基于“数字人”功能拓展化在系统解剖学实验教学中的应用

计胜峰 马延兵 董炜疆 许杰华 韩 华 张峰昌 周劲松

（西安交通大学医学部基础医学院人体解剖与组织胚胎学系，西安 710061）

人体解剖学是最为重要的医学基础课程之一。在系统解剖学实验教学中，实验知识讲授多采用多媒体教学方法。随着科技的发展，解剖学教学方法和手段也在不断更新，尤其是近年来，数字化的广泛应用，形成了数字人体解剖[1]。但据调查，国内大部分师生在“数字人”的使用主要集中在三维结构显示、切割分离、随意旋转、放大缩小等功能的操作，教学模式过于单一。因此，结合解剖学实验室原有设施以及其他教学手段，“数字人”在适应多种教学环境及创新性教学理念的模式下，还有很大的拓展空间。将“数字人”与传统多媒体教学设施结合，充分激活现有教学设施的关联性，避免教学资源的闲置，并基于自身硬件进行软件应用的功能拓展，从而对其利用率的提升具有一定的推广价值，且这方面的功能拓展还未见应用于解剖实验教学的相关研究。通过拓展，首先实现了“数字人”与教师端电脑、显示屏、投影仪、音响设备、播控设备的双向互动控制。第二在“数字人”系统中内嵌虚拟现实软件，将其自带的三维解剖标本通过VR设备实现虚拟现实的交互式操作。第三利用“数字人”中丰富的数字化图库资源，将其与解剖标本考试相结合，从而实现数字化标本考试的功能。通过上述功能的拓展，实现“数字人”与传统解剖学教学有机结合，从而取长补短，激发学生学习兴趣，提高教学质量，并在实践中探索系统解剖学实验教学全新的教学手段及可行性的教学模式。

1 “数字人”功能拓展化的构建

1.1 与传统多媒体设备的结合

在解剖学实验教学中，教师针对教学内容会选择使用传统多媒体设备进行PPT演示、视频资料播放、局域网资料共享等功能，但同时也需要使用“数字人”形象直观的讲解人体三维结构，这样在操作上多有不便，学生在接受知识的过程上也感受繁琐，从而影响学习主动性，导致教学效果不佳[2]。因此使用HDMI分配器和HDMI线将传统多媒体设备中的电脑主机、投影仪与“数字人”互联，实现视屏同步功能，其次使用USB公对公线连接电脑主机与“数字人”，实现操控及反向控制功能，并为教师配备指环鼠标，实现实验室中任意位置对设备的操控。

1.2 增配虚拟现实系统

在“数字人”系统内选配安装虚拟现实系统的后台程序，将其中的解剖学资料进行虚拟现实的三维展示，使学生在学习过程中，可在三维空间平面上随意控制虚拟解剖标本的放大、缩小、旋转、翻转、剥离等功能，从而增强学生对解剖学标本学习的主观能动性，以利于知识点的记忆和抽象概念的理解，从而提升教学效果。教师在授课过程中可佩戴VR头显，通过专用操控笔来进行交互式操作，实现多角度的随意控制，全方位观察人体解剖结构，并可通过数字化控制软件进行虚拟剥离，以单独或组合的方式展示某一解剖学器官，或进入脏器内部及血管周围进行观察，从而在不同视角下获得沉浸式虚拟现实体验。实验室内的学生可通过“数字人”大屏观察，并可与现实场景结合，达到虚拟仿真的学习目的。

1.3 数字解剖考试系统的嵌入

在系统解剖学教学过程中，实验考试是一个重要的环节，传统的考试方法多以实体标本为主，虽比较直观，但组织工作繁琐，选题局限，标本易损坏，需要多位教师配合，浪费标本资源和人力资源，并且考试因标本质量差别和指示的准确度不同，会造成难易度差异，影响考试客观性。利用“数字人”中的数字图库资源形成素材库，在其后台程序内嵌入数字解剖考试系统，教师可利用考试系统设计题型，编辑和制作考题，亦可自建习题一键上传，完全满足正式的系统解剖学实验考试的使用。

1.4 “数字人”功能拓展化的应用效果研究

1.4.1 研究对象 本研究选取西安交通大学2019级临床医学专业学生共120名，采用完全随机分组法分为对照组60名，实验组60名。其中对照组男生28人，女生32人，年龄18～22岁。实验组男生26人，女生34人，年龄18～22岁。2组授课教师，教学进度，教学内容均相同。2组一般资料比较差异无统计学意义（P＞0.05）。

1.4.2 方法 对照组在系统解剖学实验课期间依据教学内容使用V6.0Plus版“数字人”系统进行正常授课和学习。实验组在系统解剖学实验课期间依据教学内容使用功能拓展化后的V6.0Plus版“数字人”系统，授课时，教学课件在教师端电脑、投影仪、“数字人”同步呈现，教师可在教师端电脑操控“数字人”界面中的各类软件，也可在“数字人”端手动触摸操控电脑内教学资料、互联网软件及投影设备。在骨学、消化系统，呼吸系统、心血管系统、中枢神经系统等章节中利用“数字人”三维标本库资料，佩戴VR头显，实施虚拟现实教学方法。在测评环节，均使用数字化标本考试系统进行命题、考核、评分、成绩分析等教学工作。2组学生均在每章节内容结束后进行阶段测评，包括随堂检测、课堂提问、课后作业和考勤[3]。学期末由教学组统一出题进行实验考试（100分）和理论考试（100分），最终各占50%汇总成绩。为学生发放教学方式满意度调查问卷，调查内容为学习兴趣、知识接受度、课堂吸引力、自主学习能力四个方面，每项最高为25分，以不记名方式发放问卷，共发问卷120份，回收120份，回收率100%。最后，全部数据应用SPSS 21软件进行统计学分析，数值采用±s表示，数据进行单因素方差分析，组间比较采取LSD检验，P＜0.05时差异显著，具有统计学意义。

2 结果

通过在系统解剖学实验教学过程中阶段综合测评，结果显示（表1），实验组随堂检测、课堂提问和学生综合成绩均高于对照组，作业和考勤方面与对照组无显著性差异。通过期末测试（表2），实验组实验成绩、理论成绩及总成绩均明显高于对照组，及格率有一定的提升。教学满意度通过问卷调查显示（表3），实验组学生在学习兴趣、知识接受度、自主学习能力方面均显著高于对照组，在课堂吸引力方面与对照组无显著差异。

表1 阶段综合测评结果（±s）

表1 阶段综合测评结果（±s）

*P＜0.05 vs 对照组

组别 随堂测 提问 作业 考勤 综合成绩对照组 61.05±0.61 8.73±0.19 9.27±0.14 9.68±0.09 89.12±0.76实验组 63.25±0.66* 9.27±0.15* 9.23±0.13 9.70±0.11 91.48±0.73*

表2 期末测试结果（±s）

表2 期末测试结果（±s）

*P＜0.05 vs 对照组

组别 实验成绩 理论成绩 总成绩 及格率（%）对照组 87.27±1.17 70.15±2.19 78.93±1.51 93.3实验组 93.52±1.03* 76.18±2.01* 85.05±1.32* 96.7

表3 教学满意度调查结果（±s）

表3 教学满意度调查结果（±s）

*P＜0.05 vs 对照组

组别 学习兴趣 知识接受度 课堂吸引力 自主学习能力对照组 22.13±0.36 21.78±0.36 23.33±0.25 21.52±0.46实验组 23.72±0.31* 23.05±0.34* 23.92±0.27 22.88±0.34*

3 讨论

目前，“数字人”在系统解剖学实验教学中应用较为广泛，由于其信息量大，形象直观，迅速应用于众多医学院校的解剖学教学中，具有一定的优势。在我国众多医学类高校中，系统解剖学教学手段依据不同硬件设施是多元化的，因此将诸多类别的教学设施进行融合性建设，发挥各自优势，取长补短方能更好服务于教学[4]。通过改造，将“数字人”与传统多媒体设备进行互联结合，原有教学资源得到最大程度的应用，并且“数字人”在操控、屏显、网络资源获取方面也得到良好的拓展，功能上得到互补，最大程度优化了教学资源，方便了教师的教学过程，创新了教学手段，同时也提高了学生的学习质量[5]。但此项拓展建设因“数字人”与原有多媒体显示设备分辨率不同，开机时偶尔会出现黑屏现象，因此需依据分辨率由低到高的顺序开启设备。在“数字人”中增配虚拟现实系统后，“数字人”能够从全方位满足各种解剖学教学任务，师生可在虚拟环境中观察人体解剖标本的结构以及相关的解剖学资料，同时该系统的精灵系统、图形图像系统、拼图系统、练习系统模块，均可满足多种创新性教学模式的开展，以及专题培训、科普展示等需求。但受实验场地、空间及系统操作限制，此拓展不适合为人数过多班级授课，所需VR外接设备目前售价偏高，不一定能满足学生单人单机需求，需交替使用，从而延长了授课时间。在“数字人”中内嵌解剖学考试系统，该系统在“数字人”内可由教师自由设定试题组合形式、考试时间，客观题自动评卷，系统自动生成统计报告等，简单易用，安全稳定。此系统拓展，学生均可通过手机端答题，但教师如需留存教学资料，需配合纸质试卷使用，或课后对系统生成资料进行下载打印。通过以上对“数字人”功能拓展化的建设，最大程度发挥了解剖学实验室硬件设施的功能优势[6]。本研究结果显示，学生在解剖学实验课中的学习兴趣浓厚，自主学习能力和知识接受度得到显著提升，这是因为，进行功能拓展后的“数字人”教学设施可以更好满足教师多元化的教学手段，使教学过程做到游刃有余，学生在学习过程中能够提升辨识能力，轻松掌握标本的解剖结构，强化对解剖知识点的记忆，从而能够在随堂检测、实验和理论考试中均取得优良的成绩。在考勤和作业方面，2组均能良好完成，这与教学管理体制和纪律要求有客观必然联系。课堂吸引力方面2组无差异，这主要与学生对该门基础课程的重视，教师较强授课能力，且拓展化功能应用频次不够，操作过程暂时未熟练化有一定的关联。

综上所述，“数字人”功能拓展化建设是目前应用于系统解剖实验教学的一种全新构建，充分实现了解剖学实验室多元化教学的融合，避免了实验室教学资源的闲置浪费，丰富了师生教学环节中的交流互动，为教师的“教”和学生的“学”营造了更多的背景条件，这对于提升系统解剖学实验教学质量与教学效率，具有广泛的借鉴价值，此种教学模式亦值得推广。