活动矫治器制作虚拟仿真系统在正畸弯制教学中的应用.pdf

北京口腔医学 2024年第32卷第2期 Beijing Journal of Stomatology April 2024，Vol.32，No.2125口腔医学教育正畸治疗往往需要借助各种物理性装置产生的矫治力来促使牙齿、颌骨改变位置，甚至使颌骨发生矫形变化1。其中活动矫治器在协调牙颌关系、破除不良口腔习惯、创造口颌面发育的有利生长环境中发挥重要作用2,3。因此，活动矫治器常见矫治部件的弯制训练一直是口腔正畸学实践教学的重点内容。目前，正畸活动矫治器的弯制训练主要是依靠教师现场授课与弯制示范相结合的方式进行。受限于师生比例和示教过程中观察视野所造成的局限，实践课教学效率偏低，学生对知识点和弯制技巧的掌握难以达到一个理想的水平4,5。虚拟仿真系统是近年来逐渐运用于口腔医学教育领域的人机互动网络平台，能够对常见的口腔治疗操作进行数字化模拟，并以线上互动的方式展示口腔实际操作技术和关键细节 6,7。该系统通过相应动画的播放以及人机交互手段，对虚拟构建的操作场景进行全方位学习观察。借助便利的网络和个人手机或 PC 端登录，学生在操作训练中可以实时对比与标准操作之间的差别，从而更直观的了解操作过程中的不足，能够极大提高课堂学习效率 8-10。虚拟仿真系统的上述优点，使其能够在正畸各类矫治器弯制的实践中能得到最大化的体现，但目前在正畸实验教程中鲜有运用。因此，本文将对四川大学华西口腔医院自主开发研制的活动矫治器制作虚拟仿真系统做一介绍，并对其在本科生正畸实验课活动矫治器弯制教学中的应用效果进行评价，以期为正畸学实验课程教学改革及课程建设提供新的思路。活动矫治器制作虚拟仿真系统介绍活动矫治器制作虚拟仿真系统是由四川大学华西口腔医院自主开发研制的线上教学平台，可通过输入网址在任意电子设备上进行访问。系统交互功能共分为四个模块，分别为基础理论知识学习、矫治器结构学习、矫治器制作流程以及自主学习与理论考核。1.基础理论知识学习模块在这一板块中，通过单击“功能矫形原理”按钮进入功能矫治的生理学以及生物力学基础的理论学习，该部分以图文并茂的方式对矫治原理进行系统的阐述，通过单击“功能矫治器的发展”按钮进入功能矫治器发展历史的学习。界面右侧是发展历史的概览，左侧界面对应发展的详细内容，并配有对应矫治器的三维模型，可以通过鼠标或触控板操作对模型进行放大、旋转等操作，有助于学生更好的理解功能矫治理念的由来。通过单击“功能矫治器的适应证与非适应证”按钮进行学习，界面左右侧分别显示对应的适应证与非适应证内容，每条内容单独点击会展开显示详细信息并配以说明图片。通过这一板块的学习，学生能通过平台生动的展示和对知识点细致的梳理，更好的掌握各类矫治器的特点和运用场景，对正畸临床实践具有重要的指导意义。2.矫治器结构学习模块在这一板块中，通过单击“常见矫治部件”按钮进入学习页面。该页面分为左侧的展示区和右侧的矫治部件选择区，共有多达 20 个正畸临床常用的矫治部件和矫治器供学生进行学习。以 Frankel 型矫治器的学习为例，点击“Frankel 型矫治器”按钮，进入 Frankel 功能矫治器的结构与功能学习。左侧大屏显示以 Frankel 型矫治器的三维模型，鼠标可以放大以及旋转三维模型。点击三维模型上活动矫治器制作虚拟仿真系统在正畸弯制教学中的应用陈甜 舒睿基金项目：国家自然科学基金（82100959）；四川省科技厅自然基金（2023NSFSC1748）作者单位：610041 成都 四川大学华西口腔医院正畸科（陈甜），儿童口腔科（舒睿）通信作者：舒睿，E-mail:，电话：[phone]北京口腔医学 2024年第32卷第2期 Beijing Journal of Stomatology April 2024，Vol.32，No.2126的“上颌唇弓”、“腭弓”、“舌侧丝”、“下唇挡连接丝”、“下唇挡”以及“颊屏”等具体结构时，可以显示该结构的细节以及其对应的功能，方便学生清晰、高效地掌握矫治器的具体构造，并加深对各矫治部件间的组合与关联的体会，进而更加全面、生动地理解矫治器的作用原理（图 1）。同时，学生可以随时切换到基础理论知识学习版块，对相关知识进行回顾，配合对矫治器细节的学习观察，进而加深学习印象。3.矫治器制作流程模块这一模块包括“弓丝制作工具”和“弓丝部件弯制动画”2 个板块的内容。通过单击“弓丝弯制工具”按钮进入学习页面。与上一模块页面显示相同，在右侧的展示框中，罗列了临床弯制中常用的各类工具。鼠标点击器械的简图后，左侧屏幕上会显示该器械或耗材的 3D 模型，并配以相应的文字介绍。鼠标可以放大或者旋转器械以便学生细致的观察（图 2A）。通过单击“弓丝部件弯制动画”按钮进入学习页面，在右侧展示框中，分别罗列有包括“箭头卡环”、“单臂卡环”、“双曲唇弓”以及“邻间钩”在内的多种临床常用活动矫治部件。通过三维动画的方式完全还原各矫治部件的弯制过程（图2B）。在动画播放过程中，可以通过拖动进度条快进或后退到动画的任意时间点，并可同时拖动鼠标进行放大和旋转（图 2C），以便学生更为仔细的掌握钢丝弯制过程中的手法与用力方式（图 2D）。4.自主学习与理论考核模块在这一板块中，通过单击“慕课学习”按钮，即可以进入口腔正畸学中活动矫治器相关的慕课内容，系统会记录学生线上理论学习时长，达到最小要求学习时长后才能完成任务。完成学习时长后，通过点击“准备考核”按钮进入在线考试环节，在题库中随机抽取题目检验学生学习情况，提交完成后系统进行自动评分，并会在答案后附上题目解析。通过点击“课程讨论”按钮可在线留言向授课教师提问。通过这一板块的设置，学生可以巩固前三个板块的内容并通过小测验的方式查缺补漏，再回到系统的相应板块，对没有掌握牢固的知识进行回顾性学习。活动矫治器制作虚拟仿真系统在正畸弯制教学中的效果评价1.评价方法为了评价该虚拟仿真系统在正畸实验课中的应用效果，我们选取四川大学口腔医学专业 14 名四年级学生，进行活动矫治器弯制课学习，课程内容选自人民卫生出版社第 7 版口腔正畸学实习教程第五节活动矫治器的制作（一）。学生通过PC 端或手机端使用网页浏览器登录正畸虚拟仿真系统，运用鼠标、触控板或触摸屏进行“放大”、“缩小”、“全屏”以及“多方位旋转”等操作。点击“暂停”、“播放”或拖动进度条的方式调节示教动画的播放，并且可以对动画中的任意画面进行人机互动操作。在弯制训练环节使用石膏模型、不锈钢丝、梯形钳、尖钳、平头钳、鹰嘴钳和雕刻刀等工具，在规定时长内完成指定活动矫治器双曲唇弓、邻间钩和箭头卡环的弯制。弯制结束后由具有多年口腔正畸实践图 1 正畸虚拟仿真系统中常见矫治部件功能模块图 2 矫治器制作流程板块内容介绍 A：正畸虚拟仿真系统中“弓丝制作工具”功能模块；B：正畸虚仿真系统中“弓丝部件制作动画”功能模块（正常视角）；C：正畸虚拟仿真系统中“弓丝部件制作动画”功能模块（切换视角）；D：正畸虚拟仿真系统中弓丝弯制细节示意图ABCD北京口腔医学 2024年第32卷第2期 Beijing Journal of Stomatology April 2024，Vol.32，No.2127教学经验的高年资教师进行弯制效果评价。评价包括以下 4 个方面：弓丝弯制后在石膏模型上的贴合度、位置的准确度、矫治器的固位程度以及模型的修整度。课后所有学生需要匿名填写调查问卷，收集他们对正畸仿真模拟器的评价。问卷包括 8 个问题，使用“5”分评定量表法，其中 1 分被定义为“完全不同意”，5 分被定义为“完全同意”。应用 SPSS 20.0 软件对数据进行统计学分析，正态分布的计量资料以均数 标准差表示。2.结果学习效果的评价由矫治器弯制时间和矫治件弯制效果两部分组成。在完成虚拟仿真系统的学习后，14 名学生均在规定时间内完成了 3 个活动件的弯制。在效果评价环节，学生弯制的活动件在在石膏模型上的贴合度及固位程度方面表现良好，基本能达到临床使用要求；在活动件位置的准确度和模型修整度两个方面，少数学生的掌握程度仍有不足。在学生使用虚拟仿真系统对正畸活动矫治件弯制的积极性和满意度评价环节，学生普遍反映通过使用虚拟仿真系统，可以全方位、多角度地观察矫治器弯制过程中的制作细节和要点，并通过系统中的回放功能，反复加强弯制过程中薄弱环节的训练以及对重点知识的理解和掌握。问卷评价结果显示，与传统通实验课形式相比，采用虚拟仿真交互可以将专业知识与实验课内容进行充分整合，从而更好地调动使用者学习的兴趣及积极性，让学生有更强的参与感，也使得教学内容中的重点更为突出；相较于书本上的示意图，同学能在后续的操作实践中准确掌握弯制弓丝弯制要点，并在模型上准确高效定位弓丝的放置部位。总体来说，学生对在正畸实验课中应用虚拟仿真操作的教学方法满意度较高（4.2 4.7 分），见表 1。讨 论虚拟仿真技术在医学教育领域已得到广泛的开展与应用，可以辅助学生进行各类临床操作的模拟训练11-13。在口腔教学方面，以 Simodont 虚拟仿真系统在窝洞制备和全冠预备中的运用为例，该系统除了能够提供牙齿精确的数字化影像之外，还可以反映切割、插入探针和触诊的感觉，经过虚拟仿真系统进行培训学生的动手能力得到显著提高，操作时体位和口镜的使用也得到了较好的规范10,14-17。本文介绍了活动矫治器制作虚拟仿真系统功能及其在正畸弯制实验课中的应用效果及学生评价。该虚拟仿真平台的开发及各个模块的设置逻辑，充分考虑了初学者专业知识不足以及临床实践经验欠缺的特点。在基础理论知识学习板块，通过图文并茂配合人机互动的方式，将课程的难点和重点进行依次罗列；进入矫治器结构学习模块，通过人机交互中的“放大”和“缩小”功能对各类矫治器进行细致的观察，提升对矫治器弯制过程中弯制细节的把握，并通过单击相应部件学习其功能及应用；此外，在“弓丝部件制作动画”模块，学生可以在动画示教的过程中，通过鼠标拖动 360 度任意切换观察视角，并且可以拖动播放进度条，随时暂停或回到示教动画的任意片段，从而对弯制过程中的重点和难点进行反复学习。动画中实时模拟了示教者的手部动作，可以帮助学生更好地进行模仿并加快上手操作进度。虚拟仿真系统的以上特点，有利于学生结合课上教师强调的重点内容，对知识点进行有针对性的巩固与强化，并且通过人机互作的方式，生动形象的体会矫治器弯制过程中手部操作动作和模型修整中的细节。学生对正畸虚拟仿真系统评价的调查结果显示，学生对操作界面、人机交互、虚拟动画等方面的评分较高。问卷调查结果亦提示，学生对正畸虚拟仿真系统的认可度较高，认为其能够起到很好的实践教学效果。正畸虚拟仿真系统提供了规范化的素材和教学训练课程，学生可以在该系统中自主把控学习节奏，根据自身实际情况对没有完全掌握的知识点和矫治器弯制要求进行多次回顾性学习。以往研究结果也表明，虚拟仿真系统可以强化学生操作训练的自主性和独立性。利用虚拟仿真系统进行弓丝弯制训练的学生需要的课堂授课时间显著降表 1 学生对正畸虚拟矫治系统的评分（xs,分）问题评分操作界面友好4.5 0.5能够提高学习兴趣4.7 0.2能够提高操作技能4.6 0.3能够起到更好的实践教学效果4.5 0.2能够提供清晰的视觉图像4.7 0.1与教师在线互动效果好4.2 0.5能够起到加强针对性学习效果4.6 0.2提高对正畸临床的认识度4.3 0.5北京口腔医学 2024年第32卷第2期 Beijing Journal of Stomatology April 2024，Vol.32，No.2128低，可明显提高教学效率8,10。此外，正畸虚拟仿真系统页面可以在个人 PC 端和手机端的浏览器中进行无限制的登录，能够让学生随时随地进行学习，极大的提高了学生的学习效率。而课程讨论模块的设置，可以让学生与教师进行在线交流，学生可以及时反馈课程学习中遇到的问题。同时在“线上考核”模块中学生可以通过测试，巩固对知识点的掌握，而教师也可以通过该系统对学生的成绩情况进行了解，从而实现教学和考核的标准化和数字化。综上，活动矫治器制作虚拟仿真系统能够有效提高学生活动矫治器弯制水平，在口腔正畸实验课教学中具有明显优势。但该系统亦存在一些不足之处，如每种矫治器对应的文字介绍说明过于简单化、场景中均使用标准化模型而忽略临床各类错牙合畸形牙齿排列不齐带来的弯制难度和技巧变化，以及弯制动画中所包含的矫治器类别的完整性等方面还有待加强。参 考 文 献 1 Kuroda T.Evidence-based individualized orthodontic treatment:The future of orthodontics?J World Fed Orthod,2020,9(4):139-145.2 Alsaggaf DH,Afify AR,Zawawi KH,et al.Factors influencing the orthodontic treatment plan in Class malocclusion.Am J Orthod Dentofacial Orthop,2022,161(6):829-837.3 Caplin J,Han MD,Miloro M,et al.Interceptive dentofacial orthopedics(growth modification).Oral Maxillofac Surg Clin North Am,2020,32(1):39-51.4 Rock WP,OBrien KD,Stephens CD.Orthodontic teaching practice and undergraduate knowledge in British dental schools.Br Dent J,2002,192(6):347-351.5 Fleming PS,Dowling PA.A survey of undergraduate orthodontic training and orthodontic 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