非交互式虚拟现实用于康复动作的教学效果

张宏 闫瑾 孙昕 崔立军 李啸扬 谢青 牛传欣*

（1.上海交通大学医学院附属瑞金医院康复医学科，上海 200025；2.上海交通大学医学院康复医学系，上海 200025；3.上海市瑞金康复医院康复医学科，上海 200025）

运动疗法是康复教学的重要内容，其教学难点在于动作要点不易形成直观感受，原因是患者在徒手或持械状态下运动，肢体姿势和肌肉发力都随时间而发生变化。在目前的康复课堂教学中，为本科生讲授运动疗法时仍以图片文字为主要媒介，只能承载静态内容，无法展现肢体运动细节，影响学生临床实习的效率［1］。非交互式虚拟现实（Non-Interactive Virtual Reality，NIVR）技术是利用计算机建立人体和康复环境的三维动画，借助于鼠标、头显、摇杆等设备获取期望的视角和动线，然后将录制好的三维动画作为教学内容播放给学生。该技术可保证多人同堂学习同一套材料，因此NIVR可以无缝接入现有康复医学的课堂教学［2］。

为达到利用NIVR提升康复教学效率的目的，我们提出并建立了一套利用Blender开源软件进行教学内容定制开发的方法。Blender是一款开源的跨平台三维动画制作软件，在国际学术界和开源社区广受好评，国内有高校利用该技术搭建大学生虚拟实验室［3，4］。Blender的突出优势是以一套小巧的软件包，提供了NIVR所需的几乎所有内容制作功能，而且可以通过Python编程接口与头显、摇杆等人机交互设备协同工作［5］。本研究首先展示了基于Blender制作NIVR的3个案例，并通过实验观察了该方法是否能够提升康复运动疗法的教学效果。

1 方法与对象

1.1 教材制作方法

康复动作选择方面，由两位中级以上职称且具有带教资格的物理治疗师选取3项上肢训练动作：墙角后压、棍棒外旋及上肢前推。这3项康复动作是指导患者训练时常用的基础动作。墙角后压为徒手完成，棍棒外旋是持械完成，上肢前推可以利用康复机器人完成。这3个动作虽然看似简单易懂，但在临床实习带教过程中，却经常有学生对动作细节理解错误或不到位。

图文教材的制作方面，课题组分别编写3项上肢训练动作的说明，并参考教材或公开发表文献，制作能形象展示该动作的插图。每个动作的说明文字字数控制在100字以内。墙角后压、棍棒外旋的文字说明参考繁体中文版《运动治疗学》［6］并针对台湾与大陆的用语习惯进行了术语校正；上肢前推的文字说明参考课题组已发表的临床研究［7］。

NIVR动画的制作方面，首先使用Blender软件创建人物、器械和环境的三维模型，然后完成人物和器械（包括棍棒、Fourier ArmMotus M2Pro型康复机器人）的绑骨，摆放好人物的关键姿势。同时调整摄像机位置，以呈现利于观看者学习的角度。NIVR动画渲染成功后，通过剪辑软件加入与图文资料统一的文字说明。图文资料和NIVR动画见图1。

图1 传统图文资料（左）和Blender非交互式虚拟现实动画屏幕截图（右）

1.2 研究对象

2022年6月—2022年7月，招募在上海交通大学医学院附属瑞金医院实习的24名本科生，按随机数字表法分为两组。研究组12人，其中男生9人，女生3人，平均年龄（22.71±1.45）岁。对照组12人，其中男生5人，女生7人，平均年龄（22.64±0.89）岁。所有参与学生均对本研究知情同意。经过χ2检验，对照组和研究组两组间性别和组别之间差异无统计学意义（P＞0.05）。经过Shapiro-Wilk正态性检验和Levene方差齐性检验，得出两组年龄数据满足正态分布和方差齐性假设，使用独立样本t检验比较得出，研究组和对照组在年龄上差异无统计学意义（t＝0.34，P＞0.05）。

1.3 教学与评价方法

教学过程中，研究组以NIVR动画为教材，对照组以传统图文资料为教材，分别在1h之内自学3个上肢训练动作。自学完成后，两组均需回答9道考试题，内容涵盖运动的关节角度、发力方式、相关肌肉。考题回答完成后，两组的所有学生都会被展示NIVR动画和图文资料两套教材，并被要求通读后填写包含12个问题的调查问卷。实验流程见图2。

图2 实验流程图

1.4 统计分析

考试考核共包含9道题目。对两组标准化试题成绩数据集进行Shapiro-Wilk正态性检验，证明了数据集满足正态分布［8］。采用t检验和逻辑回归探究研究组和对照组两组间标准化试题的平均成绩有无显著性差异。NIVR调查问卷共包含2项性别统计、对NIVR的了解程度统计以及10项问题，要求学生从“非常认同（2分）”“认同（1分）”“一般（0分）”“不认同（-1分）”“很不认同（-2分）”中选择答案。采用双因素方差分析探究组别和题目对于NIVR调查结果是否有影响。P＜0.05则认为差异具有显著性。统计分析应用4.1.2版R软件完成。

2 结果

2.1 考试考核

t检验显示，两组间标准化试题成绩无显著性差异（P＞0.05），研究组的平均成绩为（10.17±2.91）分，对照组的平均成绩为（9.5±2.5）分。见表1。考试题中有一个问题是“前推动作中有哪些肌肉参与”，逻辑回归显示对于该问题，研究组成绩高于对照组，两组比较差异有统计学意义（β1＝0.14，SE＝0.06，t＝2.16，P＜0.05）。其OR值为1.15，表示研究组回答该题正确的事件发生概率比对照组高1.15倍。

表1 两组考试考核成绩比较（，分）

表1 两组考试考核成绩比较（，分）

2.2 问卷调查

共发出并回收问卷24份，由频率分布热度图（图3、图4）和教学情况问卷调查结果（表2、表3）可见，两组学生均对于NIVR用于康复教学的认可程度较好。我们首先研究的问题是组别和问题对卷面总分是否有影响。采用双因素方差分析，自变量为组别、问题、组别和问题的交互作用，因变量为总分，为计量资料。结果显示，组别对总分有显著影响（F1，220＝11.61，P＜0.05），而问题与组别和问题的交互作用对分数影响不显著。交互作用情况如图5所示。可见对照组对NIVR的评分比研究组更高，表示使用图文资料的对照组在得知有NIVR动画后，更加认可这种新型的教学方式。我们还对教学情况问卷调查得分计量资料进行独立样本t检验，发现对照组在回答“我很满意NIVR教学方式”时，得分高于研究组，差异有统计学意义（t18.68＝2.55，P＜0.05）。见表4。

表2 研究组教学情况问卷调查结果［n（%）］

表3 对照组教学情况问卷调查结果［n（%）］

表4 教学情况问卷调查得分独立样本t检验结果表

图3 研究组调查问卷热度图

图4 对照组调查问卷热度图

图5 分组与问题分数的交互作用图

3 讨论

3.1 结果回顾

我们的研究表明，与传统教学工具相比，NIVR教学给学生带来更好的运动疗法学习效果，优势主要体现在观察肌肉参与运动的表现更直观、教学方式被更加认可。这与既往虚拟现实训练系统用于康复教学的研究结果相似［9，10］。表明NIVR可以作为康复运动疗法教学的补充。康复医学的实践性强，学生在老师的指导下操作才能取得较好的教学效果。但大学生获取知识最主要的途径还是课堂教学和自学，教学媒介仍以文字和图片为主［11］。图文资料只能承载静态内容，无法展现运动疗法中的肢体运动细节，难以让学生在进入临床前对训练动作形成准确理解。所以，开发更直观、表现力更强的康复医学教学方法，突破图片文字的局限，解除学生对康复动作的陌生感，才能培养出知识扎实、技术过硬的实用型康复人才［12］。

本研究所涉及的NIVR技术的核心是通过计算机生成的三维虚拟环境来提供一种非真实的、被动式的用户体验［13］。在制作NIVR三维动画时，可以集成建模、动画等技术，构造出视觉逼真的环境［14，15］。动画中还可以变换视角，使观看者得以观察到事物全貌［16］。NIVR的应用范围广泛，国外已经出现NIVR用于辅助康复的案例［17，18］。相比于其他虚拟现实技术，NIVR更加简单易用，手机和普通电脑即可访问，不易产生头晕、恶心、视觉疲劳等不适感［19］，因此较适合康复课堂教学。

我们在NIVR动画制作软件的选择上，刻意避开了大型商业软件而选取了开源的Blender软件。Blender具有人体建模、人体绑骨、动作摆位等适合康复示教的功能［20］。在上海交大医学院康复医学系的本科教学中发现，Blender可以用于康复教材制作、辅具设计等任务。

3.2 局限

有研究指出NIVR教学方式与二维视频教学方式相比，可以提高知识测试成绩［21］；本研究中两组总体成绩并没有明显差异，但NIVR组在掌握康复动作的相关肌肉方面优于对照组。本研究样本数量较小，有待在更大规模的实验中继续研究。

NIVR在康复教学中的应用也仍需突破一些瓶颈，包括教学人员中掌握NIVR动画制作技能的比例仍偏低、专业理论资料缺乏、对教师的英语和计算机素质要求较高等［22］。

3.3 小结

本研究结果初步显示，在传统康复教学方法的基础上引入NIVR教学方式，提高了学生的学习满意度，有助于学生更好地理解康复动作所涉及的肌肉和动态细节，从而掌握康复动作要领。