陸軍軍醫大學基于VR和AR技術的虛擬仿真實驗教學中心建設初探

凌冠華　李云　陳自強　鄭然　劉國祥

摘要：研究背景：依據教育部國家級虛擬仿真實驗教學中心標準要求，結合陸軍軍醫大學實驗教學現有條件。必要性：考慮戰場環境模擬和高危實驗教學等需要，為達到開放共享的虛擬仿真實驗教學平臺的建設目標，分析了中心涉及的管理、教學、實訓、科研和創新創業等功能模塊，詳細闡述了展示中心、教學中心和創作中心建設所需硬件條件，研究構設了滿足自主學習要求的醫學虛擬仿真實訓與考核軟件資源體系。制度機制：明確建章立制要求，提出資源共享、虛實結合和多方合作的建議，促進中心建設取得實效。

Abstract： Research background： according to standard and requirement of Ministry of Education's National Virtual Simulation Experimental Teaching Center， combine the existing conditions of experimental teaching in Army Medical University. Necessity： considering the needs of battlefield environment simulation and high risk experimental teaching，in order to achieve the construction goal of virtual simulation experimental teaching platform， analyzes the center referred function module of management， teaching， training， scientific research and innovation and entrepreneurship， elaborates on hardware conditions that Exhibition Center， Teaching Center and Creation Center need， researches and designs medical virtual simulation training and assessment software resource system that meets the requirements of independent learning. Institutional mechanisms： defines and puts forward the requirement of establishing rules and regulations， puts forward suggestions such as resource sharing， combination of function and reality and multi-party cooperation， to promote achieve actual effects by the construction of the center.

關鍵詞：虛擬現實；增強現實；虛擬；實驗；中心

Key words： virtual reality；augmented reality；virtual；experiment；center

中圖分類號：R-1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0252-03

0 引言

醫學教育是精英教育，在現代科技飛速發展的形勢背景下，生物醫學和應用技術緊密結合，醫學教育涉及學科不斷增多，教育的范圍更加擴大，醫學將向綜合化和專業化發展，更加注重學生的獨立判斷能力、邏輯思維能力和臨床問題處理能力，對實驗室操作和臨床實踐要求更加嚴格。醫學教育往往必須經歷大量的驗證性實驗，提高實驗教學效果[1]。陸軍軍醫大學高度重視實驗條件建設，實驗室和實驗教學作為大學創新型人才培養的重要基地和重要環節，需要虛擬仿真實驗教學項目，作為臨床模擬訓練的有效補充；而通過虛擬現實、增強現實等技術，可完成一些高成本、不可逆的實驗，破除時間和空間的限制，不斷豐富、拓展和完善醫學實驗教學體系，提升醫學人才培養質量。

1 建設背景

為貫徹落實習近平總書記關于強化實踐育人工作的重要指示和全國高校思想政治工作會議精神，根據《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》和《2017年教育信息化工作要點》等相關要求，教育部自2013年開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，軍隊和地方各高校積極響應，圍繞立德樹人根本任務，結合實際廣泛開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設，以現代信息技術為依托，以相關專業類急需的實驗教學信息化內容為指向，以完整的實驗教學項目為基礎，不斷探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式。陸軍軍醫大學結合鮮明的軍事醫學辦學特色優勢，已建成以基礎醫學實驗教學中心為主干，以學科專業實驗室為補充的實驗教學體系，軟硬件配套完善，傳統醫學實驗教學成效顯著。伴隨VR（Virtual Reality，即虛擬現實）和AR（Augmented Reality，增強現實）技術的出現，基于VR和AR技術的虛擬仿真教學將醫學實驗教學環境帶入一個全新的領域：VR技術通過計算機模擬真實感的圖像、聲音和氣味等，從而復制出一個真實或者假想的場景，具有沉浸感、假想性和交互性，可以有視覺上、力覺上、聽覺上和其他感官上的回饋來增加訓練真實性；AR技術通過直接或間接地觀察真實場景，計算機生成的圖像、聲音、視頻或其他信息被增強，具有現場感、增強性和相關性。依托VR、AR和人工智能等先進技術，籌建軍醫大學校級虛擬仿真實驗教學中心，可對現有實驗教學手段進行有效補充，推進多媒體化、模擬化、網絡化實驗教學改革，實現硬件條件統建共享，豐富完善信息化實驗教學資源。

2 必要性

2.1 戰場環境模擬需要

應實戰化教學訓練需要，衛勤訓練需模擬直升機、艦船、救護車等不同轉運平臺，及高原、海洋、山地、平原等復雜地理環境，創造一流的實戰化模擬環境，增強參訓人員對野戰環境下開展手術和處理復雜傷情的適應能力。

2.2 高危實驗教學需要

涉及特殊病毒、放射性物質等危險程度高的實驗、核化生損傷及醫學救援等不可逆的實驗教學需要，對實驗教學的嚴謹性和規范性提出了更高、更準確的要求。

2.3 操作難度大的實驗需要

神經外科、心包穿刺等侵入性實驗操作難度大的實驗，無法在患者身體練習，亟需仿真操作場景的真實再現，通過多人實時共攬和課后復盤，提高了實驗教學的精細化程度，解決了常規模擬實驗無法觸及的醫學領域，并能夠為學生提供更加精確的智能反饋。

2.4 實驗資源節約需要

受制于經費和動物倫理學的實驗項目，實驗標本緊缺、實驗成本較高，具有重復性實驗需要，通過基于VR或AR技術的虛擬仿真實驗，可實現多次重復練習學習，既保證了實驗教學質量，又減少了實驗耗材消耗。

3 建設目標

按國家級虛擬仿真實驗教學中心的要求，搭建硬件資源集中共享的虛擬仿真實驗平臺環境，引入各學科專業VR/AR實訓資源，建設開放共享的虛擬仿真實驗教學平臺，建成“三中心、一平臺”：即VR/AR的展示中心、教學中心、創作中心和創新平臺（含豐富的信息化教學資源），為全校提供優質實驗教學資源，推進知識協作共享和產學研創新，推動跨學科資源整合、師生創新實踐和成果轉化，培養輸出與時俱進的高質量復合型醫學人才。

4 功能模塊

校級虛擬仿真實驗教學平臺涵蓋管理、教學、實訓、科研和創新創業等模塊，具體內容見圖1。

5 建設內容和布局

平臺建設內容包括硬件環境建設和軟件系統資源構建。硬件環境可一次性搭建完成，滿足長遠建設發展需要，軟件系統資源根據專業特點作模塊化設計，分期分步組織實施：

5.1 硬件環境

5.1.1 搭建VR/AR展示中心，形成協同工作平臺：

一是部署CAVE沉浸式投影或支持3D顯示的LED系統，突出展示更加完整、層次感突出的畫面，提供沉浸式交互體驗；

二是部署紅外光學位置追蹤交互系統，能實時準確地捕捉目標物體多自由度姿態詳細信息，可作為虛擬現實人機交互的外設，進行護理操作、手術動作的精確捕捉，通過部署半實物仿真設備，實現姿態捕捉和運動實物的空間位置實時獲取。

三是搭建高性能圖像生成及處理系統，融合復雜圖形變換和視頻圖像捕獲，在普通PC終端實現視頻工作站功能。

5.1.2 建設VR/AR教學中心，集教學、演示及實際操作于一體：

一是建設異地多人協同的虛擬現實教學平臺，將高性能計算與先進的可視化管理相結合，做好VR資源共享與信息溝通，實現多人異地協同溝通和“教、學、考、練”環節的全覆蓋教學。

二是部署頭戴式虛擬現實交互系統，支持多人在同一個虛擬現實場景中的人機交互任務，實現數據協同和實時同步，大大增強即時互動感。基于三維虛擬現實環境變化，做好人-機-環境定量數據（如眼動、腦波、呼吸、溫濕度等）同步采集，開展分析評價，為科學研究提供客觀數據支撐。

5.1.3 建設VR/AR創作中心，實現模型課件制作和新型材料研究：

一是建設虛擬現實應用開發平臺，通過先進的虛擬現實開發引擎，實現零編程基礎的程序內容開發應用。

二是建設數字化教學系統，實現基于VR/AR的創作資源的分類上傳和分享，方便師生共享已有資源，提高自主化教學能力。

5.2 信息資源建設

根據醫學專業教學特點，將各實驗室的分散虛擬訓練資源基于統一的數據中心，進行資源整合，搭建校級醫學虛擬仿真實訓與考核資源體系，實現統一身份認證和統一管理，平臺要易于擴展，由機能學、臨床綜合技能、人體形態學、衛生防疫防護、軍人作戰心理學、檢驗醫學等模塊組成，充分應用自主學習及考試系統，開設虛擬實驗教學項目，滿足PBL教學需要。

5.2.1 機能實驗學虛擬訓練

為解決實時動物實驗操作限制，對實驗對象和實驗器械建模，進行人機交互的虛擬操作，結合VR環境，方便學生深入實驗對象內部，反映動物體內結構信息，同時進行人機交互的虛擬操作，提升學生個性化的自主學習和探究式學習水平[2]。

5.2.2 臨床綜合技能訓練

通過高仿真模擬人與標準化患者結合，依托AR技術，提高臨床技能操作訓練熟練度和反饋效果。開設臨床綜合穿刺虛擬教學實驗，訓練醫學生的操作熟練程度，真實體驗操作流程，強化操作技能。建立腔鏡虛擬仿真教學項目，提供逼真的腔鏡訓練模式，熟練掌握腔鏡基本技巧訓練、縫合打結等技巧操作。

5.2.3 人體形態學教學資源

提供基于虛擬現實技術的人體形態學教學資源，全方位觀察人體結構，通過控制攝像機進入人體器官內部觀察，獲得沉浸式3D體驗，從宏觀到微觀、從整體到局部多維度展示人體解剖結構，建立形態認識規律到實踐操作的一體化教學。

5.2.4 衛生防疫防護虛擬仿真訓練

結合核化生事故醫學救援流程，通過對各種軍事行動、野外駐訓及突發災害現場和過程的模擬仿真，構建逼真的現場情境，促進訓練情境與應急處置緊密結合，改變以往理論與應用脫節、訓練與實戰脫節的實際問題，實現人機互動、分級處理和考核評估等功能。

5.2.5 軍人作戰心理素質虛擬現實訓練

構建包含聰慧、忠誠、勇敢等模塊的刺激庫，搭建喚醒度高、反應敏捷、效果逼真的心理刺激場景，實時采集參試者生理指標信息，實現受訓者行為記錄智能分析、面部表情實時捕捉采集，訓練學員對災害或創傷的應激反應，學習涵蓋記憶、心理學、行為生物學等相關救援技能[3]，極大提高戰場心理救治訓練的科學性。

5.2.6 檢驗醫學儀器虛擬操作

為確保實際操作效果，構建類似真實的實驗室場景，依托VR技術模擬逼真的3D儀器設備，仿真操作學習血細胞分析流水線、大型自動生化儀的相關知識，包括儀器質量控制、校準、樣本檢測等功能，達到熟練掌握儀器的目標[4]。

6 制度機制

6.1 完善規章制度

為促進校級虛擬仿真實驗教學中心安全高效運行，按照體系配套、精簡管用原則，建立健全項目申報、過程監管、質量管控、驗收管理等系列制度，完善監察、保障、維護、開放共享等措施辦法，實現科學化、精細化和規范化管理。

6.2 建立資源長效共享機制

依托陸軍軍醫大學智慧校園工程，面向全校師生共享開放，深入應用于學歷教育、任職教育和科學研究，對接軍隊網絡體系，滿足基層官兵遠程訪問和學習需求，促進醫學人才和基層醫務人員培養水平的提高。

6.3 虛擬仿真與實訓結合

虛擬仿真教學主要起到傳統醫學實驗的補充、拓展作用，要堅持“以虛補實、虛實結合”的實驗教學原則，構建現代化虛擬實驗教學環境，建設自主可控的醫學信息資源及學習考試系統，加深受訓者對醫學實際操作問題的理解認識，在反復實踐中發現和解決問題，培養學員綜合創新能力。

6.4 建立校-企-部隊合作機制

圍繞虛擬仿真實驗教學手段，借助與企業合作開展裝備研制、與部隊合作進行信息化訓練系統建設之機，推進院校-企業-部隊多方合作，完善激勵共贏機制，根本上提高基層部隊戰救訓練水平，成為戰斗力生成轉化條件，建成軍民融合發展的典型示范[5]。

參考文獻：

[1]劉卓慧，龍瑞清.新時期醫學教育時代特征和主要特點及發展趨勢[J].課程教育研究，2017（45）：241.

[2]袁藝標，周紅，高興亞，戚曉紅.機能實驗學基本操作虛擬平臺的建設[J].中國病理生理雜志，2013（10）：1914.

[3]盧長偉，郭繼衛，吳昊，吳強，郭海濤，汪鵬，黃河清.國家級災害醫學虛擬仿真實驗教學中心的構建[J].中華醫院管理雜志，2016（4）：305-309.

[4]亓濤，童曉文，張繼瑜，李海俠，裘宇容，王前，鄭磊.虛擬仿真教學在醫學檢驗技術教學中的應用[J].中華檢驗醫學雜志，2015（10）：716-718.

[5]黃坪，鄧峰美，馮軍，潘克儉.利用虛擬仿真實驗促進本科教學[J].重慶醫學，2016（19）：2720-2722.