Name: 弥合 COVID-19 时代的技术鸿沟:使用虚拟外展让中学生和高中生接触成像技术 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-09-28T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 55 s
Description: 了解如何通过虚拟外展向中学生和高中生展示超声、CT和脑电图等先进成像技术。这种同步网络直播方法能有效促进STEM职业兴趣，为农村学生提供关键技术接触机会。

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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。

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作者声明无利益冲突。

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。

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。

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

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

Bridging the Technology Divide in the COVID-19 Era: Using Virtual Outreach to Expose Middle and High School Students to Imaging Technology

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。

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。

提高选择科学、技术、工程和数学（STEM）领域职业的学生多样性是当前备受关注的重点领域……

通过虚拟讲座对现代成像技术进行专业级直播，有助于激发学生对 STEM 职业的兴趣，同时为学生提供接触 STEM 领域榜样人物的重要机会。以成像技术为重点的虚拟科普活动，能够有效缩小农村地区学生在技术获取方面的差距，同时有助于增加参与 STEM 相关领域学习的学生人数。我们在虚拟 STEM 科普讲座中采用的综合方法可作为面向服务不足人群的初步招募工具，有助于促进 STEM 人才输送渠道的多元化。视频切换器是本方案中的关键设备。将 USB 线的一端插入视频切换器的 USB 输出端口，另一端插入直播用笔记本电脑的 USB 端口。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一个 USB 3.0 转千兆以太网适配器。然后将适配器的 USB 端插入直播笔记本电脑的另一个 USB 端口。将用于提供画中画（PIP）模式小窗口的视频摄像机的HDMI输出端连接至配备遥控器的多端口HDMI切换器。将一根HDMI线缆的一端连接至超声笔记本电脑的HDMI端口，另一端连接至单路转换装置的HDMI输入端。再将另一根HDMI线缆的一端连接至该转换装置的HDMI输出端，另一端连接至视频切换器或HDMI切换器。设置转换器的内置开关，以重新配置超声笔记本电脑的HDMI输出，使其符合视频切换器的HDMI输入要求。在三维解剖可视化台站的设置中，将一根超长HDMI线的一端插入解剖可视化台，另一端插入视频切换器或HDMI切换器的其中一个HDMI端口。在脑电图工作站的设置中，将无线蓝牙适配器插入计算机的USB端口。将泡沫帽插入脑电图头戴设备的14个导联中的每一个，并在每个导联上滴加几滴生理盐水滴眼液。将头戴设备放置在标准化患者或SP的头部，并根据头戴设备的说明书调整导联的位置。接下来，打开专用的脑电图计算机，并启动无线脑电图头戴设备软件。选择可用的头戴式设备。点击“连接”，并按照说明操作，直到头戴设备图像上的所有指示灯均变为绿色，表明全部14个导联均已接触良好。然后单击窗口左上角的无线头戴设备软件链接，将屏幕切换至实时脑电图（EEG）记录界面。屏幕上将显示来自14个导联的每个导联的波长。然后按照文稿中描述的步骤激活脑电图脑可视化软件。在广播用笔记本电脑上激活视频切换器软件控制，并点击宏的下拉菜单。单击宏弹出窗口上的“Create”按钮。然后单击面板中的第一个空槽位，再单击加号按钮。为此第一个镜头输入名称，然后单击记录按钮。如果镜头将启用活动的画中画（PIP）模式，请点击下一个转场部分中的“on-air”按钮。然后在屏幕右侧，进入“Upstream Key 1”部分并点击 DVE 选项卡。在画中画模式的小画面视图中选择摄像机作为填充源。通过输入 X 和 Y 位置及尺寸来调整插图视图的大小。单击宏弹出窗口，然后点击红色小按钮以停止录制。对于超声成像，应指导学生理解超声图像的顶部对应于放置在胸部的探头位置。在不同切面展示心脏的B模式成像，并指出心腔和瓣膜。使用彩色多普勒模式展示血流通过心脏的影像，并解释红色表示血流朝向探头方向，蓝色表示血流远离探头方向。接下来，在计算机断层扫描（CT）教学环节中，通过具体病例说明骨骼和金属在CT图像上的表现，与液体和空气的表现进行对比。对于心脏的CT成像，展示正常大小心脏与肺部的相对尺寸。在横断面视图中识别心脏的四个腔室。在正位视图中，追踪主动脉从左心室发出的走行。然后辨认主动脉弓的主要分支，并追踪主动脉进入腹腔。展示一个心脏扩大并植入起搏器的病例。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。沿着起搏器导线进入心脏。接下来，展示一例接受过开胸心脏手术的患者，其胸骨由金属钢丝固定，可见手术痕迹。选择保存的图标以显示闭塞的右冠状动脉。然后识别并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。对于脑电图检查站的内容，将无线头戴设备展示在SP点上，指出分布在大脑不同脑叶上的14个导联。在软件中调高阈值，以显示全脑均处于活动状态。在无线脑电图软件中降低脑电波的阈值，以显示特定脑叶（如额叶和顶叶）内高活动区域的定位。要求模拟患者（SP）进行咀嚼，以演示脑电图记录中的运动伪迹。然后在观察孤立的α波时，要求模拟患者闭眼，以演示α波活动的增强。本研究中描述的心脏主题虚拟科普活动的示例视频帧如图所示。这些合成图像展示了在心脏和大脑主题科普活动中使用同龄人主讲人的实例。图中显示了一名患者右冠状动脉闭塞及冠状动脉旁路移植术的CT扫描三维重建图像。展示了无线脑电图（EEG）记录大脑活动的应用，包括原始脑电图记录以及通过软件对脑电活动在大脑中的可视化呈现。此处还列出了虚拟 STEM 科普讲座的内容，以及针对目标受众和教师对虚拟科普活动的评估结果。现代影像技术有助于加强学生对解剖学的理解。通过图像指出结构有助于学生了解基本解剖学。结合现代影像技术演示，可根据初中和高中课堂的年级水平灵活调整虚拟科普讲座内容，无缝融入现有课程体系。

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弥合 COVID-19 时代的技术鸿沟:使用虚拟外展让中学生和高中生接触成像技术

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利用虚拟现实技术实现冷冻电子断层数据的沉浸式分割与分析

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