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探讨医学人体解剖教学改革思路和发展方向

时间:2019-10-09

  摘要:随着计算机技术的飞速发展,多媒体、三维可视化技术在人体解剖教学改革中也起到了重要作用。本文围绕传统解剖教学模式中存在的问题,对医学人体解剖教学改革进展进行综述。通过从新教学模式和新教学工具两方面总结国内外的改革进展,探讨医学人体解剖教学改革思路和发展方向。

  关键词:人体解剖教学; 3D多媒体; 虚拟现实; 三维可视化; 数字人解剖系统; 翻转课堂;

  Abstract:

  With the rapid development of computer technology,the multimedia and three-dimensional visualization technology have played an important role in the reform of human anatomy teaching.This article reviews the progress of medical human anatomy teaching reform around the problems existing in traditional anatomy teaching mode.By summarizing the progress of reform at home and abroad from the new teaching mode and new education material in order to explore the new ideas for reform and development direction of medical human anatomy education.

  Keyword:

  human anatomy teaching; three-dimensional multimedia; virtual reality; three-dimensional visualization; digital human anatomy system; flipped classroom;

医学

  人体解剖课程是医学专业中重要的基础课程,在医学生的学习生涯中,人体解剖知识贯穿始终。但是对于刚刚接触解剖的学生来说,人体结构复杂,解剖名词晦涩难懂,学习起来需要耗费大量时间与精力[1].我国传统的教学模式以教材为中心、以教师为主导,在这种知识型人才的培养目标指导下,填鸭式的理论教学模式形成,枯燥乏味的知识灌输极易使学生失去学习兴趣,丧失自主学习能力,导致学习效率低下;理论知识与实践环节相脱节,造成学生临床思维薄弱,空间构建能力不足,无法满足临床实践的需要。为了适应我国当前应用型、创新型人才的培养需要,我们必须对传统人体解剖教学模式进行改革。随着"互联网+"时代的到来,多媒体教学已经成了常规教学模式,但教师在课堂中用PPT辅助教学,仍无法从根本上解决传统教学模式中存在的诸多问题,依旧无法将理论与实践有机结合,解剖结构也仍是在平面上被铺展开来。医学人体解剖的教学改革在各大院校逐渐兴起,它不是仅仅停留在教学工具改革层面上,也在教学思路上有了新的学习与借鉴,形成了PBL、OBE等有效授课方法模式。随着互联网浪潮席卷而来的"微课"、"慕课"为学生自主学习、拓展兴趣提供了有效途径。计算机技术蓬勃发展的时代背景下,三维可视化技术逐步成熟,国外也已有将三维可视化技术引入到系统解剖学、断层解剖学的教学当中。本文将对互联网时代下的解剖教学新模式及新技术的进展及现状进行综述。

  1 传统教学模式

  在目前的解剖课堂中,教师以课本知识结构为主线,利用幻灯片辅助教学,将重点内容以文字、解剖模式图、标本平面图的形式展示出来,教给学生基础理论知识;理论知识教学基本完成后,安排学生到解剖实验室进行标本观察和尸体解剖的实验课程。经过数十个学时的学习,学生基本能够掌握解剖知识,初步认识人体结构。

  但传统教学课堂由教师主导、学生聆听,学生在短时间内接受大量陌生而又枯燥的解剖知识,难以即时理解吸收,学习效率低下。教学辅助所用的解剖模式图、人体解剖挂图不够立体,不能让学生直观地看到立体模型,学生对人体结构的空间构建能力不足,无从紧跟教师的授课节奏。实验课中,大量学生同时在有限的课堂时间内对稀缺的解剖教学的标本进行观察,也无法进行深入学习。在进行局部解剖学的实验教学时,由于人体结构层次、结构复杂,学生很容易对标本造成不可逆的破坏,传统模式下的解剖实验课学习效率低、尸体利用率低。由于解剖实验室尸体资源的稀缺,加之本身的基础知识不够牢固,学生往往不敢动手操作,也导致实践学习的效果大打折扣。

  医学教学的新时代已然到来,传统解剖教学模式的改变也迫在眉睫。互联网的发展催生了许多辅助教学的工具与方法,目前也已逐步为各大院校所应用。

  2 新教学模式

  2.1 多媒体3D课堂

  多媒体3D课堂将解剖知识以声音、三维图像、3D动画、视频等形式展示出来,将人体解剖结构直观、立体、真实地重现。与传统教学相比,多媒体3D教学更多地考虑学生的学习体验与思维方式,借助多种新媒体形式让原本枯燥的内容生动起来,吸引学生注意力,缓解其在解剖理论学习中的枯燥,增强其对人体解剖空间立体结构的直观认识。

  Deng等[2]对中南大学雅湘医学院2013级专业的四年级医学生展开了3D多媒体教学试验,许多学生都认为多媒体3D教学可以有效改变传统系统解剖学课堂抽象枯燥的状况,极力赞同这种教学工具的革新。德国学者Hoyek等[3]将3D数字动画用于人体肌肉骨骼系统的讲解,与传统教学组相对比,研究结果表明,在需要空间能力的问题中,接受3D多媒体教学的学生表现明显优于传统教学组。在学习掌握人体解剖学知识时,空间立体结构尤为重要,3D数字图片、动画成为讲授和记忆解剖学知识的有效多媒体教学材料工具,学生成绩的提升也充分证明了实验室环境之外的新教学材料的有效性和重要性。

  运用计算机现代多媒体技术并结合医学知识,革新医学课件,使医学多媒体课件兼具3D立体化和互动性[4].这一改变可有效解决当前解剖课堂教学形式单一、教师"满堂灌"的现状,同时,把立体结构带入课堂,提高了学生学习兴趣,有效帮助学生建立人体解剖的空间立体结构,也使得教学更加现代化,符合人类记忆特点。多媒体3D技术在课堂中的应用不仅丰富了教学的信息形式,而且在一定程度上优化了当前的教学工具,能够显著提高医学人体解剖教学的课堂效率,激发学生学习的积极性,促进当堂知识当堂消化,增强学生知识掌握的质量与深度。

  2.2 "线上+线下"混合式教学--翻转课堂

  "互联网+"教育时代的到来使教育资源多元化,也使学生获取知识的路径更加广阔多样。翻转课堂是一种传统课堂与数字化媒体相融合的重构课堂模式,它将基础的学习准备从课堂内部转移到课堂外部,现已在国内外广泛推行[5,6].由此,基于翻转理念的线上线下混合式教学开始被尝试运用到各类教学当中,目前在医学人体解剖教学中逐步应用。

  "线上+线下"人体解剖学教学主要是指把人体解剖学教学内容、结构与计算机技术整合在一起,构成自然、和谐的资源整体,让学生能够在课前进行自主预习、课后有效回顾课堂知识,根据个人需求进行更有针对性的学习[7,8].

  姜东等[9]在断层解剖学教学中运用了翻转课堂法,安排学生以小组为单位,先在网络平台上进行分组自主学习,学生彼此之间可以督促学习,又能够互相交流讨论,提高预习效率,有了充分课堂准备后,正式课程的知识讲授更加流畅,学生能够作出有效回应,课堂效率明显提高,学生学习成绩也得到提升。Fleagle等[10]及其同事为了提高解剖学实验课的教学质量,在解剖学实验室使用翻转课堂教学法进行了改造,让学生在课前根据事先发布的教学目标做好预习,分析教学考核结果发现,由于翻转课堂的应用,越来越多的学生习惯于在课前做好相关准备,并且在课堂中更加积极和活跃,充分证明了将翻转课堂教学法应用于系统解剖学实验课程的有效性。此外,Day[11]对翻转课堂的教学结果进行了分类分析,他发现,与表现较好的学生相比,翻转课堂可能会对表现较差的学生的知识获取和吸收起到更加明显的提升作用,这也为全面提高教学质量提供了一个参考方案。

  翻转课堂使学生能够充分利用线下的时间与教师或者与其他学生进行交流讨论,教师也有足够的时间为学生答疑解惑,对传统课堂进行一个补充拓展。互动式的学习更能激发学生的学习兴趣,帮助其树立学习信心。有了事先预习的习惯,学生可以在课堂上展示出更多的自信,也希望能够和老师有更多的互动,极大地活跃了课堂氛围,对学生学习思路与教师授课思路都能起到发散拓展的作用。

  然而,翻转课堂教学模式在很大程度上依赖于课前学习材料和学习目标的设置,需教室筛选出更适合预习所用的学习资料,发布合理的学习任务,为学生提供必备的基础知识。与此同时,学生的自律性成了学习效果的一大制约,如何保证每位学生认真完成线下预习,仍是目前存在的一大问题。

  2.3 PBL教学模式

  PBL是一种立足于问题的学习方法,教师引导学生发现问题,并独立自主地解决问题[12].在解剖教学中采用PBL教学模式,让学生在探索和解决问题的过程中学习解剖的相关知识,有助于对于人体结构整体逻辑思维的培养,可以充分调动学生学习的主动性,有效提高学生的独立思考的能力,被广泛地使用于西方医学教育中[13].

  刘胜[14]在解剖学课堂上实施PBL教学方法,与常规的教学方法相比,能够有效激发学生的学习兴趣、批判性思维、团队意识以及解决与分析问题能力,提升学生的记忆、理解以及应用能力,并且在最终的考试成绩中得以体现。这一实例说明,与众多科目相同,人体解剖教学同样适用PBL教学法。

  2.4 OBE教学模式

  成果导向教育 (outcome-based education,OBE)理念由Spady率先提出,这一理念强调学生学习的结果,即是否能够产生学习成果[15,16].以学习成果为导向,能够让学生在学习过程中有更加明确的目标,从而在学习过程中更加有针对性,进行自我评价,及时查漏补缺。

  龚宪宇等[17]将以OBE理念为指导的教学模式引入系统解剖实验学教学,基于学习成果来组织教学活动制定多层次教学目标,实行"课堂教学+线上教学+VR实训操作+实验教学"的多维度立体化的教学模式,以学生为主体开展人体解剖学实验教学,并实行多维度的评价考核体系等系列措施,实现了良好的教学效果,同学们的成绩较传统教学法有明显提高。

  3 新型人体解剖课堂教学工具

  3.1 3D打印教具

  3D打印近年来正在如火如荼地发展,由于人体解剖结构过于复杂,加之解剖实验室内的人体标本无法供学生长时间观察学习,越来越多的学校开始利用3D打印技术一比一地还原人体内部结构来进行解剖学的教学。相比传统的教学模式,3D打印模型的应用能够给与医学生对抽象解剖知识的直观认识,高度仿真的器官和组织,替代实体标本,清晰再现血管、神经及病变组织,提供有效的教学辅助工具[18].3D打印的标本可以让学生从各个角度进行观察、拆解,有助于断层解剖和局部解剖的学习,避免了教师在课堂上凭空讲述,学生难以在短时间内接受大量知识的状况。

  尤其是脑血管,这部分血管走行极其曲折复杂,分支多且细,并且缺乏可观察的实物标本,教师难以通过语言清晰的描述出血管在空间上的曲折走行,学生无法获得直接的观感,皖南医学院应用3D打印的脑血管标本进行教学后,学生掌握了更多的"标本"资源,有效地完成了实验课的学习[19].

  并且,3D打印的标本数量基本不受限制,可以打破当前学生人数过多、标本资源极度不足的窘境,充足的资源供应也能够减轻教师授课的课堂压力,让学生均能自主学习,促进良好学习氛围的形成。

  3.2 虚拟现实技术

  虚拟现实技术(virtual reality,VR)是一种借助计算机集成的技术,综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学,它能够在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境,使用户具有身临其境的沉浸感,且具有与周围环境交互作用的能力,有助于启发创新思维,沉浸 - 交互 - 想象力是VR的三个基本特性,VR技术在医学领域中应用十分广泛,它可以建立虚拟人体模型,并借助跟踪球、感觉手套、HMD 充分了解内部各个器官的结构[20].

  国内已有许多高校将VR技术应用于人体解剖教学,借助市场上已经开发的解剖系统软件,学生可沉浸式地观察人体结构,能全面、直观、具体地感受人体各部分的三维形态及其空间毗邻关系,在预习、学习和复习阶段均可使用。与传统的教学模式相比,VR技术参与下的学习更加直观,科技感十足的沉浸式、交互式的学习模式给学生带来很大的新鲜感,能够有效吸引学生的注意力,师生之间更多的互动也使课堂氛围更加活跃;同时,它基本不受实验室场地、解剖标本、尸体等的限制,应用起来十分便捷。

  中国医科大学建立了虚拟现实仿真实验室,人体解剖学从原有的观察式教学转变成体验式教学,通过教学实践有效解决了标本不足及标本对师生健康造成危害、理论与实践相脱节以及师生互动缺乏的问题,将繁多的知识点交由学生在沉浸式的体验中学习,解剖结构在脑海中的印象更加深刻,有助于理论知识记忆;同时,教师能够与学生良性互动,将知识以观察加讲解的方式传授给学生[20].Pohlandt等[21]研究使用VR技术根据系统将人体结构进行重组,学生可通过结构解析的方式,将分散的系统拼成完整的人体模型。通过这个重组过程,可逆向模拟传统教学的解剖过程,帮助学生直观地认识空间毗邻结构,又可避免传统实验教学中因尸体资源稀缺学生不敢动手操作的问题。纽约西奈山伊坎医学院的Stepan等[22]将沉浸式VR作为神经解剖学的教学工具,发现VR技术能得到与传统的教学方法相同甚至更优的教学结果,VR模型在几个主观测量中表现优异:参与、享受、有用和学习动机。随着VR技术在生活中各领域的渗透,学生有了使用该技术的基础,能够在解剖课堂中更加熟练快捷地进行知识的学习。

  通过VR技术参与的沉浸式学习,医学生获得了从抽象到具体的学习体验,有利于独立构思和自主学习能力的培养,从而激发学习兴趣和创新意识。虚拟仿真的教学模式也在一定程度上调动了老师教学的积极性,对于提高教育水平、优化教学方法、完善教学过程、提高教学质量和效率具有深远的意义,在解剖学教学中具有广阔的应用前景[23,24].

  3.3 移动类APP

  目前,互联网上由翻转课堂理念衍生出了大量适应教学的软件,例如蓝墨云班、雨课堂等应用软件,这些移动类APP把关于人体解剖学的视频与图片等教学资源整理到软件内或微信公众平台当中去,学生可以不受时间、空间限制去学习,结合自己的真实学习进度与需求来选择相应的学习资源,以此来弥补传统课堂教学存在的不足之处[25,26].

  与此同时,老师可以根据大数据统计来分析学生的学习兴趣与知识短板,在课堂上进行补充,适当修改授课内容,大大提高教学针对性。再如慕课、"微课"等网络在线课程的兴起,也使解剖课堂有了向更多方向延伸的可能。学生可以利用课余时间选择性地学习自己感兴趣的内容,充分发挥能动性,对课堂所授的重点知识进行额外的补充与拓展,既可以探索人体结构的秘密、提高对人体解剖知识的学习兴趣,又可以拓宽自己的视野,学习到一些课堂中不会提及的"冷知识".

  Emily等[27]在研究中发现,相对普通课程来说,在线微课通常更短小简洁,并且能够暂停、倒带、快进和重新观看,这种短周期、快节奏、自主性强的学习可以有效维持学生的学习兴趣。碎片化的学习方式能够将解剖课堂渗透于学生的生活当中,这对于学生学术视野的拓宽、创新思维的培养大有裨益。陕西中医药大学的任文婷等[28]将"微课"用于心脏解剖实验的翻转课堂,主要包括了3个阶段,即课前微课资源的构建及学生自学、课堂操作讨论知识内化、课后总结巩固记忆,利用"微课"进行翻转课堂,使学生在课堂中的角色由被动接受转为主动探索, 也提高了学生学习的主动性。

  医学人体解剖教学的"微课"选题要精准,设计要创新,主要应用于重点、难点教学内容,一节课针对某一个知识点,在一定程度上解决了重难点授课时间与学生接受程度难以很好平衡的问题,胡裕龙[29]利用系统解剖学"微课"进行实验教学后,学生普遍反映将此类课程用于重点、难点内容的课堂教学,具有点睛、激发学习兴趣的作用;用于课后有利于个性化学习,不受时间和空间的限制,教师普遍反映进行课程制作、"微课"教学,自身的教学技能与知识修养都得到了不断提高。

  3.4 解剖结构三维立体应用软件--以3D Body为例

  3D Body解剖教学软件是数字化人体解剖结构三维可视化应用软件的一种,它具有可视化和易操作等优点,提供了结构的文字注释、肌肉起止点与动作动画、断层解剖学等信息[30].该软件可在电脑、手机等电子设备中安装,学生通过操作可选择性观察各器官的形态、内部结构及器官间的相对位置,并且可以做任意角度的旋转、缩放,从各个角度进行观察,不同系统中的人体结构可以任意拆解和组装复原。3D Body中还有解剖名词的中英文对照,有助于双语教学,促进学生对专业英语的学习与掌握。其免费版手机教学软件的出现使解剖教学在智能手机上实现成为现实。

  长沙医学院在解剖实验室安装了3D Body8.0系统,应用于系统解剖学的教学,以此软件为基础改革实验课教学,通过对2016级医学影像学专业学生考试成绩的全面分析,《系统解剖学》学生成绩较往届同专业学生成绩有显著提高,在整体上提高了学生的学习兴趣、动手能力和科学思维能力[30].商留珂等[31]的研究结果显示,将3D Body软件与传统教学结合起来,对学生解剖学习帮助较大,学生期末成绩、各器官解剖结构名称填写正确率都高于采用传统多媒体授课的学生,这说明3D Body软件辅助教学与传统教学相比,能够激发学生学习兴趣,增强学生主动学习的能力,提升解剖教学效果。

  利用解剖结构三维可视化应用软件进行教学时,教师可以根据课程需要选取人体结构,由系统生成授课课件,这为教师备课和个性化教学提供了极大的便利。而结合软件进行学习则有利于学生把握人体结构局部与整体之间关系,通过自主查看感兴趣的图像,进行针对性学习,培养学生自主学习的习惯和科学思维能力。3D Body以其灵活性、便利性受到了医学生的广泛认可,成为了学生解剖学习的重要工具,打开手机即可观察到人体的每一块骨骼、每一条韧带,几乎能满足学生学习的全部需要。教师利用该软件进行备课、授课,学生借助该软件进行课后复习,可有效提高学习的效率,解决学生学习中的困难。

  3D Body教学软件作为一种有效载体,能够在解剖学教学中发挥显著作用,但如何将其与教学过程有机结合,提高有效利用率,与传统教学模式取长补短,仍需在今后的教学中不断探索和改进,以期达到教和学的双赢,使网络资源更好地为医学教育服务[31].

  3.5 三维可视化教学系统--数字人解剖教学系统

  "数字解剖"研究最早可追溯到20世纪80年代末美国国立图书馆发起的可视人计划(visible human project,VHP),随后可视人、虚拟人、数字人等成果在诸多国家问世,2001年这些研究被综合概括为"数字人计划"[32].我国数字人解剖教学系统选取了原第三军医大学的人体断面解剖学课题组的真实人体断层数据,男、女两套完整人体断层图像数据:男性2 110层,精度0.1~1.0 mm;女性3 640层,精度0.1~0.5 mm,该系统结构完整、精准,经过多所高校验证,是目前唯一以完整中国人断层为重建依据的数字人解剖教学产品[33]."数字人"虚拟解剖教学系统,不仅可以从局部解剖学模块进入由浅入深地逐层观察局部解剖结构特点,也可以针对局部的单一结构深入分析。例如,颈部浅筋膜、深筋膜、肌层、脊柱颈段、韧带、椎管等结构均能直观的呈现,从而帮助学生对颈部形成立体化印象[34].教师可以在讲授系统解剖学某一内容后无缝转接到局部解剖学或断层解剖学的内容;在断层教学场景中,屏幕可同时显示3个断面的图像,讲解更加方便;在局部解剖学教学模块中,有逐层剥离功能,可根据场景教学内容和模型空间关系进行逐层剥离或添加[35].

  目前国内许多学校都引进了数字人解剖教学系统来完成人体解剖的教学。山西医科大学刘雪芹等[36]在局部解剖学实验课程当中应用了数字人模型,就应用效果来看,此教学方法能够提高实验课的效率,减少因学生盲目操作造成的尸体浪费,大大增加了尸体的利用率,同时还能提高学生的成就感。上海健康医学院基础医学院引进数字人交互解剖触控教学系统,搭建了先进的高清数字解剖平台,完成了对正常人体解剖实验课程的改革,利用"数字人"进行实验,通过自控式和体验式的教学模式,大大激发了学生学习兴趣与积极性[37].吴学平等[38]研究了数字人解剖系统在目标教学中的重要作用,发现这种教学方法不仅使学生从以往的被迫灌输知识中解脱出来,也使教师和学生有了共同目标给予学生广阔的自由活动天地,有助于学生创造力的开发。

  "数字人"的三维视图可以使人体的复杂结构直观化、抽象结构具体化,使学生从原来的被动接收教师传授的知识变为主动探索人体结构的奥秘,学习角色从聆听者转变为参与者。数字人解剖系统的应用在促进学生主动思考、个性化学习的同时,完成对知识的理解记忆,可以加深学生对人体结构的认知,培养其初步临床思维能力和创新精神,让学生充分发挥主观能动性,以达到良好的教学效果。

  3.6 三维可视化技术在医学人体解剖教学中的探索

  三维可视化技术是近年来医学领域广泛应用的新兴技术,它能够通过计算机的特殊算法将医学图像重组成三维立体化模型,并可实现全视角、透明化观察,把人体结构清晰准确地呈现出来。将三维可视化技术引入教学,是计算机技术与教学的深度结合。三维可视化技术将医学图像重建成易于人眼直接观察的三维全视角立体图形,目前已在临床中广泛应用。

  国外已有学者展开三维可视化技术应用于解剖教学的研究,美国学者Maureen E.Estevez在教学中应用了一种新的三维人体神经解剖学教学工具;Facebook旗下的Oculus Rift曾在澳大利亚上线过一款沉浸式3D解剖应用。在医学教育中,欧美国家医学前沿教育的教学思路是在基础理论课程中穿插临床实践,达到早临床的目的,并已将理论知识的教学时长缩短到两个学年。而在国内,将三维可视化技术引入教学还鲜有院校进行尝试。将三维可视化技术引入人体解剖学的教学,有可能打破传统教学的超长战线,改变系统解剖学、局部解剖学、断层解剖学三步走的模式,将三种解剖学课程分系统进行融合教学,可能是未来医学人体解剖教学改革的发展方向。

  综上所述,我国医学人体解剖学的教学改革已逐步与国际接轨,不仅在传统教学模式上做出了改变,还引进了多种新型人体解剖教学工具,适应了"互联网+"时代下日新月异的教育环境,提高了教学质量与学生的学习兴趣。随着三维可视化等数字技术的持续发展更新,相信不久的将来,在新技术、新工具的支持下,有望将系统解剖学、断层解剖学、局部解剖学等课程结合教学,优化课程体系,实现教学周期的缩短,真正减轻学生的学习负担,解决人体解剖系列课程教学间隔过长带来的知识遗忘问题,进一步提升教学效率。

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