虛擬現實技術在高職高專醫學實訓教學中的實踐＊

王易振,彭 坤,張靜文,羅 晶

(重慶醫藥高等專科學校醫學技術系 400030)

虛擬現實技術在高職高專醫學實訓教學中的實踐＊

王易振,彭 坤,張靜文,羅 晶

(重慶醫藥高等專科學校醫學技術系 400030)

高職高專教育的目標就是培養出一批高素質的技能型人才。在醫學職業教育中,尤其注重培養學生動手操作能力和實踐技能。因此醫學職業技能培訓中,實驗/實訓教學是至關重要的環節,很大程度上決定著辦學水平的高低。但是,在實際教學過程中,由于醫學儀器設備價格昂貴,實驗/實訓成本高、毀壞性操作和高危實驗等因素的普遍存在;加之醫學儀器發展迅速,更新快等因素,制約著醫學職業教育實驗/實訓教學的開展。

隨著多媒體計算機技術、網絡技術,特別是虛擬現實技術的發展,構建虛擬的實驗室教學系統成為可能。在虛擬實驗室系統(虛擬制藥車間、虛擬病房、虛擬藥房、虛擬臨床醫學檢驗室、虛擬患者等)中學習,有助于學習者建立實際操作過程的整體概念,熟悉操作的各個環節,避免初學者對人體標本、真實儀器設備帶來的不必要損壞。借助虛擬系統提供的交互功能,能夠讓學習者反復操作訓練,有效減少學生培養成本。

1 虛擬現實與虛擬實驗教學系統

1.1 虛擬現實的概念和技術特征 虛擬現實(virtual reality, VR),就是采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境,用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響,從而產生等同真實環境的感受和體驗。

虛擬現實最本質的特征是用戶對虛擬場景的沉浸,它要創建一個酷似客觀環境又超越客觀時空、能沉浸其中又能駕馭操縱的和諧人機環境,也就是由多維信息所構成的可操縱的空間。

虛擬現實技術在職業教育實驗教學中具有其他媒體不可比擬的優勢,主要有以下幾點:(1)沉浸性,指虛擬現實系統可以讓參與的學習者完全沉浸在由虛擬現實系統所創建的環境中;(2)交互性,指學習者在虛擬現實環境中可以和周圍的物體發生互動,比如對醫學儀器設備進行操作;(3)多感知性,指為學習者提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段,以獲得身臨其境的感受。

1.2 虛擬實驗教學系統 將虛擬現實技術與實驗教學相結合,能夠建立職業技能培訓所需的虛擬實驗教學系統。虛擬實驗教學系統主要由檢測模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊、3D建模庫和建模模塊等構成。虛擬系統可將學習者的操作轉換為虛擬系統中物體上的作用信息,并將虛擬系統中物體形象、動作、聲音進行轉換,通過反饋使人能獲得視覺、聽覺、觸覺等方面的感覺[1]。

職業教育中應用虛擬實驗教學系統具有很多優點,具體表現在:(1)優化和功能全,虛擬設備和設施易于升級和優化;(2)低成本,對元器件和設備庫,可以無限復制和組合,無人為損壞,彌補實際教學不足;(3)無危險,有毒的化學實驗,高壓強電的實驗,虛擬實驗系統的建造可以免除人身傷害的風險;(4)網絡化,利用Web提供的協同虛擬技術,可以實現多人合作、遠程實驗和協同操作。

2 虛擬實驗室創建的關鍵技術

2.1 虛擬實驗設備造型 醫學職業技能培訓中的實驗設備通常包括諸如人體、人體器官、藥物生產設備和醫學檢驗儀器設備等,這些對象的外部造型可通過兩種方式實現:(1)直接使用虛擬現實造型語言(VRML)創建造型,這種方法簡單、代碼量小,但是造型逼真程度差;(2)采用三維動畫渲染和制作軟件(3DMAX)建立VRML模型[2]。

2.2 儀器設備及交互性操作 醫學職業技能培訓的實驗/實訓設備多屬于交互性操作的儀器設備,該類儀器設備則應在創造一個逼真的外部模型的基礎上,對虛擬儀器儀表的各種開關、旋鈕的三維操作,以及與各操作相關的數字或模擬量的顯示進行編程處理,這也是創建虛擬場景的關鍵性技術[3]。

2.2.1 儀器設備的外觀造型 虛擬儀器設備的外觀包括面板、數據顯示屏幕、各種開關按鈕等部分。外觀造型可用Shape節點,Shape包括兩個域:描述外觀的appearance域和描述形狀的geometry域。

2.2.2 儀器設備的各種按鈕 儀器設備面板上的各種按鈕分為開關按鈕和旋轉按鈕,兩類按鈕都由造型部分和傳感器部分組成。開關按鈕使用的多是平面移動傳感器Touch Sensor,旋轉按鈕使用的傳感器是柱面旋轉傳感器Cylinder Senso r。開關按鈕需要在瀏覽者點擊它時產生一個位置移動動畫,表示已經將其按下,需要時間傳感器和插補器來實現。插補器是一類特殊的節點,它們使用關鍵時刻和關鍵值的列表來描述每一個動畫。

2.2.3 旋鈕及其值的顯示 旋鈕的旋轉通過Cylinder Senso r節點實現。Cylinder Sensor節點規定用戶的動作圍繞Y軸旋轉,如果需要旋鈕繞Z或X軸旋轉,可以修改旋鈕所在的Transfo rm節點的ratation域值實現。一般情況下通過旋鈕的旋轉角度的變化來模擬某種量的變化,其變化值的顯示輸出可分為數字輸出和模擬輸出。

2.2.4 虛擬儀器的交互性操作[4-5]經VRML創建的虛擬儀器可以進行與協作者之間的簡單交互,但是由于VRML缺少普遍程序設計中的轉折、分支、循環等基本結構,必須加入JAVA程序才能真正實現虛擬環境中復雜的交互性操作。

在職業教育的實驗教學環節中應用虛擬現實技術,采用3DMAX、VRML和JAVA技術開發的虛擬實驗教學系統,對于計算機硬件環境要求較低,在有限的實驗投入條件下能實現較好的技能培訓效果,系統構建的三維場景能夠真實再現各種行業實踐的各個生產環節,設備器件可進行交互性操作,且操作提示信息準確,操作方法簡單、靈活、有效。

基于Web的虛擬實驗教學系統使學習者不受時空限制,隨時進入虛擬實驗室上機操作,完成各種分析測試任務,評價實驗者的操作水平,不但為實驗教學改革提供了條件和技術支持,還可以讓學生接觸和掌握更多、更新、更好的儀器。它擺脫了傳統教育如電視錄像、多媒體教室單邊的交互功能,真正實現人機對話,緊貼真實儀器操作,從原理介紹、開機操作、違規提示、結果輸出分析、網絡數據查詢和調用等一系列手段,讓學生達到操作真實儀器同樣的效果。整個系統具有真實感強、可交互、協作方便等眾多特點,是當前醫學職業教育領域中一種值得推廣的新型的實驗教學模式。

3 虛擬現實技術應用于實驗教學的不足

虛擬技術的局限性如下:(1)缺少實物感。例如常用的手術器械、實驗設備等。在虛擬實驗/實訓教學中,學生是看得到、摸不著的。(2)虛擬技術很難完整全面反映現實生物學的復雜性。如細胞培養過程中遇到的污染問題、手術過程中大出血等,學生難以積累這方面的知識與經驗。(3)在實際實驗/實訓時,盡管操作正確,但有可能存在不良后果。這些現象在虛擬實驗中絕不會出現。而真實、實際的實驗/實訓過程中問題的檢查和排除,才能客觀、全面地鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。

仿真虛擬實驗快速、方便、簡潔,比較真實地模擬了整個實驗的過程。可以讓學生感知、熟悉實驗/實訓項目的操作步驟和操作全過程。但是與實際實驗/實訓手段相比,仍然存在一定的差距。虛擬實驗室并非取代傳統的實驗教學,而是作為實驗/實訓教學的改革和補充。

[1]王宇飛.虛擬現實技術及其在實驗教學中的應用[J].教學與管理:理論版,2005(1):88.

[2]張凡,吳燕玲,劉青.基于3D引擎的虛擬實驗室開發與教學應用[J].電化教育研究,2007,171(7):37.

[3]任建.基于WEB的虛擬實驗教學系統的研究[J].職教論壇,2006(11X):54.

[4]葛萱,王清.虛擬現實技術在教學中的應用模式探析[J].中國醫學教育技術,2007,21(3):198.

[5]郭彥錚,岳建華.談醫學模擬技術的發展[J].中國醫學教育技術,2005,19(6):429.

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10.3969/j.issn.1671-8348.2010.18.013

G642.4

A 文獻標識碼:1671-8348(2010)18-2429-02

2010-02-25

2010-05-25)

重慶市教委重點教改課題資助項目(09-2-111)。