弥合新冠疫情时代的技术鸿沟：利用虚拟 outreach 项目向初高中学生普及影像技术

Kevin D. Phelan; Mohsin Syed; Noor Akhter; Tiffany W. Huitt; Gregory R. Snead; Billy R. Thomas; Karen L. Yanowitz

doi:10.3791/64051

方法文章

弥合新冠疫情时代的技术鸿沟：利用虚拟 outreach 项目向初高中学生普及影像技术

DOI：

10.3791/64051

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2022年9月28日

Kevin D. Phelan¹ , Mohsin Syed¹ , Noor Akhter¹ , Tiffany W. Huitt¹ , Gregory R. Snead² , Billy R. Thomas³ , Karen L. Yanowitz⁴

¹Division of Clinical Anatomy, Department of Neurobiology and Developmental Sciences, College of Medicine, University of Arkansas for Medical Sciences, ²Department of Emergency Medicine, College of Medicine, University of Arkansas for Medical Sciences, ³Department of Pediatrics, College of Medicine, University of Arkansas for Medical Sciences, ⁴Department of Psychology and Counseling, Arkansas State University

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文概述了如何利用同步的基于网络的虚拟外展活动，向六至十二年级的学生介绍超声、计算机断层扫描和脑电图等先进成像技术。文章讨论了开展集成化STEM教育直播课程所需的方法和设备，以有效促进学生的参与。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

提升选择科学、技术、工程和数学（STEM）领域职业的学生多样性，是美国当前高度关注的重点领域，尤其是在医学院设立的面向幼儿园至12年级（K-12）学生的衔接培养项目中。多样化的STEM人才队伍有助于改善问题解决能力并促进医疗保健领域的公平性。对于农村地区的学生而言，其中两大主要障碍是缺乏足够的STEM榜样人物，以及课堂中技术资源的获取受限。医学院通常可作为当地社区学生的重要资源平台，学生可通过校园内资助的活动以及向本地课堂延伸的STEM推广项目，便捷地接触STEM专业人士和现代技术。然而，代表性不足的少数族裔（URM）学生往往居住在社会经济条件较差的农村地区，例如阿肯色州的部分区域，在这些地区，获取STEM榜样和技术资源的机会十分有限。新冠疫情时期的在线学习已证明，医学院的影像技术资源可用于覆盖更广泛的受众群体，特别是那些居住在远离医学院校园的偏远地区的学生。

引言

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由医学院支持的面向K-12阶段的STEM人才输送项目之所以存在，是因为医学领域中代表性不足的少数群体（URMs）比例偏低，这一现象与其他STEM领域缺乏多样性的情况相似。研究人员和医疗专业人员缺乏多样性可能加剧健康差异。许多医疗工作者与其服务的患者在种族或文化背景上并不相似，这可能使患者感到被排斥¹。在全国范围内，代表性不足的少数群体占美国人口的37%²，但在专业院校教职员工中仅占7%至10%³^,⁴^,⁵。建立一支具有多样性且具备文化胜任力的医疗 workforce，对于识别、应对并最终减少健康差异具有重要意义。医疗行业的多样性可通过专注于对少数种族和族裔群体影响更严重的疾病研究，以及通过增加愿意服务于通常缺乏医疗资源社区的医生人数，来帮助缓解健康差异问题⁶。

阻碍少数族裔学生（URM）注册并成功完成STEM学位的因素有很多。这些障碍包括：由于高中毕业率较低，导致申请人数较少⁷；大学阶段STEM专业完成率显著偏低，获得高级硕士或博士学位的比例也较低⁸；在校学习的持续性较差⁹^,¹⁰，整体毕业率较低¹¹；所在社区缺乏高水平课程资源以及合格教师¹²；甚至在学校中存在学习方式偏好的差异（例如，少数族裔学生更倾向于小组合作和动手实践，而非讲座式教学）¹³^,¹⁴。众所周知，早期教育经历对塑造少数族裔学生的长期教育轨迹至关重要，而这些学生通常来自对少数族裔学生缺乏支持甚至漠不关心的教育环境。大多数少数族裔学生在其大家庭或本地社区中都没有STEM领域的榜样。近期研究表明，早期接触STEM外展项目与建立STEM身份认同呈正相关，并且似乎能够激发学生对STEM领域的兴趣¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸。

作为位于美国农村地区阿肯色州的唯一一所主流学术医学中心，该州的贫困率在美国位居前列¹⁹，作者所在的大学及其多元、公平与包容部门多年来建立了一个强有力的K-12教育衔接项目，以支持将代表性不足群体（URMs）学生招入其各类项目中。早期对学生进行指导已被证明是在招生、留任和毕业支持方面行之有效的策略。全美各地本科院校开展的衔接项目在这方面已取得一定成效（例如，申请医学院的URMs学生人数有所增加⁶）。针对初中和高中阶段学生的衔接项目也已显现出初步成效²⁰^,²¹^,²²。及早开展干预以激发学生对STEM领域的兴趣，有助于吸引多样化背景的学生关注STEM相关学科与职业，进而增加进入大学、选择STEM专业，并攻读生物医学科学和/或健康相关专业研究生学位的高中生人数及其多样性。

COVID-19 对 K-12 教育造成了诸多影响，包括限制中小学生进入医学院校区设施，以及中断面向本地学校的线下 outreach 活动。这场大流行迫使许多 STEM outreach 项目不得不重新定位自身，从原本以小组形式、动手实践为主的模式，转向以虚拟 outreach 为主的模式²³^,²⁴^,²⁵。这一转变带来的挑战包括：人际互动的减少、学生无法亲自动手操作技术设备、无法实地参观医学院及其设施，以及对在线学习平台产生的疲劳感²⁶。然而，虚拟 outreach 也带来了新的机遇，可在一定程度上弥补上述挑战，例如通过向全州学生展示其课堂内无法接触到的先进成像技术，扩大参与范围，并弥合技术鸿沟。

医学院是先进成像技术及其他市面上可获取的教育技术的重要资源，这些技术通常超出了中学和高中课堂的常规预算。超声成像非常适合中学阶段的学生，因为它能够实时观察人体内部结构。即使在虚拟授课的情况下，这种技术也能极大地吸引学生的兴趣。在美国，国家科学教育标准要求中学科学课程中学习波的性质²⁶。演示超声技术及其在医学成像中的应用，是将科普活动与课堂教学内容紧密结合的极佳方式。没有什么比实时扫描人体——尤其是运动中的器官，如心脏搏动、肌肉收缩或胃肠道的蠕动——更能吸引学生的注意力了。然而，由于设备成本高昂、临床使用排期紧张以及安全问题，在STEM科普活动中无法使用X射线和计算机断层扫描（CT）成像技术。

幸运的是，目前医学教育机构校园内正逐步普及多种解剖学可视化成像设备²⁸。这些设备配备了来自真实患者的CT图像数据库，可供学生查看，并支持三维重建功能。此外，初高中学生已通过国家科学课程标准的学习，对电磁波谱（例如X射线、可见光、红外线）有一定了解，因此这类成像技术的应用能够很好地与课堂所学内容相衔接。即便在医学院环境中，要在虚拟STEM科普活动中使用医用级脑电图（EEG）设备也存在困难，且需要专业技术人员协助完成受试者的脑电记录准备工作。相比之下，价格相对低廉的商用头戴式设备虽然可能难以普及到每一所初高中课堂，但对于医学院的STEM科普项目预算而言则完全可行。这些市售的无线头戴设备安装简便，所需准备时间极短，并配备专用软件，可实现脑电活动的可视化成像，非常适合尚未接触过此类脑功能成像技术的初高中学生群体。

开展高效的虚拟 STEM 科普活动不仅需要一台笔记本电脑、一个摄像头和一个基于网络的视频平台。基本的台式机或笔记本电脑还需配备多种其他设备，以提升体验并实现高质量、专业水准的直播。本文介绍了一种集成化的三站点方案，该方案已被用于开展同步的、基于网络的虚拟科普活动，其中包括超声成像和 CT 成像等高级成像技术，以及脑电活动在大脑中定位的可视化。

方案

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本研究经机构审查委员会批准，属于"豁免"类别，因此从学生和教师收集的项目评估数据无需知情同意。下文所述的超声和脑电图记录是在标准化患者（SP）上进行的，相关人员充分知晓这是教育推广活动的一部分。

1. 设备放置与连接

广播用笔记本电脑
1. 将笔记本电脑（图1A，粗红色箭头）放置在中央位置的桌面上，作为广播演播室的中心工作站。将笔记本电脑的充电器插入电源保护器，确保在整个外展活动期间笔记本电脑始终保持充满电状态。
2. 将高质量电容麦克风的通用串行总线（USB）电缆插入笔记本电脑的USB端口，或根据需要使用多端口USB扩展器。
用于视频输入选择和画中画（PIP）功能的视频切换器
1. 将视频切换器的电源线（图1A，粗绿色箭头）插入电源保护器，并将另一端连接至视频切换器上的"power"插孔。
2. 将USB线缆一端插入视频切换器的"USB out"端口，另一端插入广播用笔记本电脑的USB端口。
  注意：视频切换器的USB输出功能相当于一个网络摄像头，应能被基于网页的视频平台识别为摄像头设备。
3. 将视频切换器附带的以太网电缆插入视频切换器的以太网端口。将电缆的另一端插入USB3.0转千兆以太网适配器，再将适配器的USB端插入广播用笔记本电脑的另一个USB端口，或根据需要使用多端口USB扩展器。
4. 使用厂商提供的链接，在专用广播笔记本电脑上下载视频切换器软件。
用于安装摄像机的三脚架和顶部支架
1. 在解剖标本操作台上方安装一个顶部模块化演播室支架，下方放置一张大桌子（图1B）。将可调节的摄像机支架安装并居中固定在顶部支架上（图1B，红色箭头），使其正对解剖标本操作台中心位置。将一台配备远程控制功能的高质量视频摄像机安装在支架上（图1B，蓝色星号）。将摄像机电源线插入摄像机的电源接口。
2. 在广播区域内战略性地布置坚固且可调节的三脚架（图1A 和 图1C、D，蓝色箭头）。在每个操作台设置一台主摄像机以获取广角视野，并根据需要在各站点增设摄像机以获取特写画面（例如，在超声操作台用于显示探头在标准化患者[SP]身上的放置位置）。
3. 在每个三脚架上安装一台高质量视频摄像机（图1A 和 图1C、D，蓝色星号）。将紧凑型电源适配器插入附近的电源插座，另一端插入摄像机的充电接口。安装遮光罩以阻挡天花板灯光产生的杂散光。
  注意：尽管大多数视频摄像机配有电池组，但使用电源线供电更为稳妥，可避免摄像机在广播过程中意外断电。顶部摄像机具备远程控制功能，可在不遮挡解剖标本操作台主画面的情况下轻松调节变焦，操作者可在远处完成调整。
4. 将迷你HDMI转HDMI线缆插入每台摄像机的迷你HDMI接口。将一根超长HDMI线缆（例如15英尺长）的一端连接至迷你HDMI线缆，另一端朝向视频切换器布线。
5. 在房间内合理布置HDMI线缆，以便于人员移动，并用胶带将其固定在地面上以防绊倒。将顶部支架上摄像机所连接的HDMI线缆和电源线缠绕在支架结构上，确保其不会进入主摄像机视野，也不会在广播过程中脱落。
多端口HDMI切换器
1. 将用于提供画中画（PIP）模式小窗口视频信号的摄像机连接至配备遥控器的多端口HDMI切换器（图1A，细绿色箭头）。
  注意：若HDMI输入设备数量超过视频切换器所支持的最大四个HDMI端口，则必须使用多端口HDMI切换器。
2. 将多端口HDMI切换器的HDMI输出端连接至视频切换器的四个主HDMI输入端口之一。
用于幻灯片演示及作为脑电图（EEG）笔记本电脑无线接口的辅助笔记本电脑
1. 将辅助笔记本电脑（图1A 和 图1C，细红色箭头）连接至其电源适配器，并将适配器插入电源保护器。
2. 将HDMI线缆一端连接至笔记本电脑的HDMI端口，另一端连接至视频切换器的一个HDMI输入端口。
3. 为无线遥控器充电，并将其USB接收器插入辅助笔记本电脑的一个USB端口。
4. 提前将所有幻灯片演示文件预加载至演示用笔记本电脑的桌面。
  注意：使用定制的"welcome slides"可使虚拟演示更具个性化。
广播监视器
1. 在每个操作台附近椅子/凳子上战略性地放置笔记本电脑，作为广播监视器使用（图1A–C，黄色箭头）。将笔记本电脑充电器插入电源保护器。
  注意：这些监视器使演示者能够像普通参与者一样实时观察广播画面。在解剖标本操作台尤其重要，便于调整屏幕上标本的位置。
2. 启用笔记本电脑的无线网络连接，确保其随时可用。
超声扫描操作台设置
1. 在专用于超声操作台的中央区域放置一台临床超声笔记本设备及设备推车（图1A，紫色箭头）。将超声设备的电源线插入电源保护器。
2. 将一根HDMI线缆连接至超声笔记本电脑的HDMI端口，另一端连接至信号转换器设备的HDMI输入端。再将另一根HDMI线缆一端连接至转换器的HDMI输出端，另一端连接至视频切换器或HDMI切换器。
3. 设置转换器的内置开关，使超声笔记本电脑的HDMI输出信号符合视频切换器的HDMI输入要求。本例中设置为1,2,3,4,5,7 = 开启；6,8 = 关闭。
  注意：不同品牌超声笔记本系统的转换器设置可能需要通过反复试验确定。
4. 若超声笔记本设备支持心电图（ECG）模块（例如三导联USB-ECG单元），则将其USB端插入超声笔记本电脑。将三个ECG快接电极放置在设备附近，以便随时贴附于标准化患者（SP）身上。
5. 战略性地放置一张病床或便携式按摩床，使其与专用于超声（US）操作台的主摄像机视角呈一定角度（图1A）。在床面上铺上床单，并在靠近超声推车的一端放置带枕套的枕头。将一瓶超声耦合剂和纸巾放在触手可及的位置，以便于擦拭标准化患者身上的耦合剂。
三维解剖可视化操作台设置
1. 将解剖可视化操作台的电源线插入电源保护器并开启设备。将解剖可视化操作台计算机的以太网电缆插入墙上的有源以太网接口，或连接至无线网络。
2. 将一根超长HDMI线缆（例如15英尺）一端连接至解剖可视化操作台，另一端连接至视频切换器或HDMI切换器的一个HDMI端口。
3. 使用厂商提供的凭据登录解剖可视化操作台。预先加载本次课程相关的CT病例之一（例如心脏搭桥手术病例），并将其位置调整至屏幕中心右侧，避免被画中画（PIP）小窗口遮挡。
脑电图（EEG）操作台设置
1. 将无线EEG头戴设备附带的充电线连接至头戴设备，并将另一端插入计算机的USB端口，以完成充电。将无线蓝牙适配器插入计算机的USB端口，或使用USB适配器连接至笔记本电脑。
2. 头戴设备充满电后，将泡沫帽插入EEG头戴设备的14个导联接口，并在每个导联处滴加几滴生理盐水滴眼液。将头戴设备佩戴在标准化患者（SP）头部，并根据设备说明书调整各导联位置。按下头戴设备上的按钮开启设备。
3. 开启专用于EEG的计算机，并启动无线EEG头戴设备软件。选择可用的头戴设备，点击连接，并按照软件提示操作，直至头戴设备图像上所有指示灯变为绿色，表示14个导联均接触良好。点击窗口左上角的无线头戴设备软件链接，切换至实时脑电图记录界面。根据需要调整设置。
4. 启动EEG脑部可视化软件。选择相同的可用头戴设备并点击连接。点击窗口底部框架中的图标，选择脑部的顶部固定视角。
5. 缩小脑部可视化软件和EEG软件窗口的尺寸，使两者各占笔记本电脑屏幕桌面的一半面积。
6. 开启专用于EEG的笔记本电脑的屏幕共享功能（例如，系统偏好设置 | 共享 | 屏幕共享开启，并选择所有用户）。
7. 将EEG专用笔记本电脑和幻灯片专用笔记本电脑连接至同一无线网络。在幻灯片专用笔记本电脑上，点击桌面上相应的图标安装并启动远程桌面查看软件。在远程主机框中输入EEG专用笔记本电脑的名称或IP地址，然后点击连接。通过幻灯片专用笔记本电脑上弹出的共享屏幕登录EEG专用笔记本电脑。

2. 测试基于网络的视频平台广播设置、视频设备及软件连接

广播笔记本电脑
1. 在广播笔记本电脑上打开基于网页的视频平台程序，并启动一个新会议会话。
2. 点击视频平台程序屏幕边框左下角静音图标右侧的箭头。在选择麦克风列表中，选择外接麦克风。点击测试扬声器和麦克风选项，以测试音频输出和输入的音量水平。
3. 点击视频平台程序屏幕边框底部停止视频图标右侧的箭头。在选择摄像头列表中，选择显示为1920 x 1080_60.00fps的视频源。
  注意：视频切换器输入到笔记本电脑的信号将显示为两个独立条目（一个为60帧/秒，另一个为30帧/秒）。
4. 选择停止视频下拉菜单 | 视频设置。在摄像头设置中，取消勾选镜像我的视频。
5. 点击视频平台程序底部边框上的参与者按钮，然后点击右侧面板底部的邀请按钮。记录下11位会议号码和6位会议密码，这些信息将在步骤2.3.1中使用。
视频摄像机
1. 通过按下视频切换器或多端口HDMI切换器上的相应按钮，测试每个站点的主摄像头视角。确保每个视角中的内容居中显示。
2. 通过在视频切换器上选择指定为画中画（PIP）的摄像头并选择设备上的PIP模式，测试每个PIP摄像头的画中画设置。按下视频切换器上的PIP按钮以激活PIP模式。
3. 测试无线遥控器，确认能够方便地在连接至多端口HDMI切换器的各个摄像头或其他输入设备之间切换。
监控笔记本电脑
1. 在每台监控笔记本电脑上启动基于网页的视频平台程序。输入会议邀请号码并按回车；输入密码并按回车。关闭要求加入音频的窗口，但不要加入音频，以避免产生音频反馈。
2. 选择停止视频下拉菜单 | 视频设置。在摄像头设置中，取消勾选镜像我的视频。
  注意：配备 overhead 摄像头的解剖标本站的显示器必须与广播笔记本电脑的摄像头设置一致，以确保标本的方向对讲者和学生而言保持一致。
3. 点击视频平台程序中的监控图标，并将笔记本电脑重命名为监控 #1和监控 #2，以便参与者知道它们不是其他参会者。
4. 选择演讲者视图 | 全屏。固定演讲者视图。通过按下第一个 - 按钮缩小插入窗口，并将其移至屏幕一侧，以免遮挡任何画面。
演示笔记本电脑与遥控器
1. 打开专用于幻灯片的笔记本电脑。更改窗口设置以复制显示（即Windows 设置 | 系统 | 多显示器 | 复制这些显示器）。
2. 启动幻灯片演示程序并加载测试文件。选择幻灯片放映图标，并测试遥控翻页器，检查其在讲者演讲时所站位置是否正常工作。
视频切换器软件控制设置
1. 为本次课程制作流程图，列出所有镜头，包括指定的摄像头视角、视频信号源以及是否启用PIP模式。确保列表中包含插入画面的精确位置，具体取决于主画面所使用的信号源（例如，偏左或左上角）（例如，参见图2A-I中的截图）。
2. 在广播笔记本电脑上启动视频切换器软件控制程序。点击宏下拉菜单。将弹出窗口移至屏幕一侧（见图1D，单个黄色星号）。
3. 点击宏弹出窗口中的创建按钮。点击面板中的第一个空槽，然后点击+按钮。为此第一个镜头输入一个名称，然后点击录制按钮。
4. 在视频切换器软件控制面板上，为相应摄像头（例如CAM1或CAM4）选择节目按钮。如果该镜头不包含PIP，则跳至步骤2.5.7。
5. 如果该镜头启用了PIP模式，点击下一次切换部分中的ON AIR按钮。在屏幕右侧进入上游键1部分，点击DVE标签。将PIP模式中插入视图的摄像头设为填充源。
6. 通过输入x和y坐标及尺寸来调整插入视图的大小。在视频平台程序的广播窗口中确认插入画面的位置。
  注意：点击位置或尺寸标签部分的X或Y，并向左或向右移动鼠标，可滚动浏览设置。
7. 点击宏弹出窗口，按下红色小按钮以停止录制。
8. 重复步骤2.5.3–2.5.7，为步骤2.5.1中创建的流程图中的每个镜头分别创建宏（例如，参见图1D所示的截图）。
  注意：视频切换器提供多种转场视频效果和字幕叠加选项。本方案仅描述PIP模式的基本操作。
9. 点击屏幕顶部的文件下拉菜单，选择另存为。为文件设置输入一个名称。
标准化病人
1. 将未穿衬衫的男性标准化病人放置于检查台上。将心脏超声探头置于左侧第3或第4肋间胸骨旁位置，探头标记朝向右肩方向。调整探头位置，直至获得显示左心房、左心室、主动脉流出道及其相关瓣膜的胸骨旁长轴切面（例如，图2E）。
2. 将心电图电极片贴附于标准化病人身上（即一个位于右锁骨上方，一个位于左锁骨上方，一个位于左下躯干侧部）。将心电图导联连接至电极片，并测试以确保超声笔记本设备上显示稳定的心电图波形。

3. 实时视频平台直播会话设置

设备检查
1. 启动已发送给参与者的视频平台直播会话。快速检查麦克风，操作如步骤 2.1.2 所述。
2. 重复上述步骤 2.3.1–2.3.4，设置好显示器笔记本电脑。
3. 如果有工作人员担任聊天栏监控员，请其在聊天栏中向参与者发送欢迎信息，告知他们可将任何匿名问题发送给该监控员，以便代为提出。
  注意：仅当学生以个人身份登录会话并能匿名提问时，此步骤才必要。匿名性可能有助于初中至高中阶段的学生，他们可能不愿在虚拟环境中公开提问。
4. 建议参与者切换至演讲者模式，以获得最佳体验。
5. 启动视频切换器软件控制程序，点击文件下拉菜单 | 恢复，选择在步骤 2.5.9 中保存的文件名。点击新弹出窗口底部的恢复按钮。点击宏下拉菜单，并将弹出菜单移至一侧。点击宏菜单上的运行按钮，并从宏菜单中选择第一个镜头。
6. 将视频切换器软件窗口移至屏幕底部，但保留部分顶部白色边框以便需要时点击（见图 1D）。
  注意：点击视频平台直播软件窗口会导致宏弹出窗口消失，但再次点击视频切换器软件控制窗口后该弹出窗口将重新出现。在检查聊天栏功能时需执行此操作。
7. 在视频平台软件程序中开始录制，以记录本次外展活动。选择录制到本计算机选项。
  注意：停止录制并退出程序后，将弹出窗口提示软件正在转换录制的视频。转换所需时间取决于虚拟外展活动的时长。
解剖标本相关内容
1. 心脏标本站
  1. 使用绵羊、猪和牛的心脏标本，展示心脏大小的差异以及人类心脏的相对大小（即介于绵羊与猪心脏之间）（例如见图 1B）。使用绵羊标本展示心包囊，使用猪心脏展示心脏的表面解剖结构。
    注意：若目标受众年龄适宜（如高中高年级学生），可在演示中使用人类尸体心脏。
  2. 使用心脏模型识别进出心脏的主要血管（图 3A）。演示冠状动脉的位置，并讨论其阻塞如何导致心肌梗死。
  3. 演示心脏的内部解剖结构（图 2B）。指出四个腔室和瓣膜，并说明其单向功能由压力变化介导，而非电活动（图 3A）。使用心脏模型指出心壁中的内在起搏细胞。
  4. 提及心室壁的不同厚度，并讨论心脏在需要更用力工作时可能出现的心肌肥厚（如长期高血压期间）。指出室间隔，并讨论婴儿出生时心脏存在孔洞的情况（即房间隔或室间隔缺损）。
2. 脑标本站
  1. 使用模型讨论构成脑神经组织的两种主要细胞类型（如神经元和胶质细胞）。讨论树突与轴突的功能差异、神经元如何在突触处相互连接及其电化学本质、胶质细胞如何包裹轴突形成髓鞘，以及多发性硬化症是一种导致脱髓鞘的疾病。
  2. 演示人脑的主要部分（即大脑半球、小脑、脑干），并与脊髓进行对比。指出大脑半球表面的主要裂隙和脑回、脑沟标志，例如分隔两个大脑半球的纵裂（图 3B，红色箭头）以及分隔初级运动皮层和初级感觉皮层的中央沟（图 3B，黄色箭头）。讨论不同脑叶的功能定位以及初级运动皮层和感觉皮层的躯体定位排列。讨论阿尔茨海默病患者大脑中脑回的萎缩现象。
  3. 演示脑正中矢状切面上的主要结构（如胼胝体、丘脑、下丘脑），以及脑干和前脑的冠状切面结构。指出黑质的色素性外观及其在帕金森病中的重要性。识别脑室系统的各部分，并将其与脑室铸型模型联系起来。
超声站内容
1. 超声基础
  1. 解释超声的频率高于人类可听范围。说明探头是声波的来源，声速由其传播介质决定。解释超声设备默认人体内声速为 1,540 m/s，但人体内不同结构的传导速度存在差异。解释当声波从一种介质传播到另一种介质并遇到阻力时，会产生超声回波。
  2. 引导学生理解超声图像顶部对应于放置在胸部的探头位置。演示心脏在不同切面（如胸骨旁长轴和胸骨旁短轴）的 B 模式成像，并指出各腔室和瓣膜。演示彩色多普勒模式下血液流经心脏的成像，解释红色表示朝向探头方向的运动，蓝色表示远离探头方向的运动。
  3. 在心脏的胸骨旁长轴切面（例如图 2E）中，识别二尖瓣（在舒张期调节血液从左心房流入左心室）和主动脉瓣（在收缩期调节血液从左心室流出至主动脉）。展示二尖瓣与主动脉瓣的交替开闭，并说明瓣膜交替关闭产生听诊器可听到的心音“ lub-dub”。
  4. 在心脏短轴切面中，识别左心室的圆形轮廓和右心室的半月形轮廓。调整探头角度以可视化呈现倒置的“奔驰标志”样主动脉瓣。
计算机断层扫描（CT）站内容
1. 解释 CT 扫描仪以螺旋方式向患者发射 X 射线，从而实现任意平面的三维重建。通过病例说明骨骼和金属在 CT 图像上呈白色，液体呈灰色，空气呈黑色。
2. 在解剖可视化台上选择多平面重建（MPR）模式（即点击蓝色小人图标 | MPR），选择三个主要平面，这些平面将出现在左侧面板中。双击图像将其加载至主屏幕，再次双击可缩小图像。演示图像如何在不同切面（如冠状面、矢状面、横断面）上逐层扫描人体。
3. 对于心脏 CT 成像，演示正常大小心脏与肺部的相对比例（如三分之一定律）。识别心脏的四个腔室，追踪主动脉从左心室发出的路径，然后识别主动脉弓的主要分支。展示一个植入起搏器的扩大心脏病例（例如图 2G）。利用该病例演示扩大的心脏占据胸腔左侧大部分区域的情况。
4. 展示一例因胸骨由金属钢丝固定而显示曾接受开胸手术的患者。选择已保存的图标，演示右侧冠状动脉的闭塞情况，并识别和追踪从主动脉发出并延伸至心脏的冠状动脉旁路移植血管（右侧一条，左侧两条）（见图 3C）。
脑电图站内容
1. 展示佩戴无线耳机的标准化病人（SP）（插图，图 3D，黄色星号）。指出分布在大脑特定脑叶上方的 14 个不同导联（每侧 7 个）。讨论各脑叶中神经元和胶质细胞的电活动如何穿过颅骨传导至皮肤表面电极。
2. 提高软件阈值，演示全脑均处于活动状态。降低无线脑电图软件中脑电波的阈值，以展示特定脑叶内（如额叶和顶叶）高活动区域的定位（图 3D，左侧面板）。监测不同脑叶活动的变化，以说明存在普遍的活动模式，但每次活动模式并不完全重复。
3. 讨论脑电活动由具有特定频率的不同波形组成。使用脑可视化软件窗口中的滑块分离特定波形（如 α 波和 β 波）。让 SP 咀嚼以演示脑电记录中的运动伪影，或闭眼以演示 α 波活动的增强。讨论脑电记录在临床环境中的应用（如癫痫或睡眠研究）。

结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

进行虚拟直播并不绝对需要正式的专用空间，但受限于成像技术的近距离使用需求。图1展示了一个临时搭建的直播工作室，包含了本方案中描述的所有设备（图1A-D）。主要设备设置位于一间配备解剖可视化台的房间内（图1C），其中包括超声笔记本电脑设备（图1A）；相邻的走廊则用于设置解剖标本工作站，以便安装 overhead 摄像头支架（图1B）。

图2 包含一次以心脏为主题的虚拟外展活动的示例视频帧序列，用于展示所采用的屏幕格式类型，以增强演示的视觉吸引力并促进学习。介绍性信息（例如欢迎幻灯片、基金支持信息、工作人员介绍、简要的课程提纲）显示在一张幻灯片上，同时在侧面嵌入实时主讲人的视频画面（例如 图2A、I）。这种方式既使演示区别于常规的幻灯片展示，又保留了视频平台软件中可见演讲者的功能。

解剖标本演示采用位于左上角的小型主讲人画中画窗口，并以俯视摄像机作为主画面（图2B）。这种方式使主讲人能够在近距离展示特定结构的同时，直接面向观众讲解。关键要点的总结幻灯片以单独的简洁形式呈现，便于工作人员在不同站点之间顺畅地进行后台切换（图2C、F、H），并帮助学生巩固核心学习内容。 strategically positioned monitors allow the staff to read the summary slide during the transition. 初始超声图像仅显示广角视图，以便主讲人介绍患者（SP），演示超声笔记本电脑的设置，并讲解超声原理及超声探头的工作方式（图2D）。

在实时超声扫描中，包含一个插图，放大显示棘突（SP）的局部细节，这有助于学生将所观察到的图像与探头放置位置联系起来（图2E）。这一点对于超声检查至关重要，因为探头在棘突上的微小移动（例如旋转、滑动或倾斜探头）都会改变最终成像结果。当演示解剖可视化台时，同样使用插图，因为观察台面操作对于帮助学生建立空间方位感、理解三维重建所展示的内容至关重要（图2G）。当由同龄人或年龄稍长的学生（例如高中生和大学生）进行演示时，这一点尤为重要，可使初中和高中学生能够想象自己未来也能够操作此类技术。

表1列出了用于生成图2中所示各种画面的视频切换软件控制键设置参数。该表格标明了每个用户自定义软按钮的名称、主屏幕所激活的摄像头、画中画（PIP）视图所使用的摄像头，以及画中画子窗口的尺寸和位置。这些设置对应于实验方案中步骤2.5.1至2.5.8所生成的配置。

表2列出了由负责管理直播的工作人员使用的幕后制作备注，用于指导何时手动选择合适的摄像机并切换幻灯片，为下一个镜头做好准备。尽管视频切换器能够实现镜头之间的平滑过渡，但仍需有人在幕后进行相应选择，以确保直播画面的无缝衔接。此外，即使使用了视频切换器和多端口HDMI切换器，来自超声笔记本电脑HDMI输入和解剖可视化台HDMI输入的信号仍需手动切换。此操作可在投影超声摘要幻灯片时进行。

如果有第二个视频切换器可用，可将超声设备和解剖可视化台的HDMI输出连接至第二个视频切换器，再将该切换器的输出连接至主视频切换器上通常由这两个设备共享的HDMI端口。在这种情况下，只需简单按下第二个视频切换器上的按钮，即可切换输入信号至主视频切换器，而无需更换HDMI线缆。如果预算有限，这种配置所带来的便利性可能不足以抵消额外成本。或者，也可使用第二个多端口HDMI切换器。

所示复合图像图3 提供近龄讲解员在以心脏和大脑为主题的科普活动中的应用实例。图中展示了使用心脏模型和标本（插图）的情况。 图3A人类尸体脑标本及模型（插图）的使用如图所示 图3B. 图3 显示一位右冠状动脉闭塞患者CT扫描的三维重建图像（图3C，红色箭头）和冠状动脉旁路移植血管（图3C，黑色箭头）。在SP中使用无线EEG记录脑活动的方法如图所示 图3D，包括原始脑电图记录（右侧面板）以及脑电活动在大脑中的软件可视化呈现（左侧面板）。在面向初中和高中学生进行传播时，应考虑引入近龄的STEM领域榜样人物。本研究中，STEM科普团队中的近龄高中生宣讲员被用于主持虚拟科普活动，为美国联邦机构员工子女在其赞助的“带孩子上班日”活动中开展了一次为期30分钟的心脏主题科普讲解²⁹ 以及一次持续60分钟的大脑训练课程³⁰).

在所述的外展讲座中所采用的三站式综合方法，通过使用基于网络的虚拟视频学习平台，为课程提供了多样性并保持了学生的注意力。更重要的是，本方案中列出的三种成像方式均需要通过复习相应区域（即心脏或大脑）的一些基本解剖结构，为学生做好知识铺垫。虚拟讲座可轻松针对目标受众的具体年龄和兴趣进行定制。本文所述方案已用于为全州范围内的多种初中、高中学生群体以及教师提供以技术为核心的虚拟STEM外展讲座。这些讲座的部分示例列于表3中。

为了评估虚拟外展讲座的效果，研究人员向教师征求了他们对讲座价值的看法。参与反馈的九名教师所代表的班级共有约150名高中生。研究人员通过电子邮件发送调查问卷，要求教师使用5点李克特量表对有关虚拟外展讲座的八项陈述进行评价（见表4）。收集数据后进行统计分析，采用单样本t检验（双尾）判断各项评价结果是否显著不同于量表的中性预期值（3分，即“既不同意也不反对”），并计算每项陈述的显著性（p值）以及95%置信区间的上下限。各项陈述的应答频率详见表4。

教师评估结果表明，这些虚拟课程有效利用了课堂时间（p < .05），并且教师认为学生在虚拟课程期间学到了一些有关 STEM 或技术的知识（p < .01）。教师强烈同意“他们会向其他教师推荐这些虚拟外展课程”这一说法（p < .001），并表示愿意再次邀请该团队开展虚拟外展课程（p < .05）。综合前六项陈述的数据可以看出，尽管课程以虚拟形式进行，该方法仍似乎有望为学生提供积极的学习环境。最后两个问题涉及参加课程的学生（无论是现场参与还是虚拟参与）的参与程度。

中立的教师评估数据（即与中立点相比，无显著更高或更低的反馈）表明，学生在课堂上并未被虚拟外展课程充分吸引。此类问题未出现显著提升并不意外，因为动手实践活动对学生吸引力远超任何虚拟活动。教师对课程价值的认可，以及学生参与度方面未出现显著负面评价，支持了在无法开展线下动手实践课程时，采用此类虚拟外展课程的做法。

表5列出了学生在虚拟心脏或脑部课程期间，通过视频平台聊天栏提交的学习收获示例。主讲人通常会要求学生列举出在本次课程中学到的五项此前不了解的知识。这些反馈表明，学生在参与科普活动过程中保持了专注，确实学到了相关知识内容，并进一步证实了教师对活动整体效果的积极评价。

配备摄像机和骨骼模型的多媒体讲座设置；在线解剖学课程设备与界面。
图1：配备所列全部设备的临时直播工作室。（A）直播用笔记本电脑（粗红箭头）、幻灯片演示用笔记本电脑（细红箭头）、视频切换器（粗绿箭头）、HDMI多端口设备（细绿箭头）、三脚架（蓝色箭头）和安装好的视频摄像机（蓝色星号），以及超声用笔记本电脑（紫色箭头）的视图。靠近直播笔记本电脑的摄像机朝向走廊方向，用于拍摄解剖标本站的主讲人。照片左侧的三脚架和摄像机为超声工作站提供主视角，而位于按摩床头端和足端的摄像机则用于在超声扫描期间提供标准化患者（SP）的特写画面。以黄色箭头标注的笔记本电脑是超声工作站的直播监视器。（B）解剖标本站的视图，桌上放置有心脏标本和心脏模型，桌面上方设有顶部摄像装置，包括相机支架（红箭头）和视频摄像机（蓝色星号）。该工作站的监视用笔记本电脑以黄色箭头标示。（C）CT成像工作站的视图，图像最右侧为垂直放置的解剖可视化台。图像左侧的三脚架（蓝色箭头）和视频摄像机（蓝色星号）为CT成像工作站的主摄像视角。在解剖可视化台工作站的主讲人可直接观看桌面上的主直播笔记本电脑（粗红箭头）或幻灯片演示用笔记本电脑（细红箭头）。图像右侧凳子上的笔记本电脑（黄色箭头）是超声工作站主讲人的监视器。（D）直播过程中直播笔记本电脑屏幕截图，显示超声工作站的画面，其中三脚架（蓝色箭头）和安装的视频摄像机（蓝色星号）位于按摩床的足端。视频切换软件控制窗口（双黄色星号）已移至屏幕底部，腾出显示区域。宏命令弹出窗口（单个黄色星号，宏按钮位于屏幕右侧）。缩写：SP = 标准化患者；CT = 计算机断层扫描。请点击此处查看此图的放大版本。

心脏解剖与CT扫描；教学图示、超声、超声心动图、影像结果。
图2：以心脏为主题的虚拟科普活动中的视频帧示例。（A）带摄像头1实时插入画面的介绍性幻灯片示例。（B）解剖标本与模型展示站， overhead camera 视角及摄像头2的实时插入画面。心脏标本已被打开，以展示右心室内部结构。（C）心脏解剖要点总结幻灯片。（D）超声成像站，显示来自摄像头3的实时画面。（E）超声站，显示来自摄像头2的实时插入画面及超声笔记本电脑的视频输出。该扫描为心脏的胸骨旁长轴切面，显示左心房、左心室、右心室和主动脉。（F）超声成像要点总结幻灯片。（G）CT成像站，显示来自摄像头4的实时插入画面及解剖可视化台的视频输出。扫描显示心脏增大（黄色星号标记），左肺体积较右肺减小。（H）CT成像要点总结幻灯片。（I）观众提问环节的结束幻灯片，带摄像头1的实时插入画面。缩写：CT = computed tomography；RV = right ventricle；LA = left atrium；LV = left ventricle；RV = right ventricle；A = aorta；LL = left lung；RL = right lung。请点击此处查看此图的放大版本。

带标注器官和脑叶的人体解剖学研究、CT扫描分析及脑电图结果。
图3：在心脏和大脑展示中使用同龄指导学生。图中展示了三位同龄指导学生在解剖学展示站（插图A、B）和解剖可视化CT成像站（插图C）进行虚拟外展教学的情景。其中一位同龄指导学生在脑电图（EEG）站担任标准化病人（SP）（插图D）。主图内容如下：（A）用于展示心脏各部分结构的心脏模型，包括右心房（RA）、肺动脉干（PT）、右心室（RV）、左心房（LA）、左心室（LV）和主动脉（A）。（B）解剖标本展示台，显示完整的人体尸体保存大脑，以及纵裂（红色箭头）、中央沟（黄色箭头）、额叶（FL）、顶叶（PL）和枕叶（OL）的位置。（C）利用解剖可视化台进行CT成像，展示了一例冠状动脉旁路移植术后的心脏扫描图像，可见闭塞的右冠状动脉（红色箭头）及旁路移植血管（黑色箭头）。（D）合成屏幕图像，显示使用无线脑电头戴设备记录标准化病人（SP）的脑电活动（黄色星号，插图面板）、头戴设备14个导联的脑电记录（右侧面板），以及脑部可视化软件重建图像，以上视图显示脑电活动在大脑左侧或右侧半球的定位（左侧面板）。图像顶部为额叶位置。缩写：CT = computed tomography（计算机断层扫描）；EEG = electroencephalogram（脑电图）；FL = frontal lobe（额叶）；SP = standardized patient（标准化病人）；RA = right atrium（右心房）；PT = pulmonary trunk（肺动脉干）；RV = right ventricle（右心室）；LA = left atrium（左心房）；LV = left ventricle（左心室）；A = aorta（主动脉）；PL = parietal lobe（顶叶）；OL = occipital lobe（枕叶）。请点击此处查看该图的放大版本。

宏软面板按钮编号	已保存的宏按钮名称	ATEM Mini Pro 上的键设置
1	IntroSlides-inset	摄像机 4；开启播出；摄像机 2 DVE；X 位置 = -7.3；Y 位置 = 0.3；X 尺寸 = 0.49；Y 尺寸 = 0.49
2	Anatomy-inset	摄像机 1；开启播出；摄像机 2 DVE；X 位置 = -10.2；Y 位置 = 5；X 尺寸 = 0.38；Y 尺寸 = 0.38
3	Anat-SummarySlide	摄像机 4
4	US-Intro-noinset	摄像机 2
5	US-inset	摄像机 3；开启播出；摄像机 2 DVE；X 位置 = -10.2；Y 位置 = 5；X 尺寸 = 0.38；Y 尺寸 = 0.38
6	US-SummarySlide	摄像机 4
7	CT-inset	摄像机 3；开启播出；摄像机 2 DVE；X 位置 = -10.2；Y 位置 = 5；X 尺寸 = 0.38；Y 尺寸 = 0.38
8	CT-SummarySlide	摄像机 4
9	Questions-inset	摄像机 4；开启播出；摄像机 2 DVE；X 位置 = -7.3；Y 位置 = 0.3；X 尺寸 = 0.49；Y 尺寸 = 0.49s

表1：用于生成所示心脏视频帧的视频切换软件控制设置示例图2. 下表列出了各个宏软面板按钮、对应的按钮名称，以及在虚拟切换器软件中启用各种数字视频效果所需的关键设置。缩写：CT = 计算机断层扫描；US = 超声；DVE = 数字视频效果。

镜头顺序 #	软按钮面板选择	为准备下一个镜头需执行的额外操作
1	以 IntroSlides-嵌入画面开始	[演示者使用遥控器切换幻灯片]
2	切换至 Anatomy-嵌入画面	按下遥控器上的相机2并切换幻灯片
3	切换至 Anat-SummarySlide	按下遥控器上的相机1
4	切换至 US-Intro-无嵌入画面	切换幻灯片
5	切换至 US-嵌入画面	按下遥控器上的相机3
6	切换至 US-SummarySlide	先按下遥控器上的相机4，然后在ATEM上将超声信号替换为SECTRA HDMI信号
7	切换至 CT-嵌入画面	切换幻灯片
8	切换至 CT-SummarySlide	按下遥控器上的相机1
9	切换至 Questions-嵌入画面并切换幻灯片

表2：心脏展示的示例广播镜头记录。 该表格列出了镜头顺序、软面板按钮选择以及在虚拟广播中为准备下一个镜头所需执行的附加操作。缩写：CT = 计算机断层扫描；US = 超声。

组别描述 #	学生年级	虚拟科普主题	实验站点
初中预科科学班	8	超声与红外成像	声速测量与红外成像
暑期科学STEM博览会	6至8年级	骨骼演示	解剖标本站
每周解剖学与技术互动 - 2020、2021年暑期项目	6至12年级	心脏	心脏解剖、心脏超声、心脏CT成像
每周解剖学与技术互动 - 2020、2021年暑期项目	6至12年级	肺	肺解剖、呼吸系统超声、呼吸系统CT成像
每周解剖学与技术互动 - 2020、2021年暑期项目	6至12年级	脑/中枢神经系统	脑与脊髓解剖、神经超声、颅骨与脑部CT成像
每周解剖学与技术互动 - 2020、2021年暑期项目	6至12年级	全身各部位超声检查	超声站点
每周解剖学与技术互动 - 2020、2021年暑期项目	6至12年级	全身各部位CT成像	SECTRA站点
高中科学班	9年级	心脏	心脏解剖、心脏超声、心脏CT成像
高中科学班	9年级	脑	脑解剖、颅骨与脑部CT/MRI成像、活体受试者脑电图记录
学生运动员STEM学院（SASA）- 暑期项目	9至12年级	肌肉、肌腱、关节、骨骼、心脏、脑、颅骨	模型与骨骼演示、常见运动损伤部位超声成像、常见肌肉骨骼损伤CT成像、心脏解剖
健康职业招募与体验项目（HPREP）	9至12年级	心脏	心脏解剖、心脏超声、心脏CT成像
农村学区高中科学班	9至10年级	心脏	心脏解剖、心脏超声、心脏CT成像
农村学区高中科学班	9至10年级	脑与中枢神经系统	脑解剖、颅骨与脑部CT成像
美国心脏协会“Sweethearts”项目	10年级	心脏	心脏解剖、活体受试者心脏实时超声扫描、心脏起搏活动心电图记录、心脏CT成像
癌症项目 – 暑期（高中高年级及大学）	11、12年级及大学	癌症类型、组织学与病理学综述	受癌症影响主要器官的解剖、这些器官的超声与CT成像、这些器官中癌症的虚拟组织病理学
阿肯色州科学节	面向所有感兴趣年级	心脏	解剖、超声、CT

表3：虚拟STEM科普讲座及目标受众 该表格列出了通过外展活动接触到的代表性学生群体的描述、年级水平、外展活动的主要主题以及活动中包含的各个站点。缩写：CT = computed tomography；US = ultrasound；STEM = science, technology, engineering, and mathematics；CNS = central nervous system；EEG = electroencephalogram；MRI = magnetic resonance imaging；EKG = electrocardiogram。#部分学生群体通过已知联系人直接招募，其余群体则通过其他途径招募通过网站发布内容

					单样本 t 检验（双尾）
	李克特评分（频数）#	平均评价	标准差	t	df	p 值	95% 置信区间（下限，上限）
我认为本次虚拟课堂 outreach 访问是课堂时间的有效利用	1(0), 2(2), 3(0), 4(0), 5(7)	4.33	1.32	3.024	8	.017 *	3.316, 5.350
该主题的讲解水平适合我的学生	1(0), 2(0), 3(0), 4(4), 5(5)	4.56	0.53	8.854	8	.000***	4.150, 4.961
我会向其他教师推荐此次 outreach 活动	1(0), 2(0), 3(2), 4(1), 5(6)	4.44	0.88	4.913	8	.001 **	3.767, 5.122
我欢迎 ArkanSONO 团队明年在我的课堂中开展虚拟 outreach 活动	1(0), 2(2), 3(0), 4(0), 5(7)	4.33	1.32	3.024	8	.017 *	3.316, 5.350
我认为我的学生在本次活动中学习到了新的 STEM 内容	1(0), 2(0), 3(2), 4(2), 5(5)	4.33	0.87	4.619	8	.002 **	3.668, 4.999
我认为我的学生在本次活动中了解了一些技术知识	1(0), 2(0), 3(2), 4(2), 5(5)	4.33	0.87	4.619	8	.002 **	3.668, 4.999
我课堂上的学生积极参与了此项活动	1(0), 2(4), 3(0), 4(3), 5(2)	3.33	1.32	0.756	8	.471	2.316, 4.350
我线上上课的学生积极参与了此项活动	1(2), 2(2), 3(1), 4(2), 5(2)	3.00	1.58	0.000	8	1.00	1.784, 4.215
	# 5 分制李克特量表					* p<.05
						** p<.01
						*** p<.001

表4：教师对虚拟外展课程的评估。 该表格列出了教师对八个不同项目评估问题的回答，采用五点李克特量表，并提供了回答的统计分析。缩写：STEM = 科学、技术、工程和数学；df = 自由度；CI = 置信区间。

心脏课程反馈	我了解了心脏的不同腔室，也学习了心室，还知道了超声波的工作原理。
	我学会了如何通过超声识别心包囊，以及在出血情况下可能观察到的现象。
	我以前不知道超声波除了可用于腹腔，还能用于身体其他部位。
	我了解到，心跳的声音是心脏瓣膜开闭所产生的。
	我以前不知道尿液是如何通过膀胱的。
	我了解到超声利用声波来观察身体结构，我原以为它和X光类似。
	我学会了在超声图像中应观察哪些内容，以及各种结构在超声下的实际表现。
	我以前不知道在超声中可以观察到所有肌肉的运动情况。
	我了解了骨骼在超声下的表现，以及超声是利用声波成像的。
	在这次线上课程之前，我不知道超声耦合凝胶的作用。
	我知道X光并不安全，但不知道超声是安全的！
大脑课程反馈	我了解到阿尔茨海默病患者的大脑与正常大脑的差异。
	我以前不知道中风的症状会因大脑受累部位不同而有所差异。
	我以前不知道可以在头部佩戴脑电图（EEG）设备来观察大脑活动！这真是太酷了！
	我以前不知道额叶皮层要到人接近30岁时才完全发育成熟。
	我以前不知道可以通过头戴设备观察大脑活动，想到阿尔茨海默病会导致脑回萎缩，真是令人感慨。
	我以前没意识到婴儿的颅骨要到长大后才会完全闭合。
	我学习了动脉瘤的影响。
	我了解到大脑有两层结构起到保护作用。
	某些疾病会导致大脑外观发生变化，并出现大量沟回，影响其功能。
	我学习了电极如何读取大脑中的电信号活动。
	我了解到CT是一种三维成像模式，可提供更详细的结构信息。
	我了解到，如果一个人惯用右手，则主要使用左脑。

表5：学生反馈——今天你学到了什么？ 该表格提供了学生在分别开展的大脑和心脏科普活动中学到内容的代表性反馈。学生评论摘自线上科普活动结束时的聊天栏。

讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

利用作者所在大学提供的便携式成像技术资源，通过联邦资助的STEM推广活动，为初中至高中学生开展了面对面、小规模、动手实践的STEM课程。这些工作与该校已有的丰富K-12阶段STEM人才培养项目相契合并予以加强，旨在提升进入STEM领域的学生多样性，特别是在阿肯色州。由于新冠疫情导致校园访问受限，所有活动被迫转为线上形式，促使人们重新构想动手实践类STEM活动的开展方式。尽管小规模、动手操作的技术体验应始终作为吸引学生进入STEM领域的目标，但线上推广活动的开展有助于扩大参与范围，并缩小在获取成像技术资源方面的差距。本研究中的科研团队主要通过网络公告、现有社区联系渠道，以及与大学多元事务办公室合作的方式招募学生和教师。

在阿肯色州这样的农村地区，扩大参与度尤为重要。医学院是现代成像技术的重要资源，可用于虚拟外展活动，以提升教师和学生对 STEM 概念的理解。本项目中的 STEM 外展团队得益于大学投入大量资金，购置了先进的超声和 CT 成像设备（例如，用于解剖可视化的解剖桌），专门用于教育活动。一项联邦资助的项目进一步补充了这些技术，采购了无线脑电图（EEG）头戴设备及配套软件包，可用于成像脑电活动的定位。每次活动均结合使用模型和解剖标本，因为解剖学是理解利用超声和 CT 等现代成像技术所获取图像的基础。本文所述方案详细说明了：只需在一些关键的附加广播相关设备上进行最低限度的投资，即可在面向 STEM 的虚拟外展活动中，对这些成像技术资源进行专业级的实时直播，从而吸引并激发学生的兴趣。

购买高质量的摄像机、若干切换器和配件，并利用其他可用的笔记本电脑，使团队能够为虚拟外展课程提供高质量的视频信号。在本文所述方案中，外展课程使用了六台独立的摄像机（三台用于超声扫描，两台用于解剖标本与模型站，一台用于解剖可视化CT成像站）。高质量的传输对于保持学生的兴趣至关重要，尤其是学生很可能通过教室的智能白板或投影仪屏幕观看演示，而这些显示设备通常会导致整体图像质量下降。照明非常重要，但高质量的摄像机可能无需额外配置摄影灯光。

视频切换器和多个摄像头是该系统中最关键的组成部分，因为它们能够实现画中画（PIP）功能。用视频切换器的输入信号替代笔记本电脑内置摄像头的视频信号，其优势在于直播时能更充分地利用屏幕空间，相比直接共享视频演示软件的屏幕画面，可提供更佳的视觉呈现效果。研究表明，将授课教师的影像与幻灯片或其他内容结合的实时合成视频课程，能够为学生带来更优的主观学习体验³¹^,³²。单独使用高质量的移动麦克风可提升音频效果，尤其当主讲人在授课过程中需要在不同站点间移动，且远离用于直播的笔记本电脑时，该设备将成为必要配置。

需要配备 HDMI 输出功能的医用超声笔记本电脑，以为虚拟视频平台的直播提供高质量图像。目前协议中使用的 commercially available 3D 解剖成像台是一种优质资源，许多医学院校均已配备，但大多数初中和高中尚不具备此条件。本方案所用的成像台搭载了虚拟 VH 解剖程序（本文未作描述），可提供解剖结构的三维及横断面视图，有助于为学生理解超声和 CT 成像所展示的解剖结构提供参考依据。该解剖可视化台连接至一个教育门户，其中包含数百例真实患者的 CT 和 MRI 扫描病例，为学生提供了理想的临床学习重点。这使得演示者能够将人体器官的 CT 成像与超声成像及相应器官的解剖标本展示相结合。例如，通过在不同平面上观察心脏的 CT 图像，有助于学生在脑海中构建心脏的三维图像，并理解其与肺等其他器官的相互关系。向学生提供一份经过注释的免费在线 CT 成像资源列表，可使他们在课程结束后自主重新学习并深入接触该技术。

医学院最重要的资源之一是其教师和学生，他们可以作为专业的STEM领域榜样。由于医学院校园内始终存在各种相互竞争的需求，教师参与STEM科普活动的时间往往难以保障。一支核心教师团队构成了STEM科普团队的基础，但在条件允许时，该团队有时也会包括同龄或相近年龄的同侪宣讲者（例如，图3）。尽管单人有可能在虚拟直播过程中间歇性地调整摄像机角度和视频切换器设置并完成全部操作，但更理想的做法是安排一名专职工作人员专门负责视频切换器和视频平台的直播程序，从而使主讲人能够专注于线上科普内容的呈现。在向参与者播放总结性幻灯片时，幕后进行角色轮换十分便捷。如果学生是单独登录参加科普活动，强烈建议安排第三名人员专门监控聊天栏。安排专人负责监控聊天栏、回答个体问题，或在必要时中断直播以提出匿名问题，对于调动沉默学生的参与积极性非常有帮助。尤其是初中和高中学生，可能不愿意在大型集体场合提问，特别是在看似缺乏人际互动的虚拟环境中。由聊天栏监控人员在活动开始时向所有参与者发送一条友好的欢迎信息，有助于为学生营造一个安全、可自由提问的氛围。聊天栏监控人员甚至可以远程登录，以减少直播现场的人员拥挤。

成功开展虚拟外展活动的主要挑战之一是缺乏面对面互动，以及无法通过观察学生的面部表情来判断其兴趣程度。由于显示器仅向主讲人提供直播画面，而非参与者的群体视图，主讲人需要一段时间才能适应无法看到参与者的情况。主讲人必须依赖幕后工作人员对活动过程的监控，以了解学生的参与程度，并确定未来可能需要做出哪些调整。当学生身体前倾、似乎想要获得更佳视野时，表明其注意力已被有效吸引。在活动中间歇性地向观众提问（例如，在每个站点总结幻灯片之后）可让学生有时间消化和反思刚刚学到的内容。本文提供的学生反馈和教师评估数据表明，此类虚拟外展活动在向学生介绍新的STEM（科学、技术、工程和数学）及成像技术知识方面具有显著效果，并为学生创造了积极的学习环境。这些发现与其他研究结果一致，即疫情期间开展的虚拟外展项目能够像线下活动一样有效吸引学生参与，促进更多学生加入STEM拓展项目，并为STEM领域专业人员与学生之间建立联系提供途径³³^,³⁴^,³⁵。

本文概述了在医学院环境中利用影像资源技术开展以虚拟技术为重点的科普推广活动所需的设备，旨在激发学生对 STEM 领域的兴趣。少量设备投入，例如几台高质量的 4K 摄像头，以及其他辅助设备如视频直播切换器，可有效增强演示的互动感，实现视觉效果良好的虚拟展示，促进学生的参与。通过实时演示人体超声扫描、人体三维 CT 重建图像的旋转展示，以及提供脑活动的实时脑电图（EEG）记录，有助于激发中小学生对 STEM 领域的兴趣。这些方法还可帮助弥补农村地区学生在获取区域性医学院资源方面的差距，并缓解在新冠疫情期间因相关限制措施导致所有学生无法接触资源的问题。

披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者声明无利益冲突。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究由美国国立卫生研究院（NIH）下属的国家普通医学科学研究所（NIGMS）提供的科学教育合作伙伴奖（SEPA）资助，项目编号为 R25GM129617。本内容仅由作者负责，不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。本研究中使用的部分设备（例如，解剖可视化台和临床超声笔记本电脑设备）由阿肯色医科大学（UAMS）医学院的资金购置。

材料

本文使用的材料清单
姓名	公司	目录编号	评论
4端口HDMI切换器	Iogear	IOGHDSW4K4	https://www.bhphotovideo.com
4K 视频摄像机	佳能 VIXIA HDG50	CAHFG50	高质量 4K 分辨率摄像机
辅助麦克风	Samson Meteor 麦克风
ATEM Mini Pro 视频切换台	黑魔法	BLSWATEMMP	https://www.blackmagicdesign.com
球头摄像机支架	Glide Gear	GG-33	https://www.bhphotovideo.com
Brain Viz 软件	Emotiv		https://www.emotiv.com
戴尔笔记本电脑	戴尔	13” Dell XPS 笔记本电脑
Emotiv Pro 软件	Emotiv		https://www.emotiv.com
Excel（适用于 Mac）	微软	v. 16.16.27	数据分析
带以太网的高速 HDMI 线缆，15 英尺	Pearstone	PEHDA-15	https://www.bhphotovideo.com
MacBook Air	苹果	13"1.8 GHz Intel Core i5，8 GB 1600 MHz DDR3	https://www.apple.com/macbook-air/
微型UpDownCross转换器	BlackMagicDesign	BLMCUDCHD	https://www.blackmagicdesign.com
mini HDMI 转 HDMI 转换器	Liberty AV 解决方案	AR-MCHM-HDF	https://www.bhphotovideo.com
顶置相机/灯光摄影棚支架	Proaim	P-OHLR-01	https://www.bhphotovideo.com
PC 笔记本电脑	戴尔		https://www.dell.com
ProTeam 按摩床	豪斯曼	7650
R Studio	R Studio PBC	2021.09.0	数据分析
远程载玻片推进器	罗技	远程 spotlight 展示
SECTRA 解剖台	Touch of Life Technologies		https://www.toltech.net；案例 [S003, 2099, U010]
绵羊、猪和牛的心脏	卡罗来纳生物公司	完美溶液保存法	https://www.carolina.com
TVN Viewer 软件	GlavSoft LLC		TightVNC 的一部分
超声笔记本设备	通用电气	NextGen LOGIQe 笔记本电脑/推车	https://logiq.gehealthcare.com
通用可调三脚架	Magnus	MAVT300
USB3.0 至千兆以太网适配器	徽标
无线控制器	佳能	WL-D89
无线脑电图头戴设备	Emotiv	EPOC X	https://www.emotiv.com
心电图包	通用电气	3导联USB心电图仪
ZOOM 软件	缩放	版本 5.10.1	Zoom.us

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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