3D技術在醫學教學中的應用與評價研究

張文利 陳晨 王岳 沙琨

摘? 要? 醫學教學內容復雜抽象，專業知識晦澀難懂，教師利用傳統教學方式難以具象、生動地傳遞知識。3D技術的引入可以豐富醫學課堂，能夠調動醫學生學習積極性與主動性，提高學生的學習參與度及滿意度，從而更好地實現知識內化。對比分析各類數字化醫學教學的優缺點，結合問卷調查論證3D技術的有效性，并根據不同課程的教學需求，提出醫學教學三維動畫的設計與制作建議。

關鍵詞? 醫學教學；3D技術；數字媒體技術；課程思政；虛擬現實；三維動畫

中圖分類號：G642.4? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）17-0034-04

0? 引言

醫學課程專業性強，病理過程、藥物作用原理等內容難以直接觀察，實踐性要求高。同時，課程內容涉及大量的交叉性學科知識。教師利用傳統的講授法授課容易出現以教師為中心、學生被動接受的填鴨式教學，致使課堂枯燥乏味，不利于激發學生的學習興趣。數字媒體技術的引入可有效解決上述問題。

現階段，數字媒體技術已被廣泛應用于醫學教學的各個環節，通過將抽象的醫學知識形象化、具體化，更好地幫助學生理解、記憶，提高了教學有效性，是有效的學習工具。數字媒體技術形式多樣，以圖片、實拍視頻、MG動畫、三維動畫、虛擬現實為主。相較于其他數字媒體技術，3D技術以動態三維的視角傳遞教學內容，具備精確性、交互性、可無限操作性等特點，可有效促進醫學教學質量提升。然而，3D制作周期長，且醫學知識的科學性強，如何基于教學需求選擇適合的3D技術以開展有效教學，是當前醫學教育工作者面臨的主要問題。

1? 醫學教學3D技術概述

3D技術是指利用3D視覺效果通過各種形式創建不同的虛擬體驗技術。它既可以新的視角模擬現實，為觀眾呈現日常生活中無法觀測到的內容，又可以具象化呈現抽象內容與過程，提供直觀生動的體驗，被廣泛應用于醫學、軍事等領域[1]。

3D技術的引入為醫學教學提供了新的可能。三維動畫可以增強知識可視化效果，以更直觀的方式呈現發病機制、病變過程、藥物作用原理等。教育工作者依據教學內容構建醫學場景，按照真實的物理參數制作醫學模型，通過調節材質貼圖及燈光提高模型仿真度。增強現實技術為學生提供平面圖片的360°視角，幫助學生理解。虛擬現實技術具有沉浸式、交互性特點，讓學生置身于虛擬場景中，根據提示操作，可以將畫面出現的人體模型層層剝開，通過移動、縮放、旋轉等操作，全方位觀察人體內部結構，幫助空間想象力弱的學生理解人體內部器官空間結構和相互位置關系。利用3D技術，學生可以在課前預習、課堂學習、課后復習過程中隨時學習。

2? 數字媒體技術在醫學教學中的應用現狀

2.1? 圖片

在授課過程中，教師可以利用示意圖講解概念，將抽象概念具象化，幫助學生利用圖片形成對該知識點的初步認知。雖然教師可以利用系列圖片靜態展示病理的階段特征，但是無法動態地展示病理全過程。如教師可以通過呈現健康肝部圖片和肝硬化后肝部圖片形成對比，幫助學生了解病癥，但是圖片無法動態呈現肝硬化病理過程。

2.2? 實拍視頻

臨床醫學授課注重實踐性，教師可以利用實拍實操視頻讓學生觀看案例操作過程，提升學生對案例系統的學習；學生可以反復觀看教學視頻學習，也可以通過案例感受手術室嚴謹的氛圍。如脊柱側彎手術視頻可以直觀地呈現椎弓根螺釘置入、金屬絲矯正脊柱全過程，幫助學生記憶、理解治療流程，實現理論知識的實踐應用。同時，學生可以學習資深醫生現場決策過程。但是手術室錄像采用固定機位，部分內容被遮擋，且脊神經等細節無法看到，這些都會影響課堂知識的有效傳播。

2.3? MG動畫

MG動畫能夠利用卡通化、擬人化的醫學形象，風趣、簡潔地呈現枯燥乏味的專業術語、不易理解的病變過程、復雜的實操過程，不僅可以幫助學生理解知識，還能提高學生學習興趣。如口腔醫學專業在教學齲齒時，教師可以通過MG動畫進行齲齒的病因及癥狀介紹，加深學生的記憶。MG動畫制作周期短、制作成本低、風格多樣、表現力強，在吸引學生注意力的同時，可以有效提高學生的主觀能動性；但是MG動畫扁平化的表現方式僅適用于醫學知識科普、醫學課程導入等簡單的內容，不適用于醫學專業知識的深層次學習[2]。

2.4? 3D技術之虛擬現實

虛擬現實的真實感、沉浸感、交互性等為醫學教學帶來新的方式。虛擬現實教學資源不受物理環境的影響，可以模擬醫學情境，讓學生有身臨其境的感覺，幫助學生更好地感受真實的醫療環境；可以交互式呈現解剖學知識、病理、病癥等。如過敏性哮喘虛擬現實課件允許學生進行簡單的體格檢查操作，全景式觀看過敏性哮喘病理，可以旋轉、放大、縮小，包含胸腔、肺部、支氣管等結構模型，學習呼吸系統的結構。同時，學生還可以通過模型匹配等交互式測試評價自己的學習結果。虛擬現實技術不僅增強了課堂的趣味性，還改變了以教師講授為中心的授課方式，學生通過與虛擬資源交互開展主動性學習，極大發揮學習主觀能動性。但虛擬現實開發成本過高，開發周期長，且由于設備等技術限制，無法在課堂上大規模推廣。

2.5? 3D技術之三維動畫

隨著CG圖像處理技術日益精進和完善，三維動畫內容保真度有了質的飛躍。醫學教學具有微觀、嚴謹、科學等特點，三維動畫的精確度和還原度更適用于醫學教學。基于精確的數據，三維動畫可以1∶1真實還原器官，清晰顯示肉眼無法觀測的神經，演示病變過程等。利用三維動畫，教師可以更直觀、更立體、更生動地呈現教學內容，更好地幫助學生學習解剖學知識，理解病理病癥，提升學習效率，為臨床工作打下堅實的基礎。

上海交通大學醫學院利用三維動畫開展小兒外科疾病腸旋轉不良教學，解決了胚胎發育過程抽象，傳統教學方式學生難以學習理解的問題，通過三維動畫清晰地呈現胚胎發育過程中臟器的形態變化、與周圍毗鄰組織關系，以及解剖位置變化過程。授課教師認為三維動畫可以生動地呈現理論知識，增強課堂教學吸引力，提高外科理論教學質量。學生對三維動畫的接受度高，認為三維動畫的可用性、有效性更強[3]。

陸軍軍醫大學針對腎內科專業性較強、基礎理論知識要求較高等問題，在教學中引入三維動畫，演示電解質平衡轉運、腎小管重吸收原理、腎小球高濾過狀態的病理生理過程。通過與傳統教學對比，三維動畫教學的學習成果更好，學生對知識的理解、模擬臨床技能操作水平更高[4]。

綜上所述，如表1所示，相較于其他數字媒體形式，三維動畫既可以激發學生學習興趣，提高學生學習主動性，幫助學生更好地內化知識，又具備開發成本低、應用價值高的特點，是當前醫學數字化教學資源的最佳選擇之一。

3? 3D技術在醫學教學中的應用與評價

為了解醫學教學中3D技術的使用反饋情況，筆者基于第九版人衛醫學教材《內科學》配套的AR（增強現實）教學資源開展問卷調查。問卷包括有用性、認知效益、保真度、操控性、滿意度、使用意愿等六個維度，分發問卷60份，有效問卷53份，有效率88.33%。

本次問卷調查結果顯示：大多數學生認為醫學教學結合3D技術對自己的學習有幫助，三維模型將復雜的結構分段清晰呈現，也將抽象的名詞具體化、形象化，視覺化思考可以幫助提高學習效率；只有20.75%的學生認為這種資源的使用并不會影響到他們的學習結果。絕大多數學生運用該資源幫助自己更好地記憶、理解知識，在這其中還有64.15%的學生認為這種方式有利于學習遷移，如圖1所示。

保真度方面，僅有9.43%的學生認為三維模型材質貼圖質感的真實度低，無法潛心貫注地學習。三維模型的交互設計簡單易上手，83.02%的學生能夠很快掌握對模型移動、旋轉、拆分等操作方法；47.17%的學生認為對模型的實時可操作性有助于提高理解力，形成形象化記憶，如果可以在肺段模型拆分過程中對每段拆分出的模型名稱進行標注，就會更有幫助。這種與三維動畫結合的教學方式，學生使用意愿高達90.56%，學生表示愿意使用此類型資源進行學習，并且推薦給其他學生嘗試；但課堂上這種類型資源少，更多時候需要自己在網上尋找，費時費力，還無法確保找到適用的資源，索性放棄這種學習方式，希望能有平臺集中制作整合醫學教學三維動畫資源，供大家學習使用。本次學習經歷的滿意度達97.48%，如圖2所示；但是針對AR功能使用滿意度，有49.06%的學生選擇基本滿意，提出AR效果只是出現時帶來新奇的視覺沖擊，實際使用價值并沒有三維模型高，如圖3所示。

4? 醫學教學三維動畫的設計策略

4.1? 理論類醫學教學三維動畫設計策略

理論類課程以教師講授為主，課程目標是將基本概念、結構、原理等理論知識傳授給學生。利用三維動畫開展理論課程授課時，教學設計師應依據教學目標、重難點設計三維動畫，實現其他數字媒體無法呈現的效果。如肝臟中的“五葉四段”理論是讓學生理解肝臟的構造及分割原理，而圖片的平面化和MG動畫的卡通化特性無法將此概念立體寫實地呈現，因此，三維動畫制作重點應放在模型的寫實度與精準度上。技術人員可以采用三維掃描儀獲取實物的三維數字模型，并對模型進行細節調整、UV拆分，賦予真實的材質與貼圖，完成逼真化模型制作。同時，肝內正中裂、左葉間裂、右葉間裂、左外葉段間裂和右后葉段間裂“五葉四段”的分割位置也需要運用特寫鏡頭、慢鏡頭進行展示，將理論知識精準化呈現。此外，該動畫還應展示外部透明的肝臟模型，便于學生更好地觀看肝臟內部的肝血管模型，觀察肝血管的分布及走向，讓學生更好地理解“五葉四段”分割原理[5-7]。

4.2? 實踐類醫學教學三維動畫設計策略

實踐類課程前期教師講授程序性知識，學生在實際操作前應熟記操作流程與注意事項。學生可以在課前自主觀看三維動畫進行預習，了解基本操作流程，降低程序性知識授課時間成本，預留更多的時間開展教師指導下的實踐活動。所以，三維動畫的設計重點并非模型的精細程度，而是操作過程的演示，應當詳細記錄操作過程的每一個步驟。如水銀血壓計操作教程三維動畫需要展示血壓計的構成，利用近景展示使用前校正以及檢查水銀是否在基準線上、開關是否閉合與袖帶是否漏氣等；運用特寫鏡頭展示袖帶的位置與松緊度、聽診器放置位置等，與音效結合呈現舒張壓和收縮壓，幫助學生準確了解水銀血壓計操作技能，并且能夠在真實的情景中應用此技能。

4.3? 課程思政三維動畫設計策略

課程思政目標是讓學生在學習專業知識、技能的同時，潛移默化地樹立正確的思想觀念、政治觀點和道德規范。教師結合案例講解，傳達價值觀念，給予學生正確的引導。課程思政可以通過三維動畫與專業知識有機結合的方式，提高課程的趣味性，幫助學生加深對專業知識的記憶，并且在專業內容講授過程中升華學生思想境界。此類動畫在設計時需注意以傳播知識為主、思想升華為輔，控制情感烘托時間比例。如在講授生產知識時，教師通過一段三維動畫來演繹產婦生產過程、可能會出現的突發狀況以及未能及時正確處理突發狀況情況下產婦及嬰兒將面臨的危險等；在動畫上方置入生產時骨盆發生變化過程的特寫鏡頭，幫助學生有效學習生產知識，并溫習生產時恥骨、底骨、尾骨的分離打開，以及對脊柱的影響等知識點；在片尾制作母親懷抱嬰兒，回憶生產時的痛苦，與懷里嬰兒對視，看到他抓著母親的衣襟以及努力睜大的雙眼，露出充滿愛意的笑容的畫面，傳達母愛的無私與偉大，激發學生感恩母親和敬畏生命的情感[8-9]。

5? 結束語

3D技術是醫學教學的重要工具，具有很高的教學價值。教師利用3D技術可以提高課堂的趣味性，具象化呈現專業知識，從而更好地開展醫學教學，提升教學質量。學生利用3D技術以新的視角學習專業知識，根據學習需求進行自主學習，也可以突破物理空間和時間的限制，隨時隨地觀看、重看三維視頻，更好地實現學習目標。教師在設計、制作三維動畫時，需要專家團隊、技術團隊等確保三維動畫的科學性、教育性，根據教學目標與內容調整三維動畫的重點。為提高三維動畫的成本效益，不同高等教育機構可以跨校合作開發，共享教學資源。資源開發后需要相關課程教師和學生共同試用，獲取同行評價、學生評價意見，并及時進行更改和更新，確保資源的有效性。

參考文獻

[1] 盧軍.虛擬現實技術在三維動畫實訓項目中的應用[J].北京印刷學院學 報，2021，29（S1）：249-251.

[2] 王錦秀，陳晨，鐵電奇.動態圖形技術臨床醫學運用[J].解放軍醫院管理雜志，2020，27（2）：175-176.

[3] 鄔文杰，陶怡菁，呂凡，等.三維動畫多媒體課件在小兒外科教學中的應用[J].中國醫學教育技術，2020，34（5）：606-608.

[4] 張軍，唐茂芝，張湖海，等.三維動畫模式PPT在腎內科教學的應用[J].醫學研究雜志，2020，49（1）：178-180，177.

[5] 連穎，胡通洲.三維動畫模擬教學法在骨科實習護生中的應用[J].中國鄉村醫藥，2020，27（18）：70-71.

[6] 吳麗，高慶春.三維動畫在神經病學多媒體教學中的運用[J].中國繼續醫學教育，2018，10（33）：49-51.

[7] 蔣安，王貴虎，李宗芳，等.自制3D動畫在膽石癥CBL教學中的實踐[J].中國醫學教育技術，2019，33（6）：694-697.

[8] 陳亞肖，丁淼，陳冬梅，等.在婦產科本科教學中融入課程思政的探索[J].中國繼續醫學教育，2021，13（32）：109-113.

[9] 薛琳琳.《動物解剖生理》課程思政教學案例[J].現代畜牧科技，2021（9）：27-28.

作者：張文利，海軍軍醫大學海軍衛生信息中心，助理工程師，研究方向為新媒體醫學教育應用；陳晨、王岳，海軍軍醫大學；沙琨，通信作者，海軍軍醫大學海軍衛生信息中心，副教授，研究方向為高等教育信息化（200433）。