医学教育计算机和传统教育资源效果分析

【摘要】目的基于计算机或虚拟现实的医学教育（尤其是解剖课程）的比重在逐年增加。然而，目前仍缺乏对基于计算机和传统教学方式有效性的比较。本研究重点关注了3种解剖学授课方式的有效性：1）虚拟现实模型组；2）静态图像组；3）三维实体模型组。方法本对照研究总共纳入45名本科生（每组n=15），通过10分钟的讲授和学习，考察学生学习20个不同骨盆解剖结构的效果。学习效果考核指标主要基于尸体骨盆并由25个简答题构成（15个名词解释，10个功能问题）。所有受试者均接受一项简单的空间能力测试（mentalrotationstest，MRT），作为后续数据分析的协变量。采用重复检验方差分析法进行数据统计。结果在名词解释问题方面，三维实体模型组的教学效果（73%）显著优于静态图像组（52%）和虚拟现实组（55%）（P＜0.001）。在功能问题方面，3组之间无显著统计学差异（P＞0.05）。结论相比于传统教学资源，基于虚拟现实的医学教育没有显著优势。

【关键词】虚拟现实；解剖学；教育资源；医学教育；计算机资源；传统资源

临床医学教育尤其是解剖学课程主要依赖尸体标本[1]。然而，许多教育机构正在将基于计算机的模式纳入其课程。基于计算机的教育资源（computer-basedresources，CBR）不需要像尸体标本一样需要大量的金钱和空间来维护，而且可以在任何时间或地点进行自学。尽管CBR越来越流行，但分配给解剖的时间却在缓慢减少。一些机构已经将尸体标本操作完全从课程中删除。这一决定部分是基于计算机教学工具的可用性和便利性。《AnatomicalSciencesEducation》杂志上的一项研究指出[2]，解剖学教学的未来必须更多地依靠解剖室外的可视化辅助手段，因为访问基于网络的计算机辅助教学资源的学生在考试中的得分明显高于那些从未访问过在线内容的学生。有广泛证据表明，系统的干预（无论是哪种媒介）总会比不干预具有好的学习效果[3]。然而，与其他干预措施相比，CBR提供同等或更好的学习能力的证据还不足。鉴于支持CBR证据存在缺陷，有解剖学家质疑计算机课程的有效性，认为“传统”的解剖学教学方法是必不可少。目前关于解剖学教育和课程结构设计的重要决定，更多的是基于本能和传统，而不是基于证据[4]。基于此，本论文研究了计算机虚拟现实解剖学学习与静态图像学习相比，是否具有真正的学习优势。更重要的是，我们还比较了基于计算机与基于实体三维塑料模型学习模式的效果。为控制研究的偏倚，本研究采用尸体标本进行学习效果测试。

1资料与方法

1.1资料本研究

通过校园网站、海报和社交网络媒体招募，纳入45名（男22名，女23名）在高中和大学都没有解剖学课程的学生。受试者首先接受标准化心理旋转测试（mentalrotationstest，MRT）。该测试由四组五个图形（原始方块图形、两个正确旋转和两个错误旋转）组成，作为视觉空间能力的测量。受试者被随机分为3组学习骨盆解剖学：1）虚拟现实模型组；2）静态图像组；3）三维实体模型组。所有受试者都有一个学习开始阶段的准备期，以便学生能够熟悉格式和软件。

1.2方法

三维实体模型组（n=15）基于骨盆的塑料模型（带韧带的女性骨盆，marcussommermodellegmbh，Coburg，德国）学习。受试者可根据需要举起和旋转模型。静态图像组（n=15）由六张在幻灯演示文稿中绘制的塑料模型视图组成。受试者可以自行循环浏览视图。虚拟现实组（n=15）由CT扫描重建骨盆三维彩色图像。受试者可以通过鼠标点击和拖动在水平和垂直平面上旋转三维图像。对于上述三种模型，都有字母标签显著标识在模型对应解剖结构上。受试者可通过纸质版的目录查询这些字母标签的含义。受试者有10分钟的时间研究20个骨盆解剖特征的位置。这一时间限制是为受试者提供一个紧张的学习环境，更好地阐明不同学习模式之间的差异。如果不限定时间，学习者可能会在所有模式的学习中都表现良好，因此降低本研究的总体效应。

1.3评价标准

完成学习阶段后，受试者接受在尸体骨盆标本上的25项测试。测试包括15个名词解释题和10个功能题。名词解释要求受试者说出尸体骨盆上的标签所代表的解剖结构。功能问题需要从结构的位置和形式以及对空间关系的认识来解释功能。功能性问题中常见的主题包括骨骼和韧带的受力方式以及结构活动对外力的反应。在测试阶段没有时间限制，以减少对较难的功能性问题的偏倚。

1.4统计学分析

采用重复测量方差分析法ANOVA进行数据分析，将名词解释与功能问题百分比得分作为重复测量，以检验组间差异。使用ANCOVA分别检验组间在名词解释和功能问题上的差异，以及空间能力和性别因素对差异的作用效应。

2结果

受试者的人口学数据统计见（表1）。尽管与其他两组相比，静态图像组中女性更多，但总体而言，受试者男性和女性比例基本相当。大多数学生（80%）都是理工科专业的学生。以名词解释和功能问题的得分作为重复测量变量，MRT为协变量的初步统计分析显示，学习形式对学习效果有显著的影响（F=8.32，P＜0.01）。学习模式和学习效果之间具有显著关联性（F=9.85，P＜0.001）。为了进一步探讨这种相互关联性，我们分别研究了学习模式对名词解释问题得分和功能问题得分的影响。三维实体塑料模型组在名词解释问题上的得分（平均分为73%）明显高于静态图像组（52%）和虚拟现实组（55%），F=8.84，P＜0.001。我们发现三组在功能问题上的得分没有统计学差异（F=1.35，P=0.31）。见（图1）。男性在空间能力测试上的平均得分为（11.9±3.82）分，略高于女性的（9.58±4.65）分，但这一差异并不显著（P＞0.05）。为了验证性别对学习效果的影响，我们进行了包括空间能力和性别的分析。对于名词解释问题，空间能力的影响非常显著（F=17.2，P＜0.001），而性别和性别×空间能力对学习效果的影响不显著。男性比女性在静态图像模式学习下表现相对较好，而在虚拟模式下表现则大致相同。女性比男性在三维实体塑料模型学习下表现较好。

3讨论

我们的研究结果表明，对比3种学习模型对骨盆解剖学学习效果的影响，三维实体模式比计算机模式更有效。基于三维实体模型学习模式的优势在统计学和教育学上都是显著的。相比之下，静态图像组和虚拟现实组之间没有差异。这说明基于二维图片和基于虚拟现实计算机模型的学习效果相当。本研究结果与之前的研究结果一致[5]。然而，与这些研究不同，本研究使用了在受试者控制下完全可操作的虚拟现实模型。此外，另一项研究也表明，使用三维塑料物理模型学习的学生相比于无论使用虚拟现实计算机模型还是使用教科书的学生，都表现得更好（分别为86%对63%和64%）[6-7]。基于虚拟现实模式的学习模式没有显示出优于教科书的优势。本研究结果可以用认知负荷理论来解释。认知负荷理论认为人类只有有限的工作记忆可用于新的学习任务[8]。学习方式本身固有的外来负荷可能是导致我们学习成绩差异的原因。静态图像组的受试者必须投入认知资源，从提供的二维图片推断骨盆的三维结构。虚拟现实组的受试者尽管能够像实体模型一样旋转骨盆图像，但仍在从电脑屏幕上的一系列二维图片中学习。虽然三维图像提供了旋转和阴影产生的深度错觉，但它仍然缺乏立体感的空间来构建一个实体骨盆[9]。因此，基于三维实体模式的教学比基于计算机的模式更为有效。此外，本研究发现在名词解释问题上，空间能力和最终的学习效果之间有很强的相关性。本研究结果同目前文献报道一致[10]。在这些研究中提到，空间能力不仅是测试得分的一个强有力的预测因子，而且还是影响医学院解剖学课程长期表现的重要因素。本研究还发现，女性在三维实体模型组中表现更好，而在静态图像组中表现更差。这是一个值得关注的问题。一种解释是，从三维实体模型学习中不涉及任何“心理”旋转，因为模型可以物理旋转。相反，静态图像组对空间能力的依赖性最大，而女性的空间能力表现较男性略差。

4结论

基于三维实体解剖学模型的解剖学学习模式优于计算机模型。我们的发现与公众普遍的认识相矛盾，即基于计算机模式的更大的控制性和互动性应该促成更好的学习效果。尽管基于计算机的学习模式可以对学习结果产生积极的影响，但与物理模型相比，它们似乎有很大的局限性，特别是对于空间能力较低的学生。

参考文献

[3]蔡洪涛，王巧玲，黄和.基于虚拟现实技术的解剖学实验仿真教学软件的研制[J].科技传播，2019，11（17）：128-129.

[4]叶德兴.数字化人体图像和三维模型对解剖教学质量的影响观察[J].医学理论与实践，2019，15（3）：2494-2496.

[5]韩锋.3D解剖图像和影像学三维图像在解剖教学中的应用[J].影像研究与医学应用，2018，8（2）：65-66.

[6]郑婷娜.数字化技术在人体解剖学教学中的应用探析[J].考试周刊，2018，9（9）：121.

[7]王亚维.关于数字化技术在人体解剖学教学中的运用分析[J].临床医药文献电子杂志，2018，3（15）：179.

[8]王灿彪.数字化可视人体在解剖学教学中的应用初探[J].现代职业教育，2019，3（2）：32-33.

[9]侯捷，李日伦.多点触控虚拟解剖系统在解剖实训教学中的应用初探[J].卫生职业教育，2019，5（16）：64-65.

[10]于振海，徐宁，王志强，等.局部解剖学混合教学模式效果探讨[J].解剖学杂志，2019，2（1）：100-102.

作者：聂涌 单位：四川大学华西医院骨科