拡張現実(AR)技術は、情報の表示や3Dオブジェクトのレンダリングにおいて効果的であることが証明されています。学生は一般的にモバイルデバイスを介してARアプリケーションを使用していますが、歯の切削実習では依然としてプラスチックモデルや2D画像が広く使用されています。歯は3次元構造であるため、歯の切削実習を行う学生は、一貫したガイダンスを提供するツールが不足しているという課題に直面しています。本研究では、ARベースの歯の切削実習トレーニングツール(AR-TCPT)を開発し、プラスチックモデルと比較することで、実習ツールとしての可能性と使用経験を評価しました。
歯を削る動作をシミュレートするために、上顎犬歯と上顎第一小臼歯(ステップ 16)、下顎第一小臼歯(ステップ 13)、下顎第一大臼歯(ステップ 14)を含む 3D オブジェクトを順次作成しました。Photoshop ソフトウェアを使用して作成した画像マーカーを各歯に割り当てました。Unity エンジンを使用して AR ベースのモバイル アプリケーションを開発しました。歯の彫刻については、52 人の参加者を、コントロール グループ (n = 26、プラスチック製の歯の模型を使用) または実験グループ (n = 26、AR-TCPT を使用) にランダムに割り当てました。22 項目の質問票を使用して、ユーザー エクスペリエンスを評価しました。比較データ分析は、SPSS プログラムを介してノンパラメトリック Mann-Whitney U 検定を使用して実行しました。
AR-TCPTは、モバイルデバイスのカメラを使用して画像マーカーを検出し、歯の破片の3Dオブジェクトを表示します。ユーザーはデバイスを操作して各ステップを確認したり、歯の形状を研究したりできます。ユーザーエクスペリエンス調査の結果、プラスチックモデルを使用した対照群と比較して、AR-TCPT実験群は歯の彫刻体験において有意に高い評価を得ました。
従来のプラスチックモデルと比較して、AR-TCPTは歯の彫刻においてより優れたユーザーエクスペリエンスを提供します。このツールはモバイルデバイスでの使用を想定して設計されているため、アクセスが容易です。AR-TCPTが彫刻された歯の定量化やユーザー個々の彫刻能力に及ぼす教育的影響を明らかにするためには、さらなる研究が必要です。
歯の形態学と実習は、歯科カリキュラムの重要な部分です。このコースでは、歯の構造の形態、機能、および直接彫刻に関する理論的および実践的な指導を提供します [1, 2]。従来の教授法は、理論的に学習してから、学んだ原理に基づいて歯の彫刻を行うことです。学生は、歯の2次元 (2D) 画像とプラスチックモデルを使用して、ワックスまたは石膏ブロックに歯を彫刻します [3,4,5]。歯の形態学を理解することは、臨床診療における修復治療と歯科修復物の製作にとって重要です。対合歯と隣接歯の形状によって示される正しい関係は、咬合と位置の安定性を維持するために不可欠です [6, 7]。歯科コースは学生が歯の形態学を徹底的に理解するのに役立ちますが、学生は依然として従来の診療に関連する切削プロセスで課題に直面しています。
歯の形態学の実践に初めて取り組む人は、2D 画像を 3 次元 (3D) で解釈し再現するという課題に直面します [8,9,10]。歯の形状は通常、2 次元の図面や写真で表現されるため、歯の形態を視覚化することが困難になります。さらに、限られたスペースと時間で歯の彫刻を迅速に行う必要があることと、2D 画像の使用が相まって、学生が 3D の形状を概念化して視覚化することが困難になります [11]。プラスチック製の歯の模型 (部分的に完成した状態または最終形態で提示できる) は教育に役立ちますが、市販のプラスチック模型は多くの場合あらかじめ定義されており、教師と学生の練習の機会が制限されるため、その使用は限られています [4]。さらに、これらの練習用模型は教育機関が所有しており、個々の学生が所有することはできないため、割り当てられた授業時間中に練習の負担が増加します。指導者は、練習中に多数の学生を指導することが多く、従来の練習方法に頼ることが多いため、彫刻の中間段階に関する指導者のフィードバックを待つ時間が長くなることがあります [12]。したがって、歯の彫刻の練習を容易にし、プラスチックモデルによる制約を軽減するために、彫刻ガイドが必要である。
拡張現実(AR)技術は、学習体験を向上させる有望なツールとして登場しました。AR技術は、現実の環境にデジタル情報を重ね合わせることで、学生によりインタラクティブで没入感のある体験を提供できます[13]。Garzón[14]は、AR教育分類の最初の3世代に関する25年間の経験に基づき、第2世代のARにおける費用対効果の高いモバイルデバイスとアプリケーション(モバイルデバイスとアプリケーションを介して)の使用が、教育達成特性を大幅に向上させたと主張しました。モバイルアプリケーションは、作成およびインストールされると、カメラが認識されたオブジェクトに関する追加情報を認識して表示することを可能にし、それによってユーザーエクスペリエンスを向上させます[15、16]。AR技術は、モバイルデバイスのカメラからコードまたは画像タグをすばやく認識し、検出されたときに重ね合わせた3D情報を表示することで機能します[17]。モバイルデバイスまたは画像マーカーを操作することで、ユーザーは3D構造を簡単かつ直感的に観察および理解できます[18]。 AkçayırとAkçayırによるレビュー[19]では、ARは「楽しさ」を高め、「学習への参加レベルを向上させる」効果があることがわかった。しかし、データの複雑さから、この技術は「学生にとって使いづらい」場合があり、「認知的過負荷」を引き起こす可能性があるため、追加の指導上の推奨事項が必要となる[19, 20, 21]。したがって、使いやすさを向上させ、タスクの複雑さによる過負荷を軽減することで、ARの教育的価値を高める努力をすべきである。歯の彫刻の練習のための教育ツールを作成する際にAR技術を使用する際には、これらの要素を考慮する必要がある。
AR環境を使用して歯の彫刻を効果的に指導するには、継続的なプロセスに従う必要があります。このアプローチは、ばらつきを減らし、スキルの習得を促進するのに役立ちます[22]。初心者の彫刻者は、デジタルステップバイステップの歯の彫刻プロセスに従うことで、作品の質を向上させることができます[23]。実際、ステップバイステップのトレーニングアプローチは、短時間で彫刻スキルを習得し、修復物の最終設計におけるエラーを最小限に抑えるのに効果的であることが示されています[24]。歯科修復の分野では、歯の表面に彫刻プロセスを使用することは、学生のスキル向上に役立つ効果的な方法です[25]。この研究は、モバイルデバイスに適したARベースの歯の彫刻練習ツール(AR-TCPT)を開発し、そのユーザーエクスペリエンスを評価することを目的としています。さらに、この研究では、AR-TCPTのユーザーエクスペリエンスを従来の歯科用樹脂モデルと比較し、AR-TCPTが実用的なツールとして持つ可能性を評価しました。
AR-TCPTは、AR技術を使用するモバイルデバイス向けに設計されています。このツールは、上顎犬歯、上顎第一小臼歯、下顎第一小臼歯、および下顎第一大臼歯の3Dモデルを段階的に作成するように設計されています。最初の3Dモデリングは3D Studio Max(2019、Autodesk Inc.、米国)を使用して実行され、最終的なモデリングはZbrush 3Dソフトウェアパッケージ(2019、Pixologic Inc.、米国)を使用して実行されました。画像マーキングは、モバイルカメラによる安定した認識のために設計されたPhotoshopソフトウェア(Adobe Master Collection CC 2019、Adobe Inc.、米国)を使用して、Vuforiaエンジン(PTC Inc.、米国、http:///developer.vuforia.com)で実行されました。ARアプリケーションはUnityエンジン(2019年3月12日、Unity Technologies、米国)を使用して実装され、その後モバイルデバイスにインストールされ起動されます。歯の彫刻練習ツールとしてのAR-TCPTの有効性を評価するため、2023年度の歯形態学実習クラスから参加者を無作為に選出し、対照群と実験群を編成した。実験群の参加者はAR-TCPTを使用し、対照群の参加者は歯の彫刻ステップモデルキット(日清デンタル株式会社、日本)のプラスチックモデルを使用した。歯の切削作業完了後、各実用ツールのユーザーエクスペリエンスを調査し、比較した。研究デザインの流れを図1に示す。本研究は、南ソウル大学倫理審査委員会(IRB番号:NSU-202210-003)の承認を得て実施された。
3D モデリングは、彫刻プロセス中に歯の近心、遠心、頬側、舌側、および咬合面の突出部と凹面の形態的特徴を一貫して表現するために使用されます。上顎犬歯と上顎第一小臼歯はレベル 16、下顎第一小臼歯はレベル 13、下顎第一大臼歯はレベル 14 としてモデル化されました。予備モデリングでは、図 2 に示すように、歯科フィルムの順序で除去および保持する必要のある部分が表現されます。最終的な歯のモデリングシーケンスを図 3 に示します。最終モデルでは、テクスチャ、隆起部、溝が歯の凹んだ構造を表現し、画像情報が含まれることで彫刻プロセスをガイドし、注意深く観察する必要のある構造を強調します。彫刻段階の開始時には、各表面は方向を示すために色分けされ、ワックスブロックには除去する必要のある部分を示す実線がマークされます。歯の近心面と遠心面には、切削工程で除去されずに突起として残る歯の接触点を示す赤い点が付けられています。咬合面では、各咬頭が保存されることを示す赤い点が付けられ、ワックスブロックを切削する際の彫刻方向は赤い矢印で示されています。保存された部分と除去された部分の3Dモデリングにより、その後のワックスブロック彫刻工程で除去された部分の形態を確認することができます。
段階的な歯の彫刻プロセスで 3D オブジェクトの予備シミュレーションを作成します。 a: 上顎第一小臼歯の近心面。 b: 上顎第一小臼歯のわずかに上方および近心唇側面。 c: 上顎第一大臼歯の近心面。 d: 上顎第一大臼歯のわずかに上方および近心頬側面。 B – 頬側。 La – 唇音。 M – 正中音。
3 次元 (3D) オブジェクトは、歯を切削する手順を段階的に表しています。この写真は、上顎第一大臼歯のモデリング プロセス後の完成した 3D オブジェクトを示しており、各後続ステップの詳細とテクスチャが示されています。2 番目の 3D モデリング データには、モバイル デバイスで強化された最終的な 3D オブジェクトが含まれています。点線は歯の均等に分割されたセクションを表し、分離されたセクションは、実線を含むセクションを含める前に除去する必要があるセクションを表しています。赤い 3D 矢印は歯の切削方向を示し、遠心面の赤い円は歯の接触領域を示し、咬合面の赤い円筒は歯の咬頭を示しています。a: 点線、実線、遠心面の赤い円、および取り外し可能なワックス ブロックを示すステップ。b: 上顎第一大臼歯の形成のおおよその完了。c: 上顎第一大臼歯の詳細図。赤い矢印は歯とスペーサーのねじ山の方向を示し、赤い円筒形の咬頭、実線は咬合面で切削する部分を示しています。 d:上顎第一大臼歯が完成している。
モバイルデバイスを使用して連続する彫刻ステップを容易に識別できるように、下顎第一大臼歯、下顎第一小臼歯、上顎第一大臼歯、および上顎犬歯用に 4 つのイメージ マーカーを用意しました。イメージ マーカーは Photoshop ソフトウェア (2020、Adobe Co., Ltd.、カリフォルニア州サンノゼ) を使用して設計され、図 4 に示すように、円形の数字記号と繰り返し背景パターンを使用して各歯を区別しています。Vuforia エンジン (AR マーカー作成ソフトウェア) を使用して高品質のイメージ マーカーを作成し、1 種類の画像で 5 つ星の認識率を取得した後、Unity エンジンを使用してイメージ マーカーを作成して保存します。3D 歯モデルは徐々にイメージ マーカーにリンクされ、マーカーに基づいてその位置とサイズが決定されます。Unity エンジンとモバイルデバイスにインストールできる Android アプリケーションを使用します。
画像タグ。これらの写真は、この研究で使用された画像マーカーを示しており、モバイルデバイスのカメラは歯の種類(各円内の数字)によってマーカーを認識します。a:下顎第一大臼歯、b:下顎第一小臼歯、c:上顎第一大臼歯、d:上顎犬歯。
参加者は、京畿道にある聖大学校歯学部衛生学科の歯形態学実習1年次から募集されました。参加希望者には、以下のことが伝えられました。(1) 参加は任意であり、金銭的または学術的な報酬は含まれません。(2) 対照群はプラスチックモデルを使用し、実験群はARモバイルアプリケーションを使用します。(3) 実験は3週間続き、3本の歯が対象となります。(4) Androidユーザーにはアプリケーションをインストールするためのリンクが送られ、iOSユーザーにはAR-TCPTがインストールされたAndroidデバイスが送られます。(5) AR-TCPTは両方のシステムで同じように動作します。(6) 対照群と実験群はランダムに割り当てられます。(7) 歯の彫刻は異なる研究室で行われます。(8) 実験後、22の研究が実施されます。(9) 対照群は実験後もAR-TCPTを使用できます。合計52名の参加者が志願し、各参加者からオンライン同意書を取得しました。対照群(n = 26)と実験群(n = 26)は、Microsoft Excel(2016、米国レドモンド)の乱数生成機能を用いて無作為に割り当てられた。図5は、参加者の募集と実験計画をフローチャートで示している。
参加者のプラスチック模型および拡張現実アプリケーションに関する経験を探るための研究デザイン。
2023年3月27日から、実験群と対照群はそれぞれAR-TCPTとプラスチックモデルを使用して3週間かけて3本の歯を彫刻した。参加者は、複雑な形態的特徴を持つ下顎第一大臼歯、下顎第一小臼歯、上顎第一小臼歯を含む小臼歯と大臼歯を彫刻した。上顎犬歯は彫刻に含まれない。参加者は1週間に3時間かけて歯を削った。歯の製作後、対照群と実験群のプラスチックモデルと画像マーカーをそれぞれ抽出した。画像ラベル認識がないため、3D歯科オブジェクトはAR-TCTPによって強化されない。他の練習用具の使用を防ぐため、実験群と対照群は別々の部屋で歯の彫刻の練習を行った。教師の指示の影響を制限するため、実験終了から3週間後に歯の形状に関するフィードバックが提供された。アンケートは、4月の第3週に下顎第一大臼歯の切削が完了した後に実施された。 Sanders らによる修正された質問票。Alfala らは [26] から 23 の質問を使用しました。[27] は、練習器具間の心臓の形状の違いを評価しました。ただし、この研究では、Alfalah ら [27] から各レベルでの直接操作に関する 1 つの項目が除外されました。この研究で使用された 22 項目は表 1 に示されています。コントロール群と実験群の Cronbach の α 値はそれぞれ 0.587 と 0.912 でした。
データ分析は、SPSS統計ソフトウェア(v25.0、IBM社、米国ニューヨーク州アーモンク)を使用して実施した。有意水準0.05で両側検定を行った。性別、年齢、居住地、歯の彫刻経験などの一般的な特性の分析にはフィッシャーの正確確率検定を使用し、これらの特性が対照群と実験群の間でどのように分布しているかを確認した。シャピロ・ウィルク検定の結果、調査データは正規分布に従わないことが示された(p < 0.05)。そのため、対照群と実験群の比較にはノンパラメトリックなマン・ホイットニーU検定を使用した。
歯の彫刻演習で参加者が使用したツールを図 6 に示します。図 6a はプラスチックモデル、図 6b~d はモバイルデバイスで使用した AR-TCPT を示しています。AR-TCPT はデバイスのカメラを使用して画像マーカーを識別し、参加者がリアルタイムで操作および観察できる強化された 3D 歯のオブジェクトを画面に表示します。モバイルデバイスの「次へ」ボタンと「前へ」ボタンを使用すると、彫刻の各段階と歯の形態的特徴を詳細に観察できます。歯を作成するために、AR-TCPT ユーザーは、強化された 3D 歯の画面モデルとワックスブロックを順次比較します。
歯の彫刻練習。この写真は、プラスチックモデルを使用した従来の歯の彫刻練習(TCP)と、拡張現実ツールを使用した段階的なTCPを比較したものです。生徒は「次へ」ボタンと「前へ」ボタンをクリックすることで、3D彫刻の手順を見ることができます。a:歯の彫刻のための段階的なモデルセットに含まれるプラスチックモデル。b:下顎第一小臼歯の第1段階における拡張現実ツールを使用したTCP。c:下顎第一小臼歯形成の最終段階における拡張現実ツールを使用したTCP。d:隆線と溝を識別するプロセス。IM:画像ラベル、MD:モバイルデバイス、NSB:「次へ」ボタン、PSB:「前へ」ボタン、SMD:モバイルデバイスホルダー、TC:歯科用彫刻機、W:ワックスブロック
無作為に選ばれた2つの参加者グループ間では、性別、年齢、居住地、歯の彫刻経験に関して有意な差はなかった(p > 0.05)。対照群は女性96.2%(n = 25)と男性3.8%(n = 1)で構成され、実験群は女性のみ(n = 26)で構成されていた。対照群は20歳の参加者が61.5%(n = 16)、21歳の参加者が26.9%(n = 7)、22歳以上の参加者が11.5%(n = 3)で構成され、実験対照群は20歳の参加者が73.1%(n = 19)、21歳の参加者が19.2%(n = 5)、22歳以上の参加者が7.7%(n = 2)で構成されていた。居住地に関して、対照群の69.2%(n=18)が京畿道に居住し、23.1%(n=6)がソウルに居住していた。これに対し、実験群の50.0%(n=13)が京畿道に居住し、46.2%(n=12)がソウルに居住していた。仁川に居住している対照群と実験群の割合は、それぞれ7.7%(n=2)と3.8%(n=1)であった。対照群では、25名(96.2%)が歯の彫刻の経験がなかった。同様に、実験群では、26名(100%)が歯の彫刻の経験がなかった。
表 2 は、22 項目の調査に対する各グループの回答の記述統計と統計的比較を示しています。22 項目の質問に対する回答にはグループ間で有意差がありました (p < 0.01)。コントロール グループと比較して、実験グループは 21 項目の質問で平均スコアが高くなりました。コントロール グループが実験グループよりも高いスコアを獲得したのは、質問 20 (Q20) のみでした。図 7 のヒストグラムは、グループ間の平均スコアの差を視覚的に示しています。表 2、図 7 には、各プロジェクトのユーザー エクスペリエンスの結果も示されています。コントロール グループでは、最もスコアが高かった項目は質問 Q21 で、最もスコアが低かった項目は質問 Q6 でした。実験グループでは、最もスコアが高かった項目は質問 Q13 で、最もスコアが低かった項目は質問 Q20 でした。図 7 に示すように、コントロール グループと実験グループの平均の差が最も大きいのは Q6 で、最も小さいのは Q22 です。
アンケートスコアの比較。プラスチックモデルを使用した対照群と拡張現実アプリケーションを使用した実験群の平均スコアを比較した棒グラフ。AR-TCPTは、拡張現実ベースの歯科彫刻練習ツールです。
AR技術は、臨床審美、口腔外科、修復技術、歯の形態学、インプラント学、シミュレーションなど、歯科のさまざまな分野でますます人気が高まっています[28、29、30、31]。たとえば、Microsoft HoloLensは、歯科教育と外科計画を改善するための高度な拡張現実ツールを提供します[32]。仮想現実技術は、歯の形態学を教えるためのシミュレーション環境も提供します[33]。これらの技術的に高度なハードウェア依存のヘッドマウントディスプレイは、まだ歯科教育で広く利用されていませんが、モバイルARアプリケーションは、臨床応用スキルを向上させ、ユーザーが解剖学を迅速に理解するのに役立ちます[34、35]。AR技術は、歯の形態学の学習に対する学生のモチベーションと興味を高め、よりインタラクティブで魅力的な学習体験を提供することもできます[36]。AR学習ツールは、学生が複雑な歯科処置と解剖を3Dで視覚化するのに役立ちます[37]。これは、歯の形態を理解する上で重要です。
3D プリントされたプラスチック製の歯の模型が歯の形態学の教育に与える影響は、2D 画像と説明のある教科書よりもすでに優れています [38]。しかし、教育のデジタル化と技術の進歩により、歯科教育を含む医療教育にさまざまなデバイスとテクノロジーを導入する必要が生じています [35]。教師は、急速に進化し変化の激しい分野で複雑な概念を教えるという課題に直面しており [39]、学生が歯の彫刻の練習をする際に、従来の歯科用樹脂模型に加えてさまざまな実践的なツールを使用する必要があります。そこで、本研究では、AR 技術を使用して歯の形態学の練習を支援する実用的な AR-TCPT ツールを紹介します。
AR アプリケーションのユーザー エクスペリエンスに関する研究は、マルチメディアの使用に影響を与える要因を理解する上で重要です [40]。 AR のユーザー エクスペリエンスが良好であれば、その目的、使いやすさ、スムーズな操作、情報の表示、インタラクションなど、開発と改善の方向性を決定できます [41]。 表 2 に示すように、Q20 を除いて、AR-TCPT を使用した実験グループは、プラスチック モデルを使用した対照グループと比較して、ユーザー エクスペリエンスの評価が高くなりました。 プラスチック モデルと比較して、歯科彫刻の実践で AR-TCPT を使用した経験は高く評価されました。 評価には、理解、視覚化、観察、反復、ツールの有用性、および視点の多様性が含まれます。 AR-TCPT を使用する利点には、迅速な理解、効率的なナビゲーション、時間の節約、臨床前の彫刻スキルの開発、包括的なカバレッジ、学習の改善、教科書への依存の軽減、および体験のインタラクティブで楽しく有益な性質が含まれます。 AR-TCPT はまた、他の実践ツールとのインタラクションを促進し、複数の視点からの明確なビューを提供します。
図7に示すように、AR-TCPTは質問20で追加のポイントを提案しました。歯の彫刻の全ステップを示す包括的なグラフィカルユーザーインターフェースは、学生が歯の彫刻を行うのに役立つ必要があります。歯の彫刻プロセス全体を実演することは、患者を治療する前に歯の彫刻スキルを習得する上で重要です。実験グループは、歯の彫刻スキルの習得と患者を治療する前にユーザースキルを向上させることに関連する基本的な質問であるQ13で最高得点を獲得し、歯の彫刻の実践におけるこのツールの可能性を強調しました。ユーザーは、臨床現場で学んだスキルを適用したいと考えています。しかし、実際の歯の彫刻スキルの発達と有効性を評価するには、追跡調査が必要です。質問6では、必要に応じてプラスチックモデルとAR-TCTPを使用できるかどうかを尋ね、この質問への回答は2つのグループ間で最大の差を示しました。モバイルアプリとして、AR-TCPTはプラスチックモデルと比較して使いやすいことが証明されました。しかし、ユーザーエクスペリエンスのみに基づいてARアプリの教育的有効性を証明することは依然として困難です。AR-TCTPが完成した歯科用タブレットに及ぼす影響を評価するには、さらなる研究が必要です。しかし、本研究においてAR-TCPTの高いユーザーエクスペリエンス評価は、実用的なツールとしての可能性を示している。
この比較研究は、AR-TCPTがユーザーエクスペリエンスの面で優れた評価を得ていることから、歯科医院における従来のプラスチック模型の貴重な代替品または補完品となり得ることを示しています。しかし、その優位性を判断するには、中間段階および最終段階の骨の彫刻について指導者によるさらなる定量化が必要です。さらに、空間認識能力の個人差が彫刻プロセスと最終的な歯に与える影響についても分析する必要があります。歯の能力は人によって異なり、それが彫刻プロセスと最終的な歯に影響を与える可能性があります。したがって、歯科彫刻の実践におけるツールとしてのAR-TCPTの有効性を証明し、彫刻プロセスにおけるARアプリケーションの調整的および媒介的役割を理解するためには、さらなる研究が必要です。今後の研究は、高度なHoloLens AR技術を用いた歯科形態学ツールの開発と評価に焦点を当てるべきです。
要約すると、本研究は、AR-TCPTが革新的でインタラクティブな学習体験を学生に提供することで、歯の彫刻練習のためのツールとして大きな可能性を秘めていることを示しています。従来のプラスチックモデル群と比較して、AR-TCPT群は、理解の促進、学習効果の向上、教科書への依存度の低減といった利点を含め、ユーザーエクスペリエンススコアが有意に高いことが示されました。AR-TCPTは、馴染みのある技術と使いやすさにより、従来のプラスチックツールに代わる有望な選択肢となり、3D彫刻の初心者にも役立つ可能性があります。ただし、人々の彫刻能力への影響や、彫刻された歯の定量化など、その教育効果を評価するためには、さらなる研究が必要です。
本研究で使用したデータセットは、合理的な要請があれば、責任著者に連絡して入手することができます。
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投稿日時:2023年12月25日
