基于VR技術的中藥資源學智慧實驗室建設

任萌，魏巍，莫梅，李佳，徐凱勇，劉珊

（1.山東中醫藥大學 實驗室管理處，山東 濟南；2.山東中醫藥大學 管理學院，山東 濟南；3.山東中醫藥大學 藥學院，山東 濟南）

一 引言

Virtual Reality，簡稱VR，中文的意思就是虛擬現實。虛擬現實是計算機軟件硬件技術、人工智能、機器人技術及傳感技術等科學技術迅速發展的結果，是多媒體技術的最終應用模式。高速計算與并行計算技術、人工智能技術、三維實時圖形顯示、觸覺傳感技術等多種關鍵技術的發展帶來了虛擬現實技術的推廣與應用。虛擬現實技術的到來將會給人們的工作、學習、生活帶來翻天覆地的變化。當人們戴上立體眼鏡、數據手套等特制的傳感設備時，將會面臨一種三維的模擬現實的環境，并且可以通過相應的設施和人的自然機能實現人與這種環境的信息交流和互動，使人們感覺到自己仿佛身處在一個具有三維的視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺的感覺世界，從而獲得身臨其境的學習體驗和感受。VR技術應用于高等教育教學，尤其是醫學類實驗教學，顯現出無比的優越性和實用性。虛擬現實技術充實了醫學教育的教學和實驗實訓手段，豐富了理論知識的學習，緩解了實驗教學資源不足與醫學教育日益增長的需求之間的矛盾，通過優化升級系統相關軟件，可節省大量的教育教學及實驗設備資源，使真實實驗操作過程中遇到的各種危險得以避免，不受時空限制，積極推動了醫學教育事業的發展，它的出現和應用解決了過去醫學教育很多不能解決的實際問題[1-3]。

二 VR實訓室的建設意義

山東中醫藥大學中藥資源學智慧實驗室采用了VR技術手段，建設了約500平方米的實驗實訓教學中心，可以滿足立體教學、交互式教學的需求。學生佩戴3D立體眼鏡進行學習，教師通過數據手柄來操作虛擬內容，并可同步支持多媒體資源的播放，如視頻、ppt、音頻等，整體教學內容豐富立體，學生學習興趣更高，針對醫學知識的理解更加深入和直觀；具備完全沉浸式的操作體驗，學生可進入1:1真實模擬的場景完成相應的操作，同時相互之間可以看到，從而有步驟、有計劃地完成特定項目的實訓。進入該平臺實際操作的學生，具備第一視角的直接體驗，同時在教學平臺中，可同步多人的綜合視角，由老師進行控制，其余學生完成觀摩學習。學校打造的該項目突破了傳統教學的桎梏，融教學、實訓為一體，同時嵌入傳統的教學資源，實現了新的教學模式，對人才培養，學生綜合素質的提升具有重要的意義[4]。

（一） 減少實物資源投入，安全性好

相對于傳統實驗教學，VR實驗教學的最大優勢在于硬件建設無需大量投入，減少了設備更新換代的頻率及設備的損耗問題。如許多大型設備，購置價格高，購置周期長，需求與購置脫節，維護成本高，且學生上手機會較少，很難達到理想的教學效果[5]。虛擬現實技術作為核心技術與學校重點專業的實踐相結合，將復雜實物虛擬化，突破傳統的實驗教學模式和實驗操作方式，同時可以避免一些操作事故，讓學生在安全的情況下多次模擬危險操作，從而降低教學成本，提高了實驗的便捷性和安全性[6]。

（二） 教學方法靈活，教學效果良好

VR實驗教學可顯示真實的應用情景，學生更有代入感，且規避了常規實訓無法上手、擔心錯誤操作的缺點，讓學生可以真正自主地進行探索式學習，同時將一些不可逆的實驗反復操作，更好地將所學知識與實訓實踐相映照，達到學以致用、以練促學的目的[7]。關于對VR實訓室的管理和維護情況，只需要升級相關的虛擬仿真軟件就可以更新教學內容、實驗、實訓項目和升級最新功能，與傳統的實驗教學改革相比，實驗項目的優化及內容拓展更加方便、智能、快捷和低成本，最終實現教學效率的提高和教學效果的提升[8]。

（三） 教師授課更輕松

VR實驗教學可節省老師的備課時間，把老師從繁重、重復的課堂講解中解脫出來，減輕了教學負擔，虛擬仿真實訓可以利用軟件進行演示、講解、操作，將難點教學直觀化，提升課堂教學效率。同時學生可以根據自己的學習情況來選擇相關學習內容進行學習，老師在課堂上集中講解后，可對學生在學習過程中遇到的問題進行答疑，學生的學習方式實現了從一對多到一對一（一人一機）的轉變[9]。通過這種專門化的學習方式，老師會更加了解每一個學生，同時根據每個學生的性格特點、思維方式、學習模式等方面，有針對性地進行教學，也更容易發現個體學生的學習短板，做到因材施教。

（四） 技術先進，輻射效應未來可期

建設方案提出了交互（Interaction）、資源（Sources）、體驗（Experience）以及拓展（Expending）四大概念，即按照“I see”的建設要求，建設中醫藥學教學及實訓一體化平臺。將成熟的VR實驗室建設經驗引入課堂，必將成為醫療學科建設的重要組成部分，是探索新型人才培養模式，信息化綜合實踐的典型代表；先進的教學實訓系統，為學生就業、提高學校學科建設水平提供更多助力，同時具備良好的輻射效應，為醫學類學校相關專業、企事業醫療人才培養提供學習和示范，對提高中醫藥人才培養質量有重要意義。

三 設計原則

VR實訓室的建設堅持先進性、實用性、集成性、擴展性、靈活性、可靠性、經濟性的原則，將VR技術與實驗教學盡可能完美結合[10]。

1.先進性：系統應用成熟，達到國內外最新標準和規范要求，符合計算機、圖形圖像處理、視頻監控等技術的最新發展趨勢[11]；

2.實用性：系統操作簡單，使用靈活便捷，容易掌握；根據實際使用特點，管理方式多樣化；系統功能符合常規化應用；

3.集成性：集成性高，使用安裝簡單，可接入其他相關設備實現一體化協作；

4.擴展性：有著充分的擴充空間，隨著新技術的發展，定期更新新功能，滿足科技需求；

5.靈活性：提供符合國際標準的軟件、硬件、通訊、網絡、操作系統和數據管理系統等方面的接口和工具，使系統具有良好的靈活性；

6.可靠性：具有在規定時間內和特定條件下滿足用戶個性化需求的能力，可以保證持續、穩定工作；

7.經濟性：綜合、全面考慮系統的性能、價格，使其在同類系統和條件下性價比達到最優。

四 系統開發

（一） 架構

通過運用虛擬現實技術從藥用植物識別和野外采藥實踐等兩大方面進行中藥資源虛擬仿真實驗教學資源的開發，從而實現中藥學專業學生進行藥用植物的認知及虛擬野外采藥實踐。

采藥模塊：通過建模技術模擬出真實的藥物生長環境，如林下、濕地、溝谷、草地、山坡等，學生通過對系統的使用模擬野外采藥實習過程，了解藥用植株的形態結構，熟悉不同種類中藥采集方式等知識。

藥用植物識別：通過虛擬現實技術，首批建立28種中藥植物的三維模型，可查看不同植物在我國地圖上的不同分布，可對植株形態進行360度旋轉查看。此外，對每種藥用植株提供介紹、藥材基源鑒定、性狀鑒定、顯微鑒定、理化鑒定相關的鑒定信息及資料，供學生隨時查閱。

（二） 系統功能

1.系統開啟。需進行權限驗證，符合登錄要求的賬戶才能進入使用系統。進入系統后，可看到整個系統分為兩大模塊，即采藥模塊和藥用植物識別模塊。每個模塊都有對應的內容用于練習和操作，用戶可在功能模塊界面選擇自己想訓練的內容進入實訓環節。

2.區域選擇。中醫藥學是中國古代科學的瑰寶，也是打開中華文明寶庫的鑰匙，祖國大地上廣泛分布著中藥植被，各個地方由于海拔不同、氣候不同都會出產不同種類的中藥材[12]。在真實的教學過程中，老師帶著學生走遍全國去觀察不同氣候不同地形地貌產出的各類中藥材是一件不現實的事情。可是通過虛擬現實技術，則可以花較小的代價去實現較高的教學成果[13]。學生進入采藥模擬模塊，即可看到界面上有一個三維的中國地圖，地圖上會對每個省市進行標注，點擊標注點，即可顯示該省市的氣候特征、地理特征，在其省內生長的各類中藥植株的種類及分布情況的介紹。學生可通過該模塊了解國內各省市中藥植株的生長環境及其分布情況，當學生選擇好采藥模擬所在的生長環境后，系統會根據所選擇的項去匹配相應的場景模型，并動態載入到系統中[14]。當場景載入后，學生即可在系統中看到高精度還原的三維地理環境了。此外，學生也可選擇漫游視角，以第一人稱視角，在整個場景中漫游，近距離查看整個虛擬環境，了解植株的分布情況。

3.藥用植物識別。首批制作了28種中藥：川貝母、冬蟲夏草、百合、白芷、半夏、草麻黃、黨參、丹參、甘草、栝樓、紅柴胡等，后期還將根據需求定制開發更多的中藥品種。學生可在找到目標植株后，系統在三維中國地圖上，顯示該植株的生長分布情況，選擇植物后，可進入查看植物的三維形態，可縮放查看，可360度旋轉操作；可通過三維的形式對中藥植株進行形狀鑒別和真偽鑒別，以幫助學生更好地掌握中藥植株的特性知識[15-16]。

4.基源鑒定。系統提供“基源鑒定”按鈕，彈出該藥材的基源鑒定圖文信息，如植物科+植物名（含拉丁名）+用藥部位+采收加工方式等；圖片素材為藥材原植物、動物、礦物等（除成方制劑）。

5.性狀鑒定。系統提供“性狀鑒定”按鈕，彈出該藥材的性狀鑒定圖文信息，“用手摸、口感和氣味的辨別”等均用文字進行描述，“外觀特征、水試法和火試法”等均附試驗的特征圖片和文字進行描述。

6.顯微鑒定。系統提供“顯微鑒定”，彈出該藥材的顯微鑒定圖文信息，圖文描述信息包括藥材粉末鑒定和藥材橫切面鑒定圖片及文字解說。

7.理化鑒定。系統提供“理化鑒定”按鈕，彈出該藥材的理化鑒定圖文信息，用戶可查看到該藥物相關的理化鑒定曲線圖及相關的文字解說。

五 預期效果

利用VR技術與基礎醫學專業相結合，有效解決了專業教學中實踐實習難以涵蓋各個環節的問題，在專業課程教學過程中，難以在課堂全景再現形象地向學生介紹各個環節，即便通過實踐實習環節，也無法涵蓋整個過程。通過虛擬實驗中心提供的虛擬現實技術，同時借助虛擬現實技術沉浸性、構想性、交互性三大主要特性，可以全景形象再現各個環節，學生易于掌握專業知識，創新了課堂教學手段，提高了教學效率，有效提高教師課程教學水平，教學效果也得以提升，從而達到創新的教學模式、體驗模式。

學生實驗的積極性明顯增強。智慧醫學中心采用仿真實驗與真實實驗結合的教學方法，為學生提供交互共享的虛擬仿真實驗教學平臺，其“沉浸性”“構想性”“交互性”的特點不僅提升了教學效果，創新了教學模式，更重要的是學生通過自主虛擬仿真實驗，極大地激發了學生的科學探究興趣、自主學習興趣，明顯增強了實驗操作能力和動手能力，鍛煉了創新思維能力，學生能積極主動地參與各項創新實驗，學生創新能力普遍提高。同時學生的工作適應能力也明顯增強。

智慧醫學中心的教學資源面向全校師生開放，對專業改革、教學內容和課程體系的教學改革以及實驗課程的建設與改革起到了良好的示范和推動作用，為全校學生開展科技創新訓練和虛擬實驗實訓提供了一個重要基地。