肾脏病理3D动画制作及其在临床肾脏病教学中的应用

Production of 3D animation of renal pathology and its application in the teaching of Clinical Nephrology

摘要

目的 探索肾脏病理3D动画在内科肾脏病教学中的应用效果。 方法 根据教学大纲要求制作常见肾脏病理类型的3D动画视频。选择2022年5月—2023年8月在肾脏科实习的本科生临床医学专业和口腔医学专业五年制、八年制学生以及在肾脏科规范化培训的住院医师为研究对象。将学生随机分到常规教学组和3D动画组（1∶1），授课后采用书面理论考核比较两种教学方法的教学效果，并用调查问卷收集师生对3D动画视频质量及教学过程的满意度。 结果 研究共纳入86名实习学生和规培医师。与传统讲解肾脏病理内容时长相比，3D动画视频讲解所需时间明显缩短［（11.2±1.2） min vs. （21.7±1.3） min，P<0.001］。学生经3D动画视频讲解后的考核成绩为（89.0±7.2）分，高于常规教学组的考核成绩（69.5±6.9）分（P<0.001）。师生对该教学方法的总满意度分别为99.1%、98.6%，师生对3D动画视频质量各方面评分均在9.5分以上。 结论 该研究成功制作了肾脏病理系列的3D动画。在肾脏病学教学中应用肾脏病理3D动画的教学效果明显优于常规课件讲解，这有助于教学大纲内容的实施，有利于培养学生自主学习的兴趣和能力，提高教学效率。

Abstract

Objective To explore the application effect of 3D animation of renal pathology in the teaching of Nephrology. Methods 3D animation of renal pathology was produced according to the teaching program. Undergraduate interns majoring in Clinical Medicine (5-years and 8-years programme) and Stomatology (5-years and 8-years programme) and residents in standardized training in the Department of Nephrology from May 2022 to August 2023 were selected and divided into the conventional teaching group and 3D animation group randomly (1∶1). After the teaching, theoretical knowledge exam was used to evaluate the teaching effect of the two groups, and questionnaire survey was applied to collect the satisfaction of teachers and students to the quality of 3D animation videos and the teaching process. Results 86 undergraduate interns and residents were included in this research. Compared with the traditional teaching of renal pathology, it took obviously less time with 3D animation [(11.2±1.2) min vs. (21.7±1.3) min, P<0.001]. Students’ score in the exam after being taught with 3D animation was (89.0±7.2), higher than that of the conventional teaching group (69.5±6.9, P<0.001). The overall satisfactions of teachers and students with this teaching method were 99.1% and 98.6%, respectively. The quality grade of 3D animation given by them was above 9.5 in all aspects. Conclusion This research successfully makes 3D animation of renal pathology. Applying 3D animation in the teaching of Nephrology achieves obviously better teaching effect than the conventional courseware. It is conducive to the implementation of the content of teaching program, the cultivation of students’ self-learning interest and ability, as well as the improvement of teaching efficiency.

Graphical abstract

关键词

3D动画 / 肾脏病理 / 临床教学

Key words

3D animation / renal pathology / clinical teaching

肾脏病理能直观显示肾脏组织病变类型和严重程度，是肾脏疾病诊断的金标准，更是肾脏病治疗方案制定的重要依据和疾病预后判断的可靠指标。因此，肾脏病理在肾脏病教学内容中占有重要地位，对肾脏结构和病理的熟悉程度是学生掌握肾脏疾病，特别是肾小球疾病的关键。理解病理变化的“前因后果”才有助于学生掌握药物治疗的原理和靶点，教师必须清晰地讲述这些结构基础、病理变化和针对性治疗。

然而，肾脏病理仅是大体病理的分支，基础病理课中并非重点讲解章节。由于肾脏病理类型繁多、组织结构复杂、教学内容抽象，历来是学生理解的难点，也是临床教师授课的困惑。为了跨过这道“坎”，教师需要不断实施教学改革，增加新型的教学方法，应用新型科技协助教学。以往，教师在常规的讲课基础上增加了简易的示意图或真实的组织病理图片，协助学生认识各种病理类型特点。但这无法展现病理变化的过程和三维相邻组织结构的改变，而且这些教学形式相对单调，无法引起学生的学习主动性、参与积极性，学生被动地接受知识点。因此，迫切需要探索创新的教学手段和模式来解决这一困境，帮助教师教得更清晰、学生学得更明白。

三维动画又称3D动画，是近年来基于计算机软硬件技术的发展而产生的新兴技术^[1]。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，在虚拟的三维世界中按照要表现的局部解剖结构的形状尺寸建立模型和场景；再根据要求设定模型的操作运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其他动画参数；最后按要求为模型渲染。当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的动态3D画面。三维动画技术模拟真实物体的方式使其成为一个有用的工具。由于其精确性、真实性和无限的可操作性，被广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域^[2-3]。3D动画构建的肾脏显微结构生动、自然地整合了解剖、病理、鉴别诊断、治疗原理等，应用于肾脏病学理论授课和实习教学能够解决前述的难题与困境。并且，与平面图片和普通视频相比，3D动画可以增加时间和空间的概念，起到协助教师授课、便于学生学习掌握的重要作用^[2]。该研究构建肾脏病理3D动画模型并将其引入临床实习教学，与传统课件授课比较学生对各种肾脏病理类型掌握程度和师生对肾脏病理3D动画的满意度。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

纳入2022年5月—2023年8月在肾脏科实习的本科生，包括临床五年制、临床八年制、口腔五年制和口腔八年制，以及在肾脏科规范化培训的住院医师，包括内科基地和全科基地。

1.2 研究方法

1.2.1 肾脏病理3D动画制作

3D 动画是专业知识、计算机技术和艺术紧密结合的产物。肾脏病理3D动画制作除了过硬的专业知识外，更需要熟悉三维动画技术和动画制作流程^[4]。该研究团队教师首先参照教学大纲和教学任务，对相关授课教师和7名往届学生进行当面问答，明确授课重点和难题，确定制作3D动画的病理类型。然后，收集并提供动画制作的素材和元素（如局部解剖学、肾脏组织学、病理学、病理生理学等描述文字、图片或相关视频），确定3D模型基本结构。随后将每一个所需制作的动画模型撰写成3D动画脚本，主要包括模型基本结构参考图片、重要场景出现的顺序、各个场景主体的形状参考图像、各场景变化过程说明、字幕文字说明、旁白解说词等。之后，根据脚本运用3D MAX软件进行程序化模型搭建。模型要求达到视角清晰、表现精准专业、动画画面流畅的效果。完成的3D模型包括肾单位组织结构（视角从大体解剖放大至肾小球显微结构）和肾脏病理改变（显现出从正常肾组织细胞到病理状态的动态变化过程）。3D模型搭建完成后，利用医学专业知识，选择行业中常见或认可的颜色、器官外形、细胞形态等，应用场景渲染技术对各个组织器官、细胞重要结构在画面中的色调、构图、明暗、镜头设计组接、节奏把握等方面进行再创造，使动画模型具有清晰的线条、和谐的色彩、生动的形态，使之更富有真实感。最后，对动态画面重点部分（即关键的结构位置和考纲要求的重要知识点）加以文字标记或配以旁白说明，用PR视频剪辑和配音合成完成3D动画视频制作。最常见的肾脏病理类型视频截图如图1所示。

1.2.2 传统课件教学和肾脏病理3D动画教学的实施

开展常规临床教学活动时，将肾脏病理3D动画直接关联在小讲课、病例讨论或教学查房的相关知识点针对性讲解过程中。授课教师由具有5年以上相关教学经验的肾脏专业教师担任。对每一位实习本科生或规范化培训住院医师都采用以下教学与考核：首先按随机数表法分为常规教学组和3D动画组（1∶1）；常规教学组采用传统课件（PPT课件）讲解肾脏显微结构及各种病理类型特点（包括示意图和组织病理图片）；3D动画组采用肾脏病理3D动画讲解；授课后均进行一次教学效果评价。记录每次传统课件讲解和3D动画讲解肾脏病理相关内容的时长。课后提供3D动画的线上学习链接，以便学生课余随时复习，并发放调查问卷评价学生对3D动画视频的满意度。

1.3 教学评价

1.3.1 肾脏病理教学效果评价

教学效果评价采用书面考核形式。此次研究邀请肾脏科资深理论授课教师和肾脏病理医师命题，建立6套难度相当的试卷，每套试卷满分为100分。考核内容根据教学大纲和临床诊治需要，包括肾脏病理及相关肾脏病学知识。两组学生教学后考核一次，每次考核均随机抽取一套试卷，比较两组学生考核成绩来评价采用肾脏病理3D动画教学的效果。

1.3.2 肾脏病理3D动画满意度反馈

该研究采用问卷调查方式，由教师和学生两方面评估肾脏病理3D动画质量和教学满意度。调查问卷由研究者参阅相关文献后自行设计编制。

课件质量问卷 问卷内容包括3D动画画面清晰、视频流畅、时长合适、播放速度适中、音效、旁白和文字标注匹配、动画内容正确、注释准确、与教学大纲匹配等方面。每项评分为1~10分，1分为最不相符，10分为最相符。

学生满意度问卷 问卷内容包括与传统课件授课相比，内容生动形象，对知识点理解有帮助，学习主动性增加，学习效果提高，授课内容可重复，师生问答流畅等。每项评分为1~5分，1分为完全差于传统课件，2分为比传统课件略差，3分为和传统课件相同，4分为比传统课件略好，5分为完全优于传统课件。

教师满意度问卷 问卷内容包括与常规课件授课相比，有助于清晰表达结构，讲述内容便捷，授课时长缩短，教学效果提高，学生专注，师生问答流畅等方面。每项评分为1~5分，1分为完全差于传统课件，2分为比传统课件略差，3分为和传统课件相同，4分为比传统课件略好，5分为完全优于传统课件。

1.4 统计分析方法

采用SPSS 19.0软件对数据进行整理分析，考核成绩和课件质量评分均以（\overline{x}\pm s）表示，满意度问卷采用百分比表示。采用t检验比较肾脏病理3D动画教学与常规教学的考核成绩的差异。以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 研究对象的一般情况

研究期间在肾脏科实习轮转的本科生62人和规范化培训的住院医师24人，共86人，常规教学组和3D动画组各43人。其中，男性41人，女性45人，年龄为22~29岁，两组学生在性别构成和平均年龄上无统计学差异。实习本科生均在前一学期完成内科学学习并通过理论笔试，规培住院医师均为内科学专业。

2.2 肾脏病理3D动画教学效果

与常规教学法讲授肾脏病理内容时长相比，3D动画视频讲解所需时间明显缩短[(11.2±1.2) min vs.(21.7±1.23) min，P<0.001]。3D动画组学生的考核成绩为（89.0±7.2）分，高于传统课件讲解的常规教学组学生的考核成绩（69.5±6.9）分（P<0.001），3D动画教学对学生肾脏显微结构的理解程度明显提高。

2.3 肾脏病理3D动画满意度

教学活动结束后给每位学生和授课教师发放满意度调查问卷，师生们对该教学方法的总满意度分别为99.1%和98.6%。全部师生对3D动画视频质量各方面评分均在9.5分以上（如表1所示）。其中有16.3%（14/86）的师生建议3D动画视频播放速度更慢一些。

90%以上的学生认为，与传统课件授课相比，3D动画对知识点理解更有帮助、学习主动性显著增加、学习效果提高和师生问答明显更流畅。在授课内容生动形象和授课内容可重复方面，所有学生均认为3D动画视频完全优于传统课件（如表2所示）。

教师对3D动画视频授课效果的评分在各方面都很高。与传统课件授课效果相比，所有教师均认同3D动画视频授课更有助于清晰表达肾脏显微结构、缩短讲解时长（如表3所示）。

3 讨论

肾脏病理对肾脏病学的诊断及治疗方案制定非常重要，而肾脏病理教学一直是肾脏病学教学的一大难点。医学生需要有效、正确地理解肾脏组织微细结构及病理改变的进程，才能理解和掌握各种肾脏病理类型的特点、发生机制及其相关的临床表现和针对性的治疗原理。但由于肾脏病理的复杂性和抽象性，传统教学模式和教学工具依然令学生对此感到难以理解。同样的，授课教师在讲授这一知识点时，也倍感言语的匮乏，限制了教学效果。

随着多媒体教学越来越多的出现在日常教学过程中，许多难讲难懂的知识点教学效果有所提高。对于肾脏病理教学这个需要体现空间、时间变化的难点，3D动画的应用可能为其提供了解决方案。通过利用3D动画技术建立观察对象的三维模型，可被移动、旋转、缩放及动态变化，可以将人体解剖结构、组织细胞、超微结构等的空间结构和变化过程更为生动形象地展示，这将有利于学生更清晰地认识结构和空间的关系形成和变化过程，有助于学生更深入地理解所学知识^[5]。并且3D动画的在线重复使用特点，便于学生随时随地反复复习和学习。

近年来，3D动画模型因其可视性、真实性、可操作性强的特点被广泛应用于影视、军事等诸多领域，医学教育领域也不例外^[6]，特别是在解剖和手术学科的教学中已经使用数年并获得良好的教学效果^[7-12]。朱振东等^[13]利用3D Studio Max软件制作了端脑内部结构及其功能的动画，插入到理论授课教学过程中，与采用传统教学方法（实物标本和静态图片结合）相比较，3D动画辅助教学组学生的学习兴趣更高、注意力更集中、对端脑结构功能的知识点接受程度更高，并且学生随堂测验总成绩也比传统教学组高10分。同样地，通过引入3D动画多媒体教学，南华大学二院妇产科^[14]培训了临床骨干教师掌握3D动画技术，开展3D教学的学生理论成绩和课堂授课满意度调查较前一年度提高6% ~13%。此外，袁晓红等^[15]通过虚拟现实技术使中药饮片标本实现3D数字化收藏，建立3D动画标本资源库，并将其运用于中医学专业的“中药学”课程教学中，增强了中药饮片的真实感和交互性，延伸了中药教学的时间与空间，培养了学生的中医思维能力。研究中所涉及的成功构建肾脏病理的3D动画模型并应用于肾脏病学教学，将疾病发生发展的解剖、病理学改变更直观、形象、生动地展现给学生。经对教学知识点理论考核评价显示，学生在通过3D动画学习后对知识点掌握明显高于传统教学模式，获得了良好的教学效果。同时，3D动画教学显著缩短了教师讲授肾脏病理所需时长。为了使动画模型制作更精准、更真实地展现所要教授的教学内容，该项目通过问卷调查评估3D动画模型的教学效果和师生对此教学方法的满意度。评估内容包括学生对其所学知识点的掌握程度、对教学方法的满意度和教师对3D动画质量、准确性、学生学习态度等方面的评价。无论是授课教师还是学生都对3D动画这一新教学方法的质量和教学效果非常满意。

肾脏病理3D动画的完成为克服肾脏病教学难点提供了可行性，也探索了师资掌握新科技的培养方法，为提高教学效果提供了新的方法。在目前已构建的3D动画模型基础上，本研究团队将继续尝试血液净化原理、腹膜透析原理和肾脏病学相关操作的动画制作，并将系列动画共享于专业平台，供学生和相关教师自由学习观看。这有助于将机械性的记忆转变为视觉直观的理解记忆，提高学生的感知，降低理解难度，也增加学生学习的兴趣和主动性。

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基金资助

上海交通大学医学院附属第九人民医院临床教学激励团队基金(JXJL-2023-5)