馮 格，黃 蘭

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院正畸科，重慶 400015

在口腔正畸實驗教學(xué)中，需要培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用技術(shù)手段來掌握現(xiàn)代口腔正畸的臨床基本方法和操作技能。學(xué)生在掌握規(guī)范的口腔正畸學(xué)基本技能和理論知識的同時，還需要激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力，從而牢固掌握錯合畸形的各種病因、矯治方法、矯治技術(shù)，診斷、治療原則及基本臨床操作技能，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生以嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的思維來處理口腔正畸臨床中的各類問題[1]。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，教師往往是以靜態(tài)的口腔模型為基礎(chǔ)，配以幻燈、講解等方法來傳遞口腔結(jié)構(gòu)的三維空間知識，培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力。但是，由于空間思維過程很難用語言表達(dá)、幻燈圖示等二維平面圖與三維立體結(jié)構(gòu)的差異、傳統(tǒng)口腔模型的結(jié)構(gòu)限制、單一講解授課缺乏有效交互等問題，對于空間想象力較差的學(xué)生，傳統(tǒng)教學(xué)方法效果往往并不理想。近些年隨著多媒體技術(shù)的普及，多種專業(yè)和學(xué)科的課堂教學(xué)中，已經(jīng)廣泛使用3D計算機模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模型和掛圖，但是相關(guān)應(yīng)用也僅限于課堂輔助教學(xué)。而口腔正畸實驗教學(xué)，除了課堂上教師講解外，學(xué)生還需要在實驗課中觀察、操作大量的實物或者模型。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，學(xué)生缺乏可以直觀、精準(zhǔn)的參考模型，課外學(xué)習(xí)效率低、效果差，即使經(jīng)過大量練習(xí)也難以很好地掌握所學(xué)內(nèi)容。為解決這些問題，筆者嘗試將增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)引入口腔正畸實驗教學(xué)。

AR技術(shù)是一種將現(xiàn)實世界的真實信息與虛擬世界的數(shù)字化信息進(jìn)行“無縫”整合的新技術(shù)。此技術(shù)通常以目前高速發(fā)展的3D計算機技術(shù)，在同一個畫面或空間中，同時將真實的環(huán)境信息和虛擬的物體實時地整合在一起，或者將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界中，從而被人類視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感官所感知，以達(dá)到超越現(xiàn)實的感官體驗[2]。因此，AR技術(shù)是將真實世界信息與虛擬的信息同時展現(xiàn)，同時將這兩種信息相互補充、疊加，以達(dá)到更直觀、生動的體驗效果。AR技術(shù)具有3個突出的特點：(1)真實世界信息與虛擬的信息集成；(2)實時的交互性；(3)在三維空間中增加定位虛擬物體[3]。

以前的AR技術(shù)需要頭盔顯示器等系列高端設(shè)備才能實現(xiàn)，技術(shù)開發(fā)的硬件、軟件條件要求都較高，導(dǎo)致該技術(shù)很難得到普及。2017年蘋果公司發(fā)布AR Kit開發(fā)包，使普通用戶可以開發(fā)基于iOS11版本以上的AR應(yīng)用程序(App)，有效降低了AR技術(shù)的普及門檻。本文作者就是采用蘋果公司該項技術(shù)開發(fā)了基于AR技術(shù)的口腔正畸實驗教學(xué)平臺。

1 基于AR技術(shù)的口腔正畸實驗教學(xué)平臺設(shè)計概述

1.1開發(fā)平臺及環(huán)境 基于AR技術(shù)口腔正畸實驗教學(xué)平臺開發(fā)，使用基于蘋果共識發(fā)布的可以免費使用的AR應(yīng)用開發(fā)包ARKit。軟件開發(fā)工是Xcode9以上版本。AR程序可運行的軟件環(huán)境是iOS11及以上系統(tǒng)，硬件環(huán)境是處理器為 A9 及以上的 iPhone 或 iPad 設(shè)備(即iPhone 6s及以上版本的蘋果手機和iPad設(shè)備)。

1.2平臺架構(gòu)和功能設(shè)計 該實驗平臺架構(gòu)共分為四層：用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)接口層、數(shù)據(jù)管理層。平臺構(gòu)架和功能設(shè)計示意圖見圖1。

圖1 平臺構(gòu)架和功能設(shè)計示意圖

用戶層主要分為教師端和學(xué)生端，分別安裝在教學(xué)用平板和學(xué)生手機上。在教師端教師可以選定設(shè)計、發(fā)布正畸實驗教學(xué)內(nèi)容，對學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容、進(jìn)度等進(jìn)行監(jiān)控，同時可以通過考核等方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行整理和分析，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和流程。用戶層的學(xué)生端主要供學(xué)生實驗使用，學(xué)生可以結(jié)合口腔正畸實驗教學(xué)的靜態(tài)模具進(jìn)行使用，實時進(jìn)行教學(xué)互動。在教學(xué)過程中采用AR技術(shù)時，可將虛擬的3D模型，比如口周軟組織3D模型、牙齒三維結(jié)構(gòu)模型、正畸加力后牙齒移動模擬、牙周、骨組織生物學(xué)改建等信息，疊加到現(xiàn)實的教學(xué)真實模型中。學(xué)生只需要在手機或者平板電腦上安裝輔助教學(xué)的AR技術(shù)App，學(xué)習(xí)時，打開App，以手機攝像頭掃描真實環(huán)境中的教材、患者模型或者真實的口內(nèi)牙齒后，App就能自動識別，并匹配出相對應(yīng)的3D模型，然后再自動添加上設(shè)計好的虛擬模型、注釋、動畫等，從而將虛擬3D信息與現(xiàn)實場景疊加在一起，而且能夠非常方便地在手機或者平板電腦屏幕上顯示，進(jìn)行模擬實驗教學(xué)和操作。

應(yīng)用層主要分為三大功能模塊，具體包括實驗演示模塊、教學(xué)組織模塊、實驗教學(xué)素材管理模塊。實驗演示模塊可以由教師自主設(shè)計、修改實驗課教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)組織模塊主要用于管理系統(tǒng)學(xué)生信息，可以實時跟蹤、可視化顯示學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和狀態(tài)。實驗教學(xué)素材管理可提供教師輔助設(shè)計素材，并可以建立口腔正畸教學(xué)中的系列教學(xué)模型。

數(shù)據(jù)接口層主要設(shè)計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫接口，加強系統(tǒng)開發(fā)的可維護性和安全性。數(shù)據(jù)層采用MySQL數(shù)據(jù)庫，包含用戶數(shù)據(jù)表、口腔正畸實驗流程數(shù)據(jù)、時間線設(shè)定數(shù)據(jù)、演化模型數(shù)據(jù)、評價體系數(shù)據(jù)等庫表。

1.3平臺界面設(shè)計 平臺界面設(shè)計直接影響學(xué)生使用體驗，在本平臺設(shè)計中，筆者探索性引進(jìn)了情景認(rèn)知理論進(jìn)行人機交互界面設(shè)計，可有效提高該平臺對教師使用的友好性和學(xué)生使用黏度，減少教師和學(xué)生在學(xué)習(xí)新教學(xué)平臺的時間和精力成本。

傳統(tǒng)的情境認(rèn)知理論的觀點，即認(rèn)知過程是由情境建構(gòu)、指導(dǎo)和支持的，而個體的心理通常在情境中進(jìn)行活動，其中情境分為3個方面：物質(zhì)或任務(wù)方面的情景(包括人工制品和外在的信息表征)，環(huán)境的或生態(tài)的情景(如工作場合或商業(yè)中心)，社會的或互動的情景(如教育、教學(xué)或臨床情境)。該觀點認(rèn)為認(rèn)知加工的性質(zhì)取決于其所處的情境，不能脫離情境孤立地去研究[4]。基于AR技術(shù)創(chuàng)設(shè)的場景，學(xué)生可以進(jìn)行自主的實驗體驗式學(xué)習(xí)。通過將虛擬物體疊加在現(xiàn)實世界里，學(xué)生能在個性化的場景下，根據(jù)自身學(xué)習(xí)進(jìn)度和個性特點，調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和進(jìn)度，使之實現(xiàn)正畸理論與實驗教學(xué)的良好互動，獲得良好的學(xué)習(xí)體驗和教學(xué)效果，同時還能增加學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識的主動性和積極性。

2 平臺應(yīng)用教學(xué)效果

該平臺開發(fā)完成后，在兩個年級的正畸實驗教學(xué)課中進(jìn)行了實際教學(xué)使用，教師和學(xué)生總體反饋良好。教師訪談中普遍認(rèn)為該實驗平臺存在以下優(yōu)點：(1)依托智能手機或平板電腦App進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生上手容易，同時由于App本身的合理化、人性化設(shè)計、使用簡單方便，學(xué)生普遍樂于使用。(2)采用AR技術(shù)，學(xué)習(xí)過程形象生動，學(xué)習(xí)形式樂于被學(xué)生接受，對于需要空間想象思維的基礎(chǔ)理論內(nèi)容，通過該平臺的3D虛擬模擬模型和動畫，教學(xué)內(nèi)容直觀、生動呈現(xiàn)，有效減輕了教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，提高了教學(xué)效率。對使用該平臺的學(xué)生進(jìn)行訪談后，學(xué)生普遍反映該平臺輔助教學(xué)后，提高了對實驗課的學(xué)習(xí)興趣，加深了對實驗課教學(xué)內(nèi)容的理解，給了學(xué)生更多的實驗操作渠道，有利于提高學(xué)生的動手實踐能力。但是，目前本教學(xué)平臺存在的問題主要體現(xiàn)在由于時間關(guān)系，該平臺素材庫的3D模型數(shù)量不夠豐富，還需要一段時間的教學(xué)積累。

3 小結(jié)與展望

AR技術(shù)作為沉浸式的體驗技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中有廣闊的應(yīng)用場景。但是由于AR技術(shù)之前需要專用顯示器、眼鏡等設(shè)備，昂貴的應(yīng)用成本使普通教學(xué)中廣泛應(yīng)用AR技術(shù)幾乎不可能。目前蘋果公司提供的AR開發(fā)工具包ARkit有效降低了AR技術(shù)的開發(fā)難度，特別是只需要其依托于蘋果iPhone 6s和之后的手機及同代iPad硬件設(shè)備，即可實現(xiàn)AR技術(shù)的應(yīng)用，使在普通教學(xué)中應(yīng)用AR技術(shù)成為可能。口腔正畸實驗教學(xué)對學(xué)生空間動態(tài)想象能力提出了較高要求，傳統(tǒng)的平面多媒體及靜態(tài)教學(xué)模具往往不能起到較好的教學(xué)效果[5]。

本文作者嘗試在口腔正畸教學(xué)中引入蘋果公司的AR技術(shù)，開發(fā)基于該技術(shù)的口腔正畸實驗教學(xué)App，經(jīng)教學(xué)實踐，獲得使用教師和學(xué)生的一致好評。但在教學(xué)實踐中，也反應(yīng)出模型素材偏少、模型設(shè)計難度大等問題。同時，AR模型制作難度仍然較大，存在著普通教師上手困難，需要專業(yè)團隊輔助開發(fā)的問題。但是在未來工作中，隨著教學(xué)經(jīng)驗的積累和AR技術(shù)的進(jìn)步，將對正畸實驗教學(xué)帶來更多革命性教學(xué)模式變革。