沉浸式體驗實踐教學在口腔正畸生物力學實操訓練中的應用與評價

閆鳳杰 張麗媛

（內蒙古醫科大學附屬醫院口腔科，呼和浩特 010050）

科學化、精細化的臨床實踐教學，重點在于診斷思路和臨床經驗的獲得，是學生們在傳統實踐課中難以深刻理解掌握的，尤其像牙齒移動中生物力學的表達，比如：力學抽象概念與對應臨床操作及牙移動表達效果，更讓大部分醫學生深感枯燥難懂。如何使臨床實踐教學更具有情境性和實操性，更加關注醫學生對知識的遷移、操作的體驗、方法的理解、經驗的獲得，是現階段臨床實踐教學改革的重點任務。

1975 年，由Csikszentmihalyi 首次提出沉浸理論(flow theory)，解釋當人們在進行某些日?；顒訒r為何會完全投入情境當中，集中注意力，并且過濾掉所有不相關的知覺，進入一種沉浸式體驗狀態[1]。目前，虛擬技術已經被應用于口腔及其他醫療領域中，比如：虛擬手術、遠程診療系統等。但是，由于學科專業差異及場地設備等因素限制，沉浸式體驗在實踐教學中尚未廣泛開展，其應用于教學的有效性及效果分析評價也有待于教學實踐的進一步檢驗?？谇徽锪W方面的虛擬實驗系統建設及應用尚未見報道。本研究以“牙齒控根移動”這一口腔正畸生物力學的主題為例，通過對比研究，探索虛擬現實與實踐教學深度融合后對學生學習牙齒控根移動的三大目標維度的影響，擬探索一條口腔正畸臨床操作技能培訓的新方法。

1 研究對象和方法

1.1 口腔正畸生物力學虛擬實驗系統的開發

1.1.1 口腔正畸生物力學虛擬實驗系統

系統開發分為前期準備、程序開發、測試3個階段。

前期準備階段主要完成系統設計、腳本編寫和模型制備工作。模型制備中，通過CT 掃描，建立正常頜骨的三維模型，使用3D Max 軟件對實驗操作中用到的環境和材料器具進行建模，包括診室、操作臺、托槽、弓絲、正畸鉗、橡皮鏈等。

程序開發工作在Unity3D 中完成，將上述模型導入，按腳本邏輯進行動畫和交互制作。程序分內容導覽、演示和交互操作3 個主要模塊。內容導覽中以教學目標為指導，用分層目錄組織所有知識點；演示模塊可按知識點回放制作好的演示動畫和操作實錄；交互操作模塊學生可以用手柄進行交互操作。程序效果見圖1-2。

圖1 系統登錄界面

圖2 PC 端互動操作界面

系統測試階段由學生進行實際操作，并針對反饋的問題，進行程序修改完善。

1.1.2 VR 交互設備

口腔正畸生物力學虛擬實驗系統基于HTC VIVO 硬件設備，配合高性能PC 提供高質量的畫面呈現和流暢交互體驗。HTC VIVO 頭盔可以提供六自由度的姿態判斷，使學習者佩戴頭盔可以在三維環境中自由觀察。HTC VIVO 手柄可以實時獲得手部的姿態和定位，以及抓取、釋放等按鍵操作，以獲得對模型精確的操作控制。

1.2 口腔正畸生物力學虛擬實驗系統的應用

1.2.1 研究對象

隨機選取內蒙古醫科大學口腔醫學院在校生40 人，所有學生視力或矯正視力正常，同時均沒有接觸過沉浸式虛擬體驗學習，對比研究應用口腔正畸生物力學虛擬實驗系統的教學效果并進行心流體驗問卷調查。所有研究對象均被告知研究情況并同意參與研究。

1.2.2 研究方法與內容

自主開發口腔正畸生物力學虛擬實驗系統后，隨機選取未進入臨床實習階段的2018 級口腔醫學專業本科生40 人，隨機分為實驗組和對照組，每組20 人，以“牙齒的控根移動”為專題開展實踐教學，對照組先由教師講授示教，然后讓學生彎制弓絲，最后進行病例分析，時長為2 個學時。實驗組先讓學生在口腔正畸生物力學虛擬實驗系統中沉浸式體驗學習，通過手柄操作在口腔正畸牙列安放不同轉矩的弓絲，并通過頭盔顯示器，在三維空間中，任意角度觀察不同轉矩的弓絲對牙齒產生的力學效應，借助空間線索標示進行深度學習。學習完畢后，進行弓絲彎制，然后進行同一病例分析，時長也為2 個學時。沉浸式學習過程見圖3-4。

圖3 學習者佩戴頭盔

圖4 VR 交互操作

所有研究對象都由同一組老師帶教。實踐教學2 周后對教學效果進行對比研究，采用同一試卷進行筆試+實操?？荚噧热萆婕坝洃?、理解、應用3 個維度?？荚囈园俜种朴嬎?，考試結束后由同一教師完成閱卷及成績分析工作。

實踐教學結束2 周后，對實驗組樣本20 人進行虛擬實驗系統心流問卷調查分析，回收有效問卷20 份，有效率100%。問卷題目分為控制感、沉浸感、愉悅感、專注度4 大類，共20道題，每題描述一種體驗效果，答案按是否同意分5 個級別，非常同意記5 分，非常不同意記1 分，問卷滿分為100 分。用來判斷實驗組在使用虛擬現實系統進行學習的過程中，全身心投入其中的狀態。

1.3 統計學分析

采用SPSS 19.0 統計軟件對計量資料進行正態檢驗，檢驗水準α=0.05；得出數據以表示，采用獨立樣本t檢驗比較實驗組與對照組，檢驗水準α=0.05。

2 結果

2.1 口腔正畸生物力學虛擬實驗系統的應用效果分析

對實驗組、對照組學生進行“牙齒控根移動”專題實踐訓練的記憶、理解、應用3 個維度測試，每個維度以百分制計算成績，對比結果顯示，實驗組同學的測試成績均高于對照組，差異具有統計學意義（P＜0.05），其中在知識應用維度的測試結果差異最為顯著，見表1。

表1 對照組和實驗組的測試數據與分析結果（分，）

表1 對照組和實驗組的測試數據與分析結果（分，）

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2.2 心流體驗

實踐學習結束2 周后，對實驗組進行心流體驗問卷調查，問卷調查結果顯示：口腔正畸生物力學虛擬實驗系統學生全身心投入學習的心流體驗良好，90%以上的同學都喜歡虛擬實驗系統的真實體驗，并且表示專注度明顯優于傳統實踐教學，見表2-3。

表2 實驗組心流體驗問卷各維度得分情況（n=20）

表3 實驗組心流體驗問卷的結果統計（人）

3 討論

3.1 口腔正畸生物力學虛擬實驗系統的應用效果

當沉浸理論應用于教學中時，能充分利用學習者的感官和認知，營造氛圍讓學習者享受一種正向的、積極的心理體驗，參與學習活動時獲得很大的愉悅感，從而促使學習者反復進行同樣的練習而不會厭倦。同時，沉浸式體驗學習通過建立集成姿態傳感器和視覺顯示的虛擬交互環境，提供了模擬實際臨床效果的可視化空間，使學生對抽象概念的理解、力學的感知以及操作訓練形成內在邏輯聯系，有助于學生獲得理論知識、實踐操作和臨床效果相融合的最初體驗[1]。

力相當于正畸醫生手里的“藥”，將不同轉矩的弓絲放置于正畸牙列上，牙齒將分別做出怎樣的力學反應？由于部分學生缺乏立體空間思維，對牙齒在三維方向的移動很難理解。本研究通過“牙齒控根移動”這一典型教學專題，通過對比研究發現，沉浸式實踐教學的應用大大緩解了學生由于思維習慣和個體差異導致的學習困難，使學生對抽象生物力學的認知和體驗在沉浸式實踐操作后理解的深度及應用能力明顯提高，說明沉浸式實踐體驗可以在短時間內讓學生深刻理解抽象概念。這與Passig 的研究結果一致[2]。

同時，沉浸式實踐操作體驗既可以提高學生獨立分析、解決問題的能力，又有利于學生對獲取知識的理解與整合，學生通過沉浸在真實環境中反復練習，不斷試錯，在知識、技能和體驗之間建立聯系，最終適應復雜而多變的臨床情況，找到有效解決問題的方法，進而又培養了學生的創新能力[3]。因此，沉浸式實踐操作體驗表現為以學生為中心，結合身臨其境的學習體驗，非常有利于幫助學生將理論知識、操作技能和臨床體驗建立起內在邏輯聯系，有效提升了學生的綜合能力。這與Schott 和Marshall的教學研究結果一致[4]。同樣，Lau 和Lin 等也對這種沉浸式、探究式的學習體驗進行了研究，結果也表明，在沉浸式實踐教學體驗中，學生的大部分時間用于創造性學習，對操作的敏感性、靈活性和創新性方面能力都得到明顯提升。

3.2 口腔正畸生物力學虛擬實驗系統的心流體驗

心流是心理學中的一個重要概念，是一種積極的情感體驗，是對用戶深度需求的挖掘與認知，并使人能夠全身心地投入某種活動中，以求達到一種挑戰與技能的平衡，從而能夠使用戶產生情感體驗的過程。心流體驗的9 個特征，分別是：明確的活動目標、直接的即時反饋、個人技能與任務挑戰之間平衡、行動與知覺相融合、專注于所做的事情、潛在的控制感、失去自我意識、時間感的喪失、自身有目的的體驗。本課題以皮爾斯（Pearce J）等人開發的量表為基礎，編制了心流體驗調查問卷[5]，用來判斷實驗組在使用虛擬現實系統進行學習的過程中，全身心投入其中的狀態，結果90%以上的同學都喜歡虛擬實驗系統的真實體驗，并且表示專注度明顯優于傳統實踐教學。因此，使用沉浸式體驗虛擬技術營造寬松、和諧、民主的翻轉課堂學習環境，學生更自由、更自主、更自信地學習，可以迫使學生放下等待與依賴的心理，進而點燃學生的求知欲與學習熱情，切實提升學生的學習效果。蒲軍等將虛擬現實技術應用于外科學培訓中，也得到了相似的結果[6]。

3.3 沉浸式體驗臨床實踐課程的設計要點

建立操作與反饋體驗，是沉浸式體驗實踐課程設計的核心要素，對學生的實踐操作步驟進行實時反饋，增加軟件與學生間的互動性空間線索指引，使學習目標更有指向性。

建立環境仿真體驗，是學生獲得沉浸感的主要來源。使學生獲得身臨其境的感覺，360。觀察和體驗虛擬環境內的事物，感受真實的臨床情景和視覺心理。

建立非常規視角體驗，通過虛擬攝影機提供更大的觀察自由度，觀察視角完全脫離空間影響，甚至可自由分解、縮放，滿足學生對細節的觀察，加深學生對空間結構的理解。

建立物理仿真體驗，虛擬操作及虛擬物體自身運行都符合物理規律，使學生可以觀察到正確的物理現象，并獲得真實的操作結果。

4 結論

以沉浸式體驗提升臨床實踐教學的效果，具有沉浸感、想象性和交互性的本質特征，可體現對醫學生實踐操作培養的全新目標，但是還不能完全取代真實的動手操作，將沉浸式體驗學習與實際動手操作相結合，有望探索出一條培訓口腔正畸醫師操作技能的新方法。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突