数字化人体解剖学实验室的建设

刘 镇 黄会龙 刘 芳 叶 文 李玉泉 杨向群

（海军军医大学基础医学院人体解剖学教研室，上海 200433）

人体解剖学是一门重要的医学基础课程，具有很强的实践性，实验教学课时占比可达总教学课时的1/3~2/3。目前，各医学院校解剖学实验教学普遍存在师资力量短缺、示教标本匮乏、标本维护困难等问题。进入21世纪，数字化技术迅猛发展，在人体解剖学实验教学中应用数字化手段的报道呈爆发式增长。各单位应用数字化技术的侧重点各有不同，有的进行了数码互动建设[1-2]，有的建设了“数字人”等解剖学数字教学软件[3-6]，有的侧重于虚拟仿真解剖教学系统的建设[7-8]。但教师如何在课堂上更好地将传统的以PPT演示为主的多媒体教学与数字化的教学相结合，特别在讲授复杂结构、细小结构时，如何能做到边讲解理论，边演示其三维结构；学生在学习和观察标本时，如何能够便捷地观察其内部结构，从而突破形态学教学中的难点，一直是各院校积极探讨的问题。笔者在经过充分调研后，决定在课件演示、师生互动和教学软件等多个环节进行数字化建设，打造系统性数字化人体解剖学实验室，实现集“理论-实践-虚拟”于一体的教学环境。现介绍如下，以供同行参考。

1 数字化解剖学实验室建设前情况

本教研室建有8间解剖学实验室，每间实验室约65 m2，配有6张解剖台，每间实验室单节课学生通过量为50~60人。教学课件演示系统为传统的台式计算机和投影仪。2008年曾在其中3间实验室安装标清数码互动系统，在以往的教学中发挥了重要作用，一定程度上提高了教学效果。但仍然有许多问题没有解决，实验室不能满足解剖学实践教学需求的矛盾日益显现出来：①未建数码互动的实验室，在对重、难点结构示教时，学生挤在一起，能够直接观察到的学生人数很少，教师需要多次反复示教。对内部结构、细小结构现场示教效果也不尽人意；②原有数码互动设备和显示设备分辨率不高、清晰度不够，加上多数年久失修，图像立体感不强，不仅影响课件演示效果，更无法进行有效师生互动；③实验教学局限于观察标本、模型和挂图，缺少现代化的教学辅助手段，无法对器官的内部结构、三维立体结构进行拆分学习。

2 数字化解剖学实验室建设目标

为克服以上不足，改善教学条件，提高教学质量，对解剖学实验室进行了系统性数字化改造。鉴于本教研室承担了系统解剖学、局部解剖学、临床应用解剖学和断层解剖学等课程的教学任务，数字化实验室的建设目标不仅是改善教学条件，还要充分考虑承担的教学任务。因此，实验室建设目标是：①教师在理论讲解器官结构的同时，能利用数字软件演示其立体结构；②实现高清图像传输，使结构更清晰，易于辨认；③学生可以利用数字化手段在课堂上对复杂结构、细小结构、内部结构进行学习；④教师在示教时，可以利用高清数码互动系统给所有学生进行演示。

3 数字化解剖学实验室建设项目

基于实验室建设目标，本教研室与公司合作，经过反复讨论，并进行了系统化设计，计划先期完成5个解剖学实验室的数字化建设，包括高清课件演示系统、师生交互系统和数字化解剖学教学软件等。各个实验室既能独立开展教学活动，也可以视为一个整体。其整体架构如图1所示。

3.1 高清课件演示系统的建设

高清课件演示系统主要由教师用计算机连接高清LED显示屏幕组成，并配以光能黑板。

随着液晶屏幕的广泛应用，大尺寸（65英寸以上）LED显示屏的价格日趋低廉。根据本教研室解剖学实验室的场地条件，每个实验室配备“一主两辅”3块LED显示屏。实验室正前方的主显示屏为86英寸触控一体机，分辨率为 3 840×2 160。主显示屏的左右两侧各安装一块光能黑板，替代传统的黑板或绿板。侧面的辅显示屏为55英寸LED显示屏，分辨率为3 840×2 160。教师用计算机、HDMI分配器和显示屏幕之间，通过HDMI高清线相连。

图1 数字化人体解剖学实验室建设整体架构示意图

3.2 基于高清摄像机的师生交互系统建设

师生交互系统主要包括高清全景摄像机、硬盘录像机和数码互动软件。每个实验室配置7台高清全景摄像机，其中6台全景摄像机分别位于6张解剖台的正上方，另外1台全景摄像机位于实验室中前部上方。全景摄像机通过网线依次与硬盘录像机及教师用计算机相连，每台教师用计算机配备1个主控键盘用于全景摄像机的视野调节。

各实验室间教师用计算机通过网线连通，构建内部网络，实现交互系统各设备的互连互通。通过数码互动软件可实时调取局域网内所有全景摄像机的实时画面。

3.3 数字化教学软件的建设

通过比较，本教研室分别采购了“中国数字人”解剖系统6.0、“医维度”智慧教学系统和“数字人”VR解剖教学系统V1.0。“中国数字人”解剖系统展示的三维模型根据国人连续断层数据重建而来，数据量大，相对逼真。而“医维度”智慧教学系统里的三维标本依据实物解剖标本建模而来，真实度和清晰度都很高，且该软件有移动平台的APP，学生课后可以在手机或平台上学习。“数字人”VR解剖学教学系统以真实人体连续断层图像为基础，通过信息技术、计算机技术将人体结构数字化，经过三维重建和虚拟现实技术处理，得到可见的、能够控制的虚拟仿真人体模型。

4 实验室建设效果

4.1 高清课件演示系统的应用效果

使用HDMI线连接教师用计算机和LED显示屏，图像清晰度明显高于传统的投影仪，理论上能达到4K标准。

触控一体机兼具LED显示屏和内置触控电脑的功能，可以安装各种教学软件，直接用于课件演示。在理论讲解某一解剖结构时，可从PPT显示状态一键切换至“数字人”或“医维度”系统，让学生直接看到该结构的立体结构，该立体结构可以旋转、拆解，演示操作更便捷，大大提高了教学效果。随着教学软件的升级，未来可以直接在PPT中插入可互动的三维结构，教学效果将进一步提高。

光能黑板为感应压力显示，书写无需耗材，支持一键清除和局部擦除，不仅使得师生免受粉尘之苦，同时也可以适时地与中间的大屏相连，实现扩展显示。

4.2 基于高清摄像的师生交互系统的应用效果

标本示教环节是解剖学实验课程，特别是系统解剖学实验教学过程中的一个重要环节。以往教师示教标本或示范操作时，学生们围拢在教师周围，无法保证每个学生都能有较好的观察视角。通过高清摄像机，结合数码交互软件，可以将细小的结构清晰地展示在LED显示屏上，不仅保证每名学生都能看清示教的结构或操作的具体情况，也节约了多台重复示教的时间，提高了教学效率；同时交互系统的使用可以相对解决实验室空间小、学生多造成的拥挤，比如在检查验收环节应用交互系统，可减轻教师在学生中穿行之苦。此外，某一组学生在局解操作中发现的结构变异可以借此系统实现实验室内或实验室间的共享。

位于实验室中前部吊顶的全景摄像机可自动跟踪教师运动轨迹并录像，可用于课后学生复习，也可用于远程查课和远程教学。在教师资源不足时，也可实现一位教师实施多间实验室教学。

4.3 数字化教学软件的应用效果

多位作者先后报道了“数字人”解剖系统软件[3-5]和“医维度”智慧教学系统[6]在人体解剖学教学中的应用。该2款软件均为国内自主研发，可360°任意旋转，具有较强的立体感，重要结构标注准确。应用该2款软件，对于传统解剖学实验课教学过程起到有效的补充，弥补教学示教标本数量不足、质量参差不齐等问题。“医维度”教学系统的分享功能，还能将三维的互动资源发送至微信、微博等平台（无需APP支持），可以用于重、难点内容的课后提示、复习，有助于提高学生课后学习的效果。

计算机虚拟仿真技术具有鲜明的沉浸性、交互性和构想性等特点[9]。利用虚拟仿真技术开发的解剖学教学系统具有形象直观、情景逼真、可重复性等优点，越来越多地应用于解剖学教学实践中。学生除了可以在虚拟环境中观察、辨认标本，还可以体验“拼接标本”等小游戏，促进学生更仔细地在现实环境中观察标本。应用虚拟仿真解剖学教学系统能有效调动学生学习兴趣和积极性，显著增强实验教学中的趣味性，对于提高解剖学实验教学质量起到一定的促进作用。

5 讨论

5.1 实验室数字化建设要有前瞻性

电子类产品更新换代较快，实验室数字化建设要根据建设经费全面统筹安排。建设时，所有设备应该是当时较为先进的，同时应考虑到方便今后升级换代。不能建成即落后，造成不必要的浪费。

5.2 数字化实验室建设要有系统性

数字化实验室建设并不是简单的搭积木，各种设备堆积在一起就完成了，而是需要专业设计、系统配置，才能达成软硬件配置合理，取得最佳效能。因此，在数字化实验室建设时，避免想到什么建什么，系统性规划、配置和建设十分重要。

5.3 对实验室管理人员的专业知识提出了更高的要求

实验室教学仪器设备的日常维护，主要依赖实验技术人员完成。随着实验室数字化建设，对实验技术人员提出了更高的要求，要求他们必须掌握一定的计算机软硬件知识。

5.4 存在不足

目前尚未能实现PPT课件中直接演示或调入可旋转、拆解的三维立体结构，讲解和演示仍需切换系统。受技术和经费的影响，师生互动系统需要手动调节摄像机视野，未能达到自动捕捉目标的功能。虚拟仿真配套设备价格相对较为昂贵，学生使用虚拟设备需要一定的学习过程，使得其目前更多地用于小范围体验，暂时还未能用于大规模教学。