增强现实技术结合翻转课堂在骨科教学中的应用

邹俊 于浩

[摘要] 骨科学是一门以解剖学和生理学为基础的临床学科，涉及影像学、生物力学等多门学科，具有极强的专业性。由于学科交叉较多、知识概念抽象，骨科教学实践存在一定难度。为了满足现代社会对高素质医学人才的迫切需求，医学教育改革的呼声日益高涨，寻求能够提高骨科教学质量的有效方法引起了许多医学教育者的关注。近几年来，翻转课堂教学模式成为医学教育改革的熱点，增强现实技术也逐渐被应用于课堂教学。文章根据骨科学教学内容，设计和实施了以Complete Anatomy软件为平台的增强现实技术辅助翻转课堂教学方法，并总结了该方法在教育实践过程中存在的优势和问题。

[关键词] 骨科教学;教育改革;医学教育;翻转课堂;增强现实技术

[中图分类号] G642          [文献标识码] A          [文章编号] 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

传统骨科教学往往采用课堂讲授的形式，即授课教师通过理论讲解使学生掌握骨科知识。这种教学模式由于形式单一、内容繁多且时间有限，难于为学生提供充足的课堂时间去深入剖析问题，导致学生对知识的掌握只能浮于表面，课下仍需要花费大量的时间重新学习，宝贵的课堂时间不能发挥最大效益。此外，传统课堂上的信息主要来源于授课教师，学生的表达时间较少，一方面使学习内容受限于教师的认知范围，另一方面也减少了学生交流讨论的机会，不利于医学生拓展思维和语言表达能力的培养。国内已有将翻转课堂教学模式应用于医学教学的先例[1-3]，这种教学模式虽然在提高学生综合素质上取得了一定成效，但在骨科学的课下自学环节中，存在学生难以理解课本知识，导致学习兴趣降低、丧失学习动力的问题。随着信息技术的快速发展，解剖学教育数字产品逐渐进入市场，增强现实（augmented reality，AR）技术的支持进一步提高了虚拟解剖模型的真实性和交互性[4]。因此，本研究尝试将AR技术和翻转课堂教学模式联合应用于骨科教学，探究新型教学方法在骨科教学活动中应用的可行性，并将其作为提高医学生综合素质的有效途径。

1 AR技术和翻转课堂的背景和理论知识

1.1 AR技术

1990年，波音公司的研究员Thomas Caudell最早提出了AR这一概念[5]。该技术利用特定的3D软件，将计算机程序中的虚拟世界图像与现实世界场景联系起来，完成两个世界在同一时空的相互叠加[6]。当计算机设备采集真实场景信息时，AR软件分析识别场景中的特殊标记或进行位置信息计算，而后将虚拟图像和现实场景在电子显示器上叠加显示。用户可通过相应的设备与叠加显示的图像进行实时交互，最终实现对虚拟图像的增强显示。尽管从整体发展进程来看，AR技术尚处于起步阶段，但其发展势头十分迅猛，已被广泛应用于多种领域，如工业设计[7]、商品展示[8]、教学模型[9]等。

Complete Anatomy软件是目前世界上主流的解剖软件之一，迄今已被300多所大学用于医学教育[10]。该软件由3D 4Medical公司于2016年开发，能够在Windows 10、macOS、平板电脑和手机等多种平台运行。软件以真实人体骨骼为参照，将人体分为12个系统，采用高质量贴图完整而精细地模拟了解剖结构和毗邻关系，并对所有结构进行了相应的文字描述。软件提供了多种工具，允许用户进行涂鸦笔记、多层面切割、模拟骨折和添加骨赘等交互操作。该软件内置的教学讲座和视频不仅生动地再现了心脏跳动、血液供应、肌肉牵拉骨骼运动等生理活动，还介绍了包括骨科、康复科、眼科、牙科等领域的疾病信息。2017年，该软件开发了AR功能，可将一个大小可调的立体解剖模型投影到现实平面上，且支持AR模式下分离解剖结构，实现对解剖结构的全角度观察。考虑Complete Anatomy对骨科解剖结构的精密还原和以上诸多优势，本教学活动采用Complete Anatomy作为辅助教学软件。

1.2 翻转课堂

一直以来，高等院校都在革新教学观念，努力推动从“以教为主”向“以学为主”的教育模式转变[11]。寻找有效方案促使学生主动学习是教学改革中的重点环节，针对这一问题，有学者建议采用一种颠覆传统的教学模式——翻转课堂[12-13]。该模式將传统课堂活动与课下活动进行对换，使学生在课堂开始前通过调研资料、观看视频等方式自主完成学习。课堂的大部分时间不再由老师占用，而是交给学生用来展示和讨论学习成果。通过这种方式，授课教师有更多机会对学生的学习情况提供在线指导，并且可以采用多项指标对学生进行评价考核。

医学不仅是一门研究人体生理结构和疾病诊断治疗的自然学科，还是一门涉及道德伦理、医患沟通和团队合作的人文社会科学。我国医学教育长期存在“重技术、轻人文”的弊端，且医学生生活环境相对封闭，缺乏与非医学专业学生的交流，容易导致医学生知识结构单一，人文精神匮乏[14-15]。当医学生步入临床工作阶段，由于缺乏人际交往技巧和团队互助能力，难以顺利的完成临床任务，使临床工作的进行受到阻碍。翻转课堂鼓励学生在展示成果和相互学习的过程中及时认识到自身的不足之处，在实践锻炼中克服弱点，成长为符合新时代需求的全面型医学人才。

2 AR结合翻转课堂教学环节

AR技术结合翻转课堂教学模式的活动环节设计如下。①课前准备阶段。授课教师根据教学内容，结合实际病例设计出具有真实性和典型性的病例，每个病例中需包含相关问题，确保每组问题数量和难度相当，并为学生提供相关的学习资料和充足的准备时间。另外，授课教师还需设计随堂测验试卷，内容涵盖本次教学活动涉及的所有病例。②自主学习阶段。学员自由组队，选择一组感兴趣的病例，在课余时间对病例相关知识进行调研、讨论和资料总结，小组之间可自由分享和交流调研结果。建议学员对照课本知识和影像资料，使用Complete Anatomy软件的AR功能观察病变部位的解剖特点，利用切割、骨折、疼痛等工具模拟疾病发生发展的过程，提出可行的疾病治疗方案。③随堂测验阶段。课堂开始时，授课教师占用5 min，以事先准备好的试卷对全体学员进行考核，由授课教师在课后打分，作为部分考核成绩。④展示交流阶段。课堂上，学员根据课前调研结果，以组为单位通过PPT进行成果展示，其他小组提出问题，相互补充回答。对于学员不能解答的问题，授课教师利用Complete Anatomy软件对病变部位进行解剖演示，将抽象的骨科知识与直观的解剖图像相结合，帮助学员理解问题、加深印象。⑤总结评价阶段。课堂展示从病例分析、知识介绍、内容深度、展示效果、回答问题情况等方面进行评价，由授课教师和全体学员共同打分完成。最终，每名学员的成绩根据课堂小测验、各自的学习报告、所在小组的课堂展示进行综合评定。

该教学环节以翻转课堂教学模式为基础，鼓励学员围绕课前提出的问题进行自主调研学习，使课堂不再是授课教师的独角戏，教师能够作为监督者和信息补充者参与学习过程。课前学习阶段，学员以小组的形式对授课教师提供的病例资料和重点问题进行调研，将个人所得信息进行归纳总结后进行初步交流讨论。为了帮助学员对骨科解剖结构形成直观的认识，教学活动创新性地引入了以Complete Anatomy软件为平台的AR技术，减少调研文献过程的枯燥乏味，增加学习的趣味性。授课教师帮助学员制订合理的调研计划，对学员自主学习过程中产生的困惑及时解答并予以启发。展示交流阶段，学员利用PPT和AR将所学知识传授给全班同学，小组间互相提问回答，进一步深入理解所学内容的同时挖掘更多值得探讨的问题。对于学员展示过程中存在的漏洞和难以解决的问题，授课教师进行统一回答，并借助AR技术实现精确部位的解剖讲解和病变治疗模拟。

3 AR技术结合翻转课堂应用于骨外科教学的可行性分析

3.1 AR技术结合翻转课堂的优势

自主学习阶段，学员拥有充足的时间为课堂展示做准备，在此环节，学员通过自身努力来搜集资料、归纳信息、理解概念、构建知识体系，这些技能的培养对研究生来说是尤为重要的[16]。另一方面，学员们在课前也有自由的时间进行沟通，交流各自的学习成果和感想，增加学员的人际交往能力。此外，学员可根据自身能力制订合理的学习计划，并根据需要及时复习功课，从而避免传统课堂上一部分学员对教学内容不堪重负，而另一部分同学已经不胜其烦的现象。

课堂展示前进行随堂测验，这一环节保证了学员在自学过程中不局限于自己负责解答的问题，对教学内容均需要进行初步的了解，同时也起到了敦促学员间交流不同学习成果的作用[17]。课堂的大部分时间用于成果展示，鼓励学员积极参与课堂活动，将学习到的知识灵活运用于病例分析，展现分析思路，这对于帮助医学生实现从理论知识到实际应用的过渡非常重要。现场提问不仅考验了学员对知识的理解程度，对学员的语言表达能力和举一反三能力也是一种锻炼。通过全程观察学员的表现，授课教师可以全面了解班级全体学员在多种能力上的差距，以便在后续教学活动中调整教学方法。

传统骨科理论教学方法包括阅读书籍、观看视频和观察模型等[18-19]。由于骨科疾病涉及解剖部位繁多、解剖结构复杂，传统教学方法往往抽象而使学生难以理解。例如，一些教师在课堂上为学员播放实际手术操作视频，期望以这种方式加深学员们对所学知识的印象。然而，由于部分视频缺少对手术相关解剖结构的描述，或视频内容与课本知识不统一，导致学员对视频学习的兴趣降低[20-22]。尽管有学者提出将3D打印应用于骨科教学，但不能完整显露目标部位的周围器官结构[23]。将Complete Anatomy等具有AR功能的解剖软件引入骨科教学，一方面其具备形象、直观的三维立体图形显示，帮助学生从不同角度观察目标及周围解剖结构;另一方面其具备使用成本低、操作简单、多平台运行等优势，允许学生随时随地进行学习、复习。更重要的是，Complete Anatomy软件还提供了笔记、切割、骨折、骨赘等多种功能，以及讲座、模型、视频等多种学习资料，便于学生探索解剖结构的生理功能。在大部分学员提交的学习报告中，都表示AR功能够将立体解剖图像融入于真实场景，且能够将解剖细节放大展示，这种新颖的学习工具极为有效地激发了学员们的学习热情。利用AR技术模拟手术具有易于分辨组织结构的优势，学员也可亲自进行操作，增加学员对骨科学知识的直观理解，为以后的实际临床操作奠定坚实的基础。

除AR技术外，目前应用于医学教育的图形可视化技术还包括虚拟现实技术（virtual reality，VR）[24]、混合现实技术（mixed reality，MR）[25]与全息投影技术（holographic projection，HP）[26]。与AR技术比较，以上技术同样能够全方位地展现解剖结构，且MR技术与HP技术可将虚拟图像与解剖实体进行融合，使其带来的真实体验优于AR技术。然而，这些技术的使用成本较高，即必须在特定设备的支持下使用，如VR眼镜、MR眼镜和全息投影仪等。另外，MR技术和HP技术并未得到主流解剖软件的支持，虚拟模型的构建往往依赖于志愿者的影像学数据，模型精度和局部细节可能劣于现有的解剖软件;另外，这些技术的虚拟解剖操作功能也不如Complete Anatomy软件成熟，难以生动地模拟病理变化和手术操作。调查显示，部分使用者在长时间佩戴VR眼镜后出现了头晕、恶心等不适症状[27]，一旦该现象发生，则会严重降低学员的课堂学习效率，使教学质量大打折扣。为避免以上问题，本教学活动采用的AR技术能够将3D图像呈现于普通显示器和手机屏幕上，一方面节约了购买特殊设备的教学成本，另一方面避免了佩戴3D成像眼镜带来的不适感，而且软件学习成本较低、方便每名学员随时使用，更符合本教学活动的自主学习理念。

3.2 AR技术结合翻转课堂的不足

在翻转课堂的教学模式下，少数学员由于自身不能明确学习目标，学习计划不能及时完成，最终导致学习效果差强人意。对于这部分同学，授课教师应当定期帮助其调整学习计划，提出建设性的意见和建议，避免学员在调研方向上误入歧途。另外，学员性格差异导致参与课堂讨论的积极性不同，参与交流互动较少的学员不能及时地在课堂上解决自己的疑惑，而积极提问的学员则有更多机会解开学习过程中遇到的谜题。长此以往，不仅会加重班级学习情况两极分化的局势，还会使原本内向的学员产生厌学和逃避心理。因此，授课教师应鼓励同学加强与其他学员之间的沟通，并设置小组内成员分工调研制度，促使学员将自己的学习成果和疑问与小组成员进行交流解答。

对于Complete Anatomy解剖软件，有少部分同学反映该软件缺乏中文说明。由于解剖学专业名词较多，英语基础较差的同学在初期使用中存在一定困难，但配合翻译软件和医学辞典等工具，该软件对学习效果并无明显影响，还在一定程度上帮助学员们提高了医学英语水平。Complete Anatomy软件中的一些功能需要付费使用，教学团队应为学员提供可用的学习账户或补助，以减轻学员的经济负担。在设备技术方面，本教学活动通过手机、iPad等电子屏幕来显示解剖结构与现实场景相融合的画面，虽然真实度相较于传统书籍有明显提高，但与VR和HP技术比较，仍然有提升的空间。未来图形可视化技术的发展和解剖软件的更新，必然会带来更加生动逼真的显示方法，实现触温感觉、多人实时交互等新功能。

4 结语

AR技术应用于翻转课堂是将现代信息技术与创新医学人才培养模式相融合的一种新型教学方法。在骨科教学中采用该教学方法能够使学员充分的发挥主观能动性，自主制订学习计划，调整学习进度，运用各种手段进行资料搜集和总结。AR技术为学员带来了耳目一新的学习体验，不仅吸引了学员们的学习兴趣，也帮助学员从具体化的图像中理解抽象的知识。同时，学员相互展示和学习，在活跃的课堂氛围中提高学员的表达沟通能力。综上所述，AR技术结合翻转课堂在骨科教学中的应用可培养学员的综合素质，提高骨科教学质量。尽管这种新型教学方法在实施过程中还存在一些挑战，但经过深入的研究和改进，今后可能发展成为一种主流的教学模式。

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（收稿日期：2020-02-21）