1. 引言
颞下颌关节紊乱病(Temporomandibular Disorder, TMD)指累及颞下颌关节和(或)咀嚼肌系统，引起关节疼痛、弹响及张口受限等一组疾病的总称[1]。其发病率较高，根据流行病学调查报道[2] [3]，国内TMD发病率约为54.2%~61.9%。TMD患者可出现一系列的张口、咀嚼时关节疼痛症状，若不及时治疗，可发展为关节绞索、张口受限，严重时甚至完全不能张口[4]。TMD发生于儿童或青少年时，可导致面下部发育障碍，致使面部发育畸形，为患者带来生理和心理痛苦，影响患者生活质量[5] [6]。随着我国社会经济的发展和健康意识的提升，TMD的诊治需求日益增加，这对口腔医学教育提出了更高的要求。
传统TMD教学主要依赖课堂理论讲授和临床实践。然而，TMD的临床诊断和分型相当复杂，需要综合考虑患者的病史、临床表现、影像学检查以及实验室检查等多种因素[7] [8]，仅靠静态教学资源难以培养学生的综合临床思维能力。此外，临床实践受限于病例数量、带教教师经验及伦理约束，难以为每位学生提供充分的实践机会，带教教师难以同时指导多名学生进行复杂病例分析。这种教学模式往往导致学生毕业后临床操作能力不足，直接影响其职业发展。
现有研究已探讨了虚拟仿真技术在医学教育中的应用。例如，张师贤等[9]报道了虚拟仿真在口腔解剖生理学教学中的使用，指出其可增强学生对解剖结构的理解，但未涉及复杂临床流程的模拟。程实等[10]描述了云计算架构下的虚拟仿真平台建设，强调其在资源共享方面的作用，然而，该研究主要聚焦于平台架构，而非特定疾病的临床思维训练。梁广昱等[11]考察了数字孪生在控制课程中的应用，显示虚拟仿真可改善实验教学，但其针对工程领域，未扩展到医学临床场景。
人工智能技术在教育领域的应用也已被研究，如黄贵懿等[12]分析了地方本科院校教学质量问题，建议引入技术手段提升互动性，但未具体整合AI与虚拟仿真。张萍等[13]评估了虚拟仿真在心肺复苏教学中的混合式应用，结果显示其提高了操作技能，但研究限于急救技能，未涉及慢性疾病如TMD的诊断过程。梁熠溥等[14]探讨了5G虚拟仿真在医学实验技术人才培养中的模式，强调远程互动的优势，然而，该研究未包括力反馈硬件或个性化反馈机制。
这些研究虽提供了虚拟仿真和AI在医学教育中的基础框架，但存在局限：多数聚焦于单一模块(如基础知识或操作技能)，缺乏完整临床诊疗流程的整合；此外，前人工作多未结合硬件设备模拟触觉反馈，且个性化学习路径的实现有限。本研究通过开发一套基于AI的TMD虚拟仿真系统，填补了这些空白。具体而言，本系统整合了从基础知识到诊断治疗的全流程模拟，引入力反馈设备和智能助教模块，提供实时反馈和个性化路径，从而在现有知识体系中定位为针对TMD临床思维训练的综合平台，解决了传统方法在实践机会和互动性方面的不足。
本研究以建构主义学习理论为指导，强调学生通过主动探索和问题解决来构建知识体系。系统引入智能助教模块和力反馈设备，模拟临床诊疗流程。研究结果表明，该系统提高了学生的学习效果，并为口腔医学教育提供了可推广的范例。该项目针对TMD这一疾病的治疗，采用人工智能与虚拟仿真相结合的手段，提高了教学质量。设备硬件端成本低廉，易于推广，与软件端相辅相成，以提高教学效果。因此，本项目具有临床意义和应用价值。
2. 综合性实验虚拟仿真建设方案设计
本系统围绕“颞下颌关节紊乱病”这一临床常见病多发病，建立了“检查–诊断–治疗”完整临床诊疗环路。系统通过虚拟现实、多媒体、人机交互、力反馈硬件和网络通信技术，按照“能实不虚、虚实结合”的原则，构建基于循证医学思维的实验诊断和技能训练平台，学习者以角色扮演方式，线上进行患者临床检查、影像学检查、进行诊断、给出治疗计划，以提高学习者综合知识的应用能力、思辨能力和操作技能，促进学习者多学科知识的融会贯通，培养具有循证医学思维能力的高素质口腔医学人才。
项目以建构主义学习理论为基础，构建学习情境，采用“三模块–三层次”的设计思路：通过“基础知识学习”“进行临床检查”“诊断和治疗方案”三个基本模块的构建，构思了“认知知识–应用知识–深化知识”递进式的学习层次。将育人元素贯穿始终，注重培养学生思想品德、社会责任、医学伦理、职业素养。实验各模块遵循临床诊疗环路步骤，相互紧密联系、环环相扣，对培养学生诊疗一体化综合思路具有重要作用，最终实现项目制定的能力和素养培育目标(见图1)。
2.1. 实验总体框架
如前述，常规的课堂和临床教学有诸多限制之处，而虚拟仿真教学能够模拟真实的临床环境，增强学生的互动性和参与感，能够节约教学成本的同时，提升教学效果[13] [14]。基于建构主义学习理论和学生实际学习过程，本虚拟仿真项目教学过程分为了基础知识学习、虚拟仿真实践、学习效果检测三个阶段(虚拟仿真项目见图2)。
(1) 知识认知，相关基础内容学习
基础内容学习模块包括颞下颌关节紊乱病基础知识、临床检查方法、诊断标准、常用治疗手段四部分。其中基础知识内容呼应线下课堂教学环节，为课堂内容的深化；其他三个部分对应本虚拟仿真系统的三个主要环节：检查、诊断、治疗方案。本部分通过讲解视频、幻灯片、图像、文字等内容，对线下课堂上学到的知识进行回顾和加深。
(2) 知识应用，对虚拟患者进行临床检查
在知识应用阶段，系统通过虚拟现实(VR)、自然语言交互及力反馈技术构建沉浸式临床场景，支持
Figure 1. Experimental design ideas
图1. 实验设计思路
Figure 2. Virtual simulation experiment project
图2. 虚拟仿真实验项目
学生完成问诊、触诊、影像分析等七项核心检查。虚拟患者可动态响应语音提问并模拟疼痛反馈，力反馈设备还原触诊振动感。人工智能助教全程提供操作纠错与数据记录，并根据薄弱点推荐专项训练。该系统突破传统教学限制，允许无风险反复练习，结合多人协作模式培养临床思维与团队协作能力，显著提升操作规范性和诊断信心。
(3) 知识深化，基于检查结果给出诊断，并制订合理的治疗方案
学习者综合患者临床资料及检验结果、沟通信息等进行诊断，并提交诊断依据。如果学习者之前的检查结果有误或判读不准确，可能会导致无法得出正确的诊断结果，因此需要重新思考和分析。系统能够对学生的错误之处进行分析和反馈，根据口腔医学相关知识图谱，引导学生对知识掌握欠熟练内容进行再次学习，使学生能够掌握和应用正确手段对颞下颌关节病患者进行检查。
最后，在正确检查和诊断基础上，系统引导学生根据诊断结果，给出合理的治疗计划，从而锻炼学生深入思考、分析问题和解决问题的综合能力，以达到思维训练目的。学习结束后，系统根据学生整个学习过程的表现，给予成绩，体现过程性考核。学生的学习情况和分析结果将被汇总至教师端，供教师参考，以便制定下一步的教学计划。
2.2. 技术实现
本虚拟仿真实验项目采用校企协作模式开发，结合3D仿真、二维动画及HTML5技术，通过Unity3D、3D Studio Max、Maya和Visual Studio等工具，构建了高度仿真的颞下颌关节紊乱病诊疗训练系统。具体实现途径如下：
2.2.1. 三维模型设计与渲染
颞下颌关节、咬合肌群及相关解剖结构的建模基于临床影像数据，使用3D Studio Max和Maya完成高精度三维建模。模型表面纹理、材质及光照效果通过Substance Painter进行渲染优化，以真实还原颞下颌关节的形态特征及病理状态(如关节盘移位、骨质增生等)。针对触诊环节，通过Maya的动力学模拟技术，构建了可交互的软组织形变模型，模拟触诊时的动态反馈。将三维模型导入Unity3D引擎，搭建虚拟诊疗场景。利用Unity的物理引擎模拟颞下颌关节运动及咬合力学特性，并通过C#脚本实现关节触诊、张口度测量等交互操作的逻辑控制。此外，结合力反馈设备，实时传递触觉信号，增强操作沉浸感。
2.2.2. 二维动画与交互设计
基础理论模块的二维动画(如疾病机制、治疗原理)采用Adobe Animate CC制作，通过骨骼绑定和逐帧动画技术，生动展示颞下颌关节的生物力学变化。动画内容与Unity场景无缝衔接，支持中英文双语切换，满足国际化教学需求。
2.2.3. 人机交互与流程控制
实验操作流程的交互逻辑通过Unity UI系统实现。界面按钮、弹窗提示及操作指引采用HTML5和CSS进行动态设计，确保跨平台兼容性。用户操作数据通过JavaScript实时记录，并反馈至智能助教模块，生成个性化学习报告。
2.2.4. 智能算法与反馈优化
基于Visual Studio开发的智能助教模块，集成自然语言处理(NLP)和机器学习算法，支持语音提问与文本答疑。系统自动分析学生操作中的错误模式(如误诊关节弹响类型)，通过Unity动态生成针对性训练任务，并推送补充学习资料。考核环节的AI评分系统结合规则引擎与模糊逻辑，实现诊断准确率、操作规范性的多维度评估。
3. 综合虚拟仿真系统实验效果实现
3.1. 基础知识学习阶段
在此环节中，拥有口腔医学知识图谱的人工智能助教快捷方式，一直位于屏幕下方，学生如有知识点未能理解，或陌生的名词和概念，可随时使用自然语言对助教进行提问，获得深入回答，并可进一步对回答内容进行探讨，从而深化理论知识的学习。
3.2. 软硬件结合进行临床检查阶段
临床检查模块为本虚拟仿真项目重点内容，包含问诊、视诊、下颌运动检查、肌触诊及运动试法、口内咬合检查、颞下颌关节触诊、影像学检查七个部分，模拟临床上对颞下颌关节病患者做出检查的全过程。
在颞下颌关节触诊环节中，配合教学团队开发的关节振动模拟设备(见图3)，学习者还可体会关节振动的真实手感，加深学习效果。学习过程中，系统通过音频、视频和文字等方式分步指引学生自主完成技能训练，并对学生的操作进行评价和反馈，从而规范每位学生的技能操作。
Figure 3. Vibration simulation device
图3. 振动模拟装置
4. 实验的建设特色及意义
4.1. 立足临床实践，创新教学模式
本实验立足于颞下颌关节紊乱病这一临床常见病、多发病，针对目前口腔医学生相关教学内容不足，课本知识与临床实践联系不够密切这一现状，提出使用虚拟仿真实验手段，采用情景教学模式，训练学生对TMD患者的问诊、临床检查手段、影像学结果分析等多方面技能，有助于学生相关知识点的学习，和临床技能的完善，最大限度减少临床风险。同时，虚拟实验也可作为学生的考核手段，对学生知识点掌握情况进行实际考察，以促进学生的知识、技能、临床思维全面发展[15]-[17]。
4.2. 软件硬件结合，提升教学效果
本实验不仅包含传统虚拟仿真实验手段中的人机对话，情景教学，临床考核等方面，还结合了简单硬件设备，以模拟临床触诊时的手感。该措施旨在解决目前虚拟仿真教学中，传统的人机对话模式难以进行触觉模拟这一关键问题，并且设备结构简单，价格低廉，便于推广使用。该软件硬件结合模式可以模拟临床实际环境，有利于提高实验教学质量。
4.3. 人工智能赋能，优化教学体验
本实验结合了山东大学口腔医学院颞下颌关节与咬合重建科关于TMD的诊断、治疗等丰富临床经验，结合人工智能技术，在虚拟问诊、智能助教、结果分析等环节实现智能化辅助，匹配学生需求，提供个性化学习路径。通过人工智能赋能，不仅强化了学生对TMD知识的理解与记忆，还提升了临床技能训练的效率和效果，与传统学习手段相比，实现了教学体验的提升。
5. 讨论
本虚拟仿真教学系统在TMD临床教学中的应用显示出优势。首先，系统通过虚拟现实和力反馈技术，模拟了临床环境，使学生能够在无风险条件下反复练习，提升操作规范性和诊断信心。其次，人工智能助教模块通过个性化学习路径和实时反馈机制，提高了学习效率。此外，系统的低成本硬件设计使其具有推广价值，适合在不同规模的医学院校中应用。
传统的TMD教学依赖课堂讲授和有限的临床实践，难以满足复杂病例的教学需求。本系统通过全流程模拟，覆盖从基础理论到临床操作的各个环节，使学生能够系统化地掌握有关TMD的知识。与现有研究相比，本系统在以下方面具有优势：
现有研究如吕新颖等[15]讨论了国家级虚拟仿真项目的建设，强调其在标准化教学中的作用，但未整合AI反馈机制。胡凯等[16]评估了混合式虚拟仿真在病理教学中的应用，结果显示其提高了诊断技能，然而，该研究限于病理图像分析，未包括触觉模拟或完整诊疗流程。张敏等[17]探讨了高校虚拟仿真环境的构建逻辑，指出其在资源整合方面的潜力，但缺乏针对特定疾病如TMD的临床思维训练。
这些研究虽奠定了虚拟仿真在医学教育中的基础，但存在空白：多数未结合硬件实现触觉反馈，且个性化评估有限；此外，前人工作多聚焦于单一学科或模块，忽略了跨模块整合。本研究通过引入力反馈设备和AI助教，解决了这些不足：在现有知识体系中，本系统定位为TMD专属的综合平台，提供从检查到治疗的全链路模拟和实时个性化指导，从而凸显其在提升临床思维能力方面的学术贡献。具体而言，本研究填补了TMD教育中触觉模拟和动态反馈的空白，扩展了虚拟仿真从理论到实践的适用性。
然而，传统教学在面对面指导和师生互动方面仍具有优势，尤其在培养学生医学伦理和职业素养方面。因此，本系统可作为传统教学的补充，形成“虚实结合”的混合式教学模式。
本系统在TMD教学中的应用为其推广至其他医学领域提供了范例。系统不仅适用于口腔医学教育，还可扩展至骨科、神经科等需要复杂诊断和操作训练的学科。此外，系统的低成本硬件设计和跨平台兼容性使其适合在欠发达地区推广，有助于缩小地区间医学教育资源差距。结合5G和云计算技术，系统可实现远程教学和多用户协作，进一步提升教学资源共享效率。
从社会意义看，本系统通过提高口腔医学生的临床能力，有助于提升TMD患者的诊疗质量，减轻患者生理和心理负担。同时，系统培养的医学人才将为我国口腔医疗体系的可持续发展提供支持，助力健康中国战略的实施。
6. 结语
本项目通过将人工智能与虚拟仿真技术融合，为口腔医学教育提供了解决方案。教学实践效果评估表明，系统提升了学生的学习兴趣、参与度及临床技能，通过个性化学习路径和实时反馈机制巩固了理论知识，增强了学生在TMD诊断与治疗方案制定中的综合能力。
基金项目
本文收到以下课题资助：山东大学校级教育教学改革研究项目2023Y189；山东大学齐鲁医学特色本科教育教学研究项目qlyxjy-202338；山东大学研究生教育教学改革研究项目XYJG2023091；山东大学【研·课程思政】(第四期)“全面推进中国式现代化建设”专项KCSZ23008；山东大学2025年实验技术类研究项目sy20252403；山东第一医科大学(山东省医学科学院)教育教学研究课题(JXGGYJ-22221603)；山东大学2024年本科教育教学改革与研究项目2024Y191。
NOTES
*共第一作者。
#通讯作者。