沉浸式体验实践教学在口腔正畸生物力学实操训练中的应用与评价

闫凤杰 张丽媛

（内蒙古医科大学附属医院口腔科，呼和浩特 010050）

科学化、精细化的临床实践教学，重点在于诊断思路和临床经验的获得，是学生们在传统实践课中难以深刻理解掌握的，尤其像牙齿移动中生物力学的表达，比如：力学抽象概念与对应临床操作及牙移动表达效果，更让大部分医学生深感枯燥难懂。如何使临床实践教学更具有情境性和实操性，更加关注医学生对知识的迁移、操作的体验、方法的理解、经验的获得，是现阶段临床实践教学改革的重点任务。

1975 年，由Csikszentmihalyi 首次提出沉浸理论(flow theory)，解释当人们在进行某些日常活动时为何会完全投入情境当中，集中注意力，并且过滤掉所有不相关的知觉，进入一种沉浸式体验状态[1]。目前，虚拟技术已经被应用于口腔及其他医疗领域中，比如：虚拟手术、远程诊疗系统等。但是，由于学科专业差异及场地设备等因素限制，沉浸式体验在实践教学中尚未广泛开展，其应用于教学的有效性及效果分析评价也有待于教学实践的进一步检验。口腔正畸生物力学方面的虚拟实验系统建设及应用尚未见报道。本研究以“牙齿控根移动”这一口腔正畸生物力学的主题为例，通过对比研究，探索虚拟现实与实践教学深度融合后对学生学习牙齿控根移动的三大目标维度的影响，拟探索一条口腔正畸临床操作技能培训的新方法。

1 研究对象和方法

1.1 口腔正畸生物力学虚拟实验系统的开发

1.1.1 口腔正畸生物力学虚拟实验系统

系统开发分为前期准备、程序开发、测试3个阶段。

前期准备阶段主要完成系统设计、脚本编写和模型制备工作。模型制备中，通过CT 扫描，建立正常颌骨的三维模型，使用3D Max 软件对实验操作中用到的环境和材料器具进行建模，包括诊室、操作台、托槽、弓丝、正畸钳、橡皮链等。

程序开发工作在Unity3D 中完成，将上述模型导入，按脚本逻辑进行动画和交互制作。程序分内容导览、演示和交互操作3 个主要模块。内容导览中以教学目标为指导，用分层目录组织所有知识点；演示模块可按知识点回放制作好的演示动画和操作实录；交互操作模块学生可以用手柄进行交互操作。程序效果见图1-2。

图1 系统登录界面

图2 PC 端互动操作界面

系统测试阶段由学生进行实际操作，并针对反馈的问题，进行程序修改完善。

1.1.2 VR 交互设备

口腔正畸生物力学虚拟实验系统基于HTC VIVO 硬件设备，配合高性能PC 提供高质量的画面呈现和流畅交互体验。HTC VIVO 头盔可以提供六自由度的姿态判断，使学习者佩戴头盔可以在三维环境中自由观察。HTC VIVO 手柄可以实时获得手部的姿态和定位，以及抓取、释放等按键操作，以获得对模型精确的操作控制。

1.2 口腔正畸生物力学虚拟实验系统的应用

1.2.1 研究对象

随机选取内蒙古医科大学口腔医学院在校生40 人，所有学生视力或矫正视力正常，同时均没有接触过沉浸式虚拟体验学习，对比研究应用口腔正畸生物力学虚拟实验系统的教学效果并进行心流体验问卷调查。所有研究对象均被告知研究情况并同意参与研究。

1.2.2 研究方法与内容

自主开发口腔正畸生物力学虚拟实验系统后，随机选取未进入临床实习阶段的2018 级口腔医学专业本科生40 人，随机分为实验组和对照组，每组20 人，以“牙齿的控根移动”为专题开展实践教学，对照组先由教师讲授示教，然后让学生弯制弓丝，最后进行病例分析，时长为2 个学时。实验组先让学生在口腔正畸生物力学虚拟实验系统中沉浸式体验学习，通过手柄操作在口腔正畸牙列安放不同转矩的弓丝，并通过头盔显示器，在三维空间中，任意角度观察不同转矩的弓丝对牙齿产生的力学效应，借助空间线索标示进行深度学习。学习完毕后，进行弓丝弯制，然后进行同一病例分析，时长也为2 个学时。沉浸式学习过程见图3-4。

图3 学习者佩戴头盔

图4 VR 交互操作

所有研究对象都由同一组老师带教。实践教学2 周后对教学效果进行对比研究，采用同一试卷进行笔试+实操。考试内容涉及记忆、理解、应用3 个维度。考试以百分制计算，考试结束后由同一教师完成阅卷及成绩分析工作。

实践教学结束2 周后，对实验组样本20 人进行虚拟实验系统心流问卷调查分析，回收有效问卷20 份，有效率100%。问卷题目分为控制感、沉浸感、愉悦感、专注度4 大类，共20道题，每题描述一种体验效果，答案按是否同意分5 个级别，非常同意记5 分，非常不同意记1 分，问卷满分为100 分。用来判断实验组在使用虚拟现实系统进行学习的过程中，全身心投入其中的状态。

1.3 统计学分析

采用SPSS 19.0 统计软件对计量资料进行正态检验，检验水准α=0.05；得出数据以表示，采用独立样本t检验比较实验组与对照组，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 口腔正畸生物力学虚拟实验系统的应用效果分析

对实验组、对照组学生进行“牙齿控根移动”专题实践训练的记忆、理解、应用3 个维度测试，每个维度以百分制计算成绩，对比结果显示，实验组同学的测试成绩均高于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05），其中在知识应用维度的测试结果差异最为显著，见表1。

表1 对照组和实验组的测试数据与分析结果（分，）

表1 对照组和实验组的测试数据与分析结果（分，）

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2.2 心流体验

实践学习结束2 周后，对实验组进行心流体验问卷调查，问卷调查结果显示：口腔正畸生物力学虚拟实验系统学生全身心投入学习的心流体验良好，90%以上的同学都喜欢虚拟实验系统的真实体验，并且表示专注度明显优于传统实践教学，见表2-3。

表2 实验组心流体验问卷各维度得分情况（n=20）

表3 实验组心流体验问卷的结果统计（人）

3 讨论

3.1 口腔正畸生物力学虚拟实验系统的应用效果

当沉浸理论应用于教学中时，能充分利用学习者的感官和认知，营造氛围让学习者享受一种正向的、积极的心理体验，参与学习活动时获得很大的愉悦感，从而促使学习者反复进行同样的练习而不会厌倦。同时，沉浸式体验学习通过建立集成姿态传感器和视觉显示的虚拟交互环境，提供了模拟实际临床效果的可视化空间，使学生对抽象概念的理解、力学的感知以及操作训练形成内在逻辑联系，有助于学生获得理论知识、实践操作和临床效果相融合的最初体验[1]。

力相当于正畸医生手里的“药”，将不同转矩的弓丝放置于正畸牙列上，牙齿将分别做出怎样的力学反应？由于部分学生缺乏立体空间思维，对牙齿在三维方向的移动很难理解。本研究通过“牙齿控根移动”这一典型教学专题，通过对比研究发现，沉浸式实践教学的应用大大缓解了学生由于思维习惯和个体差异导致的学习困难，使学生对抽象生物力学的认知和体验在沉浸式实践操作后理解的深度及应用能力明显提高，说明沉浸式实践体验可以在短时间内让学生深刻理解抽象概念。这与Passig 的研究结果一致[2]。

同时，沉浸式实践操作体验既可以提高学生独立分析、解决问题的能力，又有利于学生对获取知识的理解与整合，学生通过沉浸在真实环境中反复练习，不断试错，在知识、技能和体验之间建立联系，最终适应复杂而多变的临床情况，找到有效解决问题的方法，进而又培养了学生的创新能力[3]。因此，沉浸式实践操作体验表现为以学生为中心，结合身临其境的学习体验，非常有利于帮助学生将理论知识、操作技能和临床体验建立起内在逻辑联系，有效提升了学生的综合能力。这与Schott 和Marshall的教学研究结果一致[4]。同样，Lau 和Lin 等也对这种沉浸式、探究式的学习体验进行了研究，结果也表明，在沉浸式实践教学体验中，学生的大部分时间用于创造性学习，对操作的敏感性、灵活性和创新性方面能力都得到明显提升。

3.2 口腔正畸生物力学虚拟实验系统的心流体验

心流是心理学中的一个重要概念，是一种积极的情感体验，是对用户深度需求的挖掘与认知，并使人能够全身心地投入某种活动中，以求达到一种挑战与技能的平衡，从而能够使用户产生情感体验的过程。心流体验的9 个特征，分别是：明确的活动目标、直接的即时反馈、个人技能与任务挑战之间平衡、行动与知觉相融合、专注于所做的事情、潜在的控制感、失去自我意识、时间感的丧失、自身有目的的体验。本课题以皮尔斯（Pearce J）等人开发的量表为基础，编制了心流体验调查问卷[5]，用来判断实验组在使用虚拟现实系统进行学习的过程中，全身心投入其中的状态，结果90%以上的同学都喜欢虚拟实验系统的真实体验，并且表示专注度明显优于传统实践教学。因此，使用沉浸式体验虚拟技术营造宽松、和谐、民主的翻转课堂学习环境，学生更自由、更自主、更自信地学习，可以迫使学生放下等待与依赖的心理，进而点燃学生的求知欲与学习热情，切实提升学生的学习效果。蒲军等将虚拟现实技术应用于外科学培训中，也得到了相似的结果[6]。

3.3 沉浸式体验临床实践课程的设计要点

建立操作与反馈体验，是沉浸式体验实践课程设计的核心要素，对学生的实践操作步骤进行实时反馈，增加软件与学生间的互动性空间线索指引，使学习目标更有指向性。

建立环境仿真体验，是学生获得沉浸感的主要来源。使学生获得身临其境的感觉，360。观察和体验虚拟环境内的事物，感受真实的临床情景和视觉心理。

建立非常规视角体验，通过虚拟摄影机提供更大的观察自由度，观察视角完全脱离空间影响，甚至可自由分解、缩放，满足学生对细节的观察，加深学生对空间结构的理解。

建立物理仿真体验，虚拟操作及虚拟物体自身运行都符合物理规律，使学生可以观察到正确的物理现象，并获得真实的操作结果。

4 结论

以沉浸式体验提升临床实践教学的效果，具有沉浸感、想象性和交互性的本质特征，可体现对医学生实践操作培养的全新目标，但是还不能完全取代真实的动手操作，将沉浸式体验学习与实际动手操作相结合，有望探索出一条培训口腔正畸医师操作技能的新方法。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突