沉浸式虚拟现实作为神经解剖学教学工具的有效性研究

作者及机构
本研究由美国西奈山伊坎医学院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai）的Katelyn Stepan博士、Joshua Zeiger、Stephanie Hanchuk等团队完成，合作单位包括西奈山贝斯以色列医院（Mount Sinai Beth Israel）的耳鼻喉科及神经外科。研究发表于《International Forum of Allergy & Rhinology》2017年刊。

学术背景

研究领域
本研究属于医学教育技术领域，聚焦于虚拟现实（Virtual Reality, VR）在解剖学教学中的应用，特别是神经解剖学（neuroanatomy）的三维（3D）可视化教学。

研究动机
传统解剖学教学面临多重挑战：
1. 资源限制：尸体解剖（cadaver dissection）成本高昂且获取困难，许多医学院减少了解剖课程。
2. 教学效果局限：学生需通过二维（2D）图谱理解复杂的三维解剖结构，空间想象力要求高。
3. 技术潜力：VR技术已在手术模拟等领域验证有效性，但缺乏其在基础解剖学教学中对学生学习效果和动机影响的客观数据。

研究目标
评估沉浸式VR技术（使用Oculus Rift系统）在神经解剖学教学中的三项核心指标：
1. 知识掌握效果：与传统教材相比，VR是否能提升短期和长期记忆。
2. 学习体验：学生主观评价VR的实用性、趣味性和易用性。
3. 学习动机：通过标准化量表（Instructional Materials Motivation Survey, IMMS）量化VR对学习动力的影响。

研究方法与流程

研究对象与分组

• 样本量：66名医学院一、二年级学生，随机分为VR组（33人）和对照组（33人）。
  
• 基线匹配：两组在性别、年级、年龄、VR使用经验、空间能力活动（如绘画、3D设计）等方面无显著差异（p>0.05）。
  

VR模型开发

1. 数据来源：基于正常脑部CT和MRI的DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）数据，通过Surgical Theater平台重建为3D模型。
   
2. 重点结构：突出脑干（brainstem）、脑室系统（ventricular system）和脑血管（cerebral vasculature），并添加交互式标签。
   
3. 硬件配置：使用Oculus Rift头戴显示器（Head-Mounted Display, HMD），支持360°头部追踪和手持控制器交互。
   

实验设计

1. 前测：所有学生完成10题神经解剖学前测（preintervention quiz）。
   
2. 教学干预：
   
   • 对照组：使用在线教材（如《Gray’s Anatomy》和TeachMeAnatomy网站）自学20分钟。
     
   • VR组：先通过Oculus Rift观看5分钟3D解剖视频，再自由交互操作模型5分钟，最后用相同教材学习10分钟（总学习时间一致）。
     
3. 后测与延迟测试：
   
   • 即时后测：30题多选题和填空题（postintervention quiz）。
     
   • 8周后延迟测试：15题考核长期记忆（retention quiz）。
     
4. 主观评估：
   
   • 学习体验问卷：通过视觉模拟量表（0-100分）评价“趣味性”“实用性”等维度。
     
   • 动机量表（IMMS）：基于ARCS模型（Attention, Relevance, Confidence, Satisfaction）的36项Likert量表。
     

主要结果

知识掌握效果

• 测验成绩：两组在前测、后测和延迟测试中得分无显著差异（p>0.05）。例如，后测VR组得分0.76±0.14，对照组0.75±0.16（p=0.87）。
  
• 年级差异：二年级学生成绩普遍高于一年级（p<0.05），但VR干预未加剧或缩小此差距。
  

学习体验与动机

• 主观评价：VR组在“趣味性”（82.52±17.07 vs. 17.55±14.47，p<0.01）、“参与度”（72.45±19.68 vs. 15.67±14.19，p<0.01）和“推荐意愿”（68.12±25.60 vs. 39.94±20.91，p<0.01）上显著优于对照组。
  
• 动机提升：VR组IMMS总分更高（12.60±2.12 vs. 10.32±1.86，p<0.01），尤其在“注意力”“自信心”和“满意度”子维度表现突出。
  

相关性分析

• 动机与成绩正相关：IMMS总分（r=0.292，p=0.017）及“相关性”“自信心”子维度与后测成绩显著相关，表明动机高的学生表现更好。
  

结论与价值

科学结论

1. 等效性：VR与传统教材在知识传授效果上无差异，但显著提升学习动机和体验。
   
2. 教育技术潜力：VR的沉浸式特性适合复杂三维结构的教学，如神经解剖学中的空间关系。
   

应用价值

• 课程设计：VR可作为传统教学的补充工具，尤其适用于动机不足或空间想象力薄弱的学生。
  
• 技术优化方向：缩短技术适应时间、降低模型开发成本（当前依赖专业平台如Surgical Theater）。
  

研究亮点

1. 创新方法：首次将Oculus Rift系统用于神经解剖学教学，提供完全沉浸式体验。
   
2. 长期评估：纳入8周延迟测试，验证VR对长期记忆的影响。
   
3. 动机量化：通过IMMS量表客观分析VR对学习动力的提升作用。
   

局限性与展望

• 技术学习曲线：部分学生反馈VR操作占用学习时间，未来需优化交互设计。
  
• 成本问题：VR硬件和模型开发费用较高，需探索开源或低成本解决方案。
  
• 扩展研究：建议在更多解剖学领域（如心胸解剖）和不同学习者（如住院医师）中验证VR效果。
  

该研究为医学教育中VR技术的应用提供了实证依据，强调其在提升学习体验方面的独特价值，同时呼吁进一步解决技术普及性与成本问题。