CC BY
77
УДК 37.026
МЛ. Никонорова
КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ МЕДИЦИНСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ПРАКТИКЕ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
«АНАТОМИЯ ЧЕЛОВЕКА»
M.L. Nikonorova
COMPUTER MODELS MEDICAL IMAGING IN PRACTICE OF STUDYING "HUMAN ANATOMY"
Аннотация
Статья посвящена описанию нового подхода к построению учебных занятий по дисциплине «Анатомия человека» для студентов медицинских вузов на базе широкого внедрения компьютерных моделей медицинской визуализации. Проводится анализ и обобщение опыта использования имитационного моделирования, предлагается ввести компьютерные технологии работы с обучающим программным комплексом VOXEL-MAN и анатомическим порталом «Primal Pictures».
Ключевые слова
КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ, ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, МЕДИЦИНСКАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ, ОБУЧАЮЩИЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС VOXEL-MAN, АНАТОМИЧЕСКИЙ ПОРТАЛ «PRIMAL PICTURES».
Abstract
This article describes the practical experience of using computer technology on the Department of Human Anatomy. The article suggests a new approach to teaching Human Anatomy for medical students, based on the broad introduction of e-learning. Methods of computer technology are used for construction of imitating models, scientific software VOXEL-MAN and medical imaging "Primal Pictures".
Keywords
E-LEARNING, VOXEL-MAN, PRIMAL PICTURES, IMITATING MODEL, COMPUTER TECHNOLOGY, MEDICAL IMAGING.
Внедрение инновационных технологий обучения в учебный процесс на кафедре анатомии человека в настоящее время является объективной необходимостью. Увеличилась потребность в индивидуальном подходе к образованию [1]. Традиционные формы обучения дополняются новыми технологиями в соответствии с ФГОС ВПО подготовки специалистов по медицинским специальностям, утвержденными в 2010—2011 годах, и международными стандартами Всемирной федерации медицинского образования (ВФМО) ИСО 9001 (International Organization for Standardization (ISO) 9001). Высокий уровень технических достижений в США и странах Западной Европы позволил применять в учебном процессе вузов этих стран различные компьютерные анатоми-
ческие программы уже в начале 1990-х годов. К началу XXI века в странах Запада сформировалось два направления: одно из них сохранило традиционные подходы к изучению анатомии, второе — характеризуется максимальным использованием возможностей компьютерного обучения и полным или частичным отказом от препарирования. Новые компьютерные технологии в преподавании анатомии человека необходимы, но они будут иметь значение только при рациональном применении [2]. Американской ассоциацией анатомов был опубликован анализ влияния интерактивных занятий и компьютерных учебных модулей на обучение студентов университета Манчестера. После внедрения интерактивных занятий увеличился средний балл успеваемости студентов, нововве-
дение также оказало положительное влияние на результаты экзамена [3]. При этом не только вырос средний балл на экзамене, но и значительно сократилось число неуспевающих студентов, обучение стало более дифференцированным. Появилась возможность более глубокого изучения предмета студентами, улучшилось знание и понимание ими анатомии человека [4]. В России в некоторых медицинских вузах стали применяться компьютерные технологии, но анализ влияния таких занятий на обучение студентов в нашей стране не проводился.
Анатомия человека является одной из базовых и наиболее трудных дисциплин для освоения в структуре получения медицинских знаний. Трудность этой дисциплины заключается, во-первых, в необходимости изучения и запоминания огромного количества специальных терминов фактического материала на русском и латинском языках, во-вторых, в необходимости четкой визуализации изучаемых объектов и в умении устанавливать логическую связь между анатомическими объектами и функциональными процессами, в которых эти объекты принимают непосредственное участие. Классические анатомические атласы не могут представить все возможные изображения анатомических структур и их подробное описание в трехмерном пространстве, требуемое в современных диагностических и хирургических методах.
Поэтому перед нами стоит задача поиска оптимальных форм проведения практических занятий по анатомии человека, включающих анатомическое препарирование и широкие возможности компьютерных технологий.
В статье предлагается авторский подход к проведению практических занятий по анатомии человека, когда студенты не только формируют информационно-технологическую компетенцию, но и проводят построение компьютерных моделей в новом курсе «Компьютерное моделирование».
Метод моделирования является одним из фундаментальных методов познания, и развитие аппаратного и программного обеспечения компьютеров способствует его совершенствованию. Компьютерное моделирование развивает творческий потенциал студентов, системное мышление, помогает закреплению знаний и умений. В последние годы различают аналитическое и имитационное моделирование. Ана-
литическое моделирование позволяет создавать математическую модель реального объекта в виде системы алгебраических или дифференциальных уравнений, из которых получают точное решение. Как отмечает Н.В. Макарова, имитационное (программное) моделирование или логико-математическая модель исследуемого объекта представляет собой алгоритм функционирования системы, реализованный в виде программного комплекса [5]. Выделяют три подхода к имитационному моделированию: системная динамика (макроуровень, позволяет оценить систему в целом), дискретно-событийное моделирование (описывает систему как иерархическую последовательность элементов) и агентное моделирование (описывает систему как совокупность сложных объектов, связанных определенными правилами).
Приведем классификацию имитационных моделей по способу реализации:
1) алгоритмические модели: алгоритм, компьютерная программа, которые позволят имитировать смену состояний в системе и, таким образом, будут представлять поведение моделируемой системы;
2) графические модели: прикладные программы векторной и растровой графики. Способы представления объектов в растровой графике — в виде геометрических примитивов. В растровой графике объекты состоят из пикселей (2D-графика) или вокселей (3D-графика);
3) структурно-функциональные модели: блок-схемы, сетевые и иерархические графы.
В учебном процессе в соответствии с целями моделирования и решаемыми задачами применяется агентное имитационное моделирование. Н.П. Пупырев в своей статье описывает педагогические возможности компьютерных моделей, визуализирующих человеческие знания, не имеющие текстовых описаний. Модели позволяют вести поиск путей перехода от наблюдаемых образов-картин к формулировке некоторой гипотезы о механизмах и процессах, скрытых за динамикой наблюдаемых картин [6]. Медицинские анатомические изображения внутренних органов можно получить с помощью магнитно-резонансной томографии, компьютерной томографии и ультразвуковой диагностики. Для правильного восприятия анатомических объектов и структур этой информации бывает недостаточно, так как не
отображаются топографические отношения, которые описывают пространственное взаиморасположение органов относительно друг друга, их связь с кровеносными сосудами и нервами. Визуализация медицинских объектов — это объемная трехмерная реконструкция анатомических объектов математическими методами по множеству параллельных сечений и получение их воксельного представления. Воксельные модели создают систематическое представление о строении организма человека, точно и наглядно передают анатомическую информацию, облегчают ее понимание, часто используются для анализа медицинской и научной информации. Сообразно с этим в Институте математики и информатики в медицине (Гамбург, Германия) создано обучающее и научное программное обеспечение VOXEL-MAN: 3D-Navigator.
В основу разработанного курса «Компьютерное моделирование» положено использование навыков информационных технологий, которые предполагают умение работать с готовыми программными продуктами, навыки построения компьютерных моделей и основных способов алгоритмизации. Для его реализации достаточно ввести в каждое традиционное практическое занятие по анатомии человека компьютерный практикум продолжительностью 30 минут.
Новые педагогические идеи заключаются в том, что предложен интегрированный подход к использованию компьютерных и педагогических технологий при проведении практических занятий по дисциплинам «Информатика» и «Анатомия человека» на основе имитационного моделирования реальных анатомических объектов и структур.
Весь курс «Компьютерное моделирование» состоит из двух модулей.
Модуль № 1. Компьютерные модели медицинской информации. Задачи: формирование информационно-коммуникационной компетенции (ИКК) студентов; освоение информационной технологии моделирования, компьютерного моделирования анатомических объектов и структур; закрепление базовых знаний по основам алгоритмизации; развитие аналитического и системного мышления, познавательных интересов и творческих способностей. Тематический план по модулю «Компьютерные модели медицинской информации»
соответствует программе и календарно-тема-тическому плану обучения анатомии человека. Созданные имитационные модели позволяют описать свойства сложных морфологических структур, а структурно-функциональные модели объясняют структуру анатомических объектов. Для построения компьютерных моделей используется среда текстового и графического редакторов, редактора блок-схем или программа подготовки презентаций. При прохождении модуля № 1 студенты выполняют итоговую работу или проект (см. рисунок), анализ моделей осуществляется на семинарах.
Модуль № 2. Дополнительные возможности визуализации медицинских данных. Задачи: формирование информационно-технологической компетенции (ИТК) студентов; освоение расширенных возможностей офисных пакетов Microsoft Office Visio, Word, PowerPoint; освоение научного программного обеспечения VOXEL-MAN: 3D-Navigator (Германия); закрепление знаний и умений интернет-технологий (анатомический атлас «Primal Pictures», Великобритания); развитие системного мышления, познавательных и творческих способностей. Занятия проводятся индивидуально или в группе по отдельному расписанию, при этом используются часы, отводимые на самостоятельную работу. Основные результаты, достигнутые при прохождении модуля № 2: повышение уровня знаний и пользовательских навыков по работе в офисных прикладных пакетах; повышение уровня подготовки в работе с анатомическими атласами медицинской визуализации. Проверка обученности студентов включает компьютерный тест и выполненную практическую работу.
Перечислим положительные моменты использования компьютерных образовательных технологий в учебном процессе на кафедре анатомии человека: доступность достоверной, наглядной, актуальной и полезной информации; минимальные затраты времени на поиск информации; развитие системного мышления, инициативности и рефлексии; демонстрация своей работы (плаката, презентации, проекта, доклада) на семинаре и в дальнейшем ее коллективное обсуждение.
Основные педагогические условия совершенствования обучения с применением компьютерных и информационных технологий:
Части кости
Названия костей
ь
т
с
о m
к u
e
я ide
а oi
н И &
в c
е s
ь s o
а
£ о
С
ь
т
с
о к
к um
я а tru et
н u
н
а & tri s
х o
е
р
я
и
ц m
е п iu
а р -т e ape
ь- &
т с о s o
Ко
ь
т
с
о
к m
ая н u ideu oi
Ч
и e
в е t
и ц
е s
п o
а
р
ь
т
с
о m
к tum
я a
а it
ата Р в apic c
о л s o
й
Кости запястья ossa carpi
Пястные кости (l-V) ossa metacarpi
Кости пальцев ossa digitorum
Кости кисти ossa manus
а н
ал ti
ъ I
S J
а
1-
н ia
а di
ал e
& m
я
я an
н
и a
е
р p
С
а
н
а is
ал W
о t is di
я
а у
н
ь
ал «
та
с p
и
Структурная схема кисти руки
оснащение кабинетов техническими средствами, формирование банка знаний учебно-методической и научной информации.
На кафедре анатомии человека Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии (СПбГПМА) компьютерные технологии используются с 2005 года. В 2010 году в учебном процессе стали применятся технологии дистанционного обучения. Компьютерный класс кафедры анатомии человека подключен к информационной библиотечной платформе Ovid Technologies, Inc. (http://ovidsp.ovid.com, Ovid), в состав которой входит интерактивный анатомический атлас «Primal Pictures», включающий в себя 20 учебных и методических модулей. Все изображения векторной графики основаны на реальных снимках и описывают около 6500 анатомических структур. Разнообразие форм представления информации создают условия, способствующие лучшему восприятию и запоминанию учебного материала с включением подсознательных реакций обучаемых [7].
В 2011 году в осеннем семестре на кафедре анатомии человека СПбГПМА был проведен педагогический эксперимент. Цель педагогического исследования — выявление эффективности проведения практических занятий на основе имитационного моделирования реальных анатомических объектов и процессов. Проводилось сравнение усвоения материала в двух группах студентов: экспериментальной и контрольной. В обеих группах темы занятий и количество часов, отводимых на освоение материала, были одинаковы; разница была лишь в методах обучения. В контрольной группе оно основывалось на традиционных методах обучения анатомии человека без применения компьютерных технологий. При оценке эффективности использовался подход, основанный на теории проверки статистических гипотез, в частности метод анализа таблиц сопряженности, который сводится к статистическому критерию Пирсона. Результаты эксперимента опубликованы [8]. На однопроцентном уровне значимости была статистически доказана эффективность использования
имитационного моделирования в процессе обучения студентов медицинских специальностей. Анкетирование студентов педиатрического и лечебного факультетов СПбГПМА, в том числе и иностранных, проведенное в весеннем семестре 2011 года, показало, что студенты готовы посещать на кафедре анатомии человека дополнительный курс «Изучение анатомии человека в формате 3D» по материалам обучающего и научного программного обеспечения VOXEL-MAN: 3D-Navigator [9].
В результате реализации курса «Компьютерное моделирование» появляется возможность использовать в учебном процессе визуальные образы изучаемых анатомических объектов, вырабатывается умение устанавливать логическую связь между функциональ-
ными процессами и этими объектами. Этот курс помогает решать учебные задачи дисциплины «Анатомия человека»: хорошо ориентироваться в сложном строении тела человека, свободно находить, определять положение и проекцию органов и их частей; помогает всесторонне раскрыть взаимосвязь и взаимозависимость отдельных частей организма. Данный курс полезен при подготовке студентов к практическим занятиям по анатомии человека. Он способствует получению дополнительных умений и навыков в области компьютерных и информационных технологий, программных средств. В последующем полученные умения, несомненно, будут использоваться будущими врачами при решении вопросов в области практической медицины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гайворонский, И.В. Инновационные технологии в преподавании дисциплины «Анатомия человека» [Текст] / И.В. Гайворонский, А.И. Гайворонский // Медицина. XXI век. — 2008. — № 9. — С. 38-43.
2. Большаков, О.П. Место и роль топографической и клинической анатомии в современной системе высшего медицинского образования [Текст] / О.П. Большаков // Морфология. — 2008. — № 1. — С. 7—19.
3. Use of interactive sessions and e-learning in teaching anatomy to first-year optometry students [Text] / B. Choudhury, I. Gouldsborough, S. Gabriel // Anatomical Sciences Education. — 2010. — Jan. — Feb. — Nr. 3. — P. 39—45.
4. Development of a supported self-directed learning approach for anatomy education [Text] / G.S. Findlater, F Kristmundsdottir, S.H. Parson, T.H. Gillingwater // Ibidem. — 2012. — Mar. — Apr. — Nr. 5 (2). — P. 114—121.
5. Макарова, Н.В. Информатика [Текст]: учеб. для вузов / Н.В. Макарова, В.Б. Волков. — СПб.: Питер, 2011. — 575 c.
6. Пупырев, Н.П. Педагогические возможности компьютерных моделей [Электронный ресурс] / Н.П. Пупырев // Соврем. наукоемкие технологии. — 2004. — № 6 — С. 68—69. — Режим доступа: http://goo.gl/vi7pU.
7. Дидактика и компетентность в профессиональной деятельности преподавателя медицинского вуза и колледжа [Текст]: рук. для преподавателей / под ред. М.Г. Романцева, М.Ю. Ледванова, Т.В. Сологуб. — Режим доступа: http://www.rae.ru/ monographs/73—2717.
8. Никонорова, М.Л. Инновационные технологии обучения анатомии человека и оценка статистической надежности полученных результатов [Текст] / М.Л. Никонорова, Ю.А. Пичугин, Н.Р. Карелина, С.В. Круглов // Морфология. — Т. 142, № 4. — СПб., 2012. — С. 92—95.
9. Она же. ИТ и компьютерные средства обучения в преподавании анатомии человека [Текст] / М.Л. Никонорова, Н.Р. Карелина // LAPLAMBER Academic Publishing GmbH&Co. KG. — Saarbruocken, 2011. — 82 p.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ / AUTHOR
НИКОНОРОВА Маргарита Леонидовна — аспирантка кафедры информатики факультета математики Санкт-Петербургского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. 199186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48 тел. (812) 312-86-24 (кафедра) nikml@yandex.ru
NIKoNoRoVa Margarita L. — Russian State Pedagogical University.
191186, Moika, 48, St. Petersburg, Russia
nikml@yandex.ru
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
