科學臨床教學視頻資源庫的規范化建設與效果評價[J].中華醫學教育雜志，2016， 36（4）：562-566.

[21]? 郭雯雯，李小梅，潘凱斯，等.標準化演練視頻在婦產科急危重癥教學中的應用探索[J].中國醫學創新，2019，16（14）：153-156.

[22]? 何芬，袁婷，魏旋，等.醫學碩士教學學習模式探索——以鼻咽癌臨床教學為例[J].現代醫院，2019，19（8）：1102-1103，1106.

[23]? 葉添文，馬君，趙劍佺，等.3D打印模型輔助CBL教學法在骨科臨床教學中的應用[J].醫學研究與教育，2019， 36（6）：76-80.

[24]? 梅其杰，郭錦榮，段戡，等.VR技術的應用——傳統骨科手術教學的“消失”[J].教育教學論壇，2018（32）：113-114.

[25]? 張里程，雷明星，張浩，等.基于混合現實技術骨科教學模式的構建及應用[J].中國繼續醫學教育，2018，10（36）：13-16.

[26]? 馬小軍，蔡鄭東.全息投影技術在骨腫瘤臨床教學中的應用與探索[J].中國繼續醫學教育，2019，11（20）：57-59.

[27]? 劉京玲.VR眼鏡消費調查：品牌良莠不齊、性價比過低[J].中國消費者，2017（8）：21.

（收稿日期：2020-02-21）