虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查

唐 溯 姚鐵辰 朱 涵 黃 碩 孟 建

（山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院） 山東·濟(jì)南 250000）

0 前言

新時(shí)代的醫(yī)學(xué)科技發(fā)展已經(jīng)不再局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的研究，將醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)與信息技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為一種大趨勢(shì)。而虛擬仿真模擬技術(shù)（Virtual Reality），簡(jiǎn)稱VR，就是一種如今日益成熟的，可以將醫(yī)學(xué)研究與網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合的一種技術(shù)。醫(yī)學(xué)影像學(xué)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最快、涉及范圍最廣的學(xué)科之一，所以就可以將其與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合在一起，成為高等教育體系信息化建設(shè)與實(shí)踐教學(xué)中心建設(shè)的關(guān)鍵所在。本文章對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的研究，希冀探討虛擬仿真軟件在我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用以及發(fā)展前景。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展現(xiàn)狀概述

信息技術(shù)的不斷發(fā)展為教育提供了更多的教學(xué)方法，其中將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，更是為傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室?guī)砹俗兏铩Ｌ摂M仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)沖擊了人們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，同時(shí)也彌補(bǔ)了許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷。虛擬仿真以計(jì)算機(jī)為核心，生成視覺、聽覺，甚至是觸覺一體化的虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了每一個(gè)學(xué)生都可以切實(shí)動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，解決了目前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生多，儀器少，儀器破損或落后等問題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用才剛剛開始，是處于一個(gè)上升階段的，應(yīng)用在教育方面是必不可少的、有發(fā)展前景的新興教學(xué)方法。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 醫(yī)學(xué)

2.1.1 在診斷學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

診斷學(xué)是一門理論醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)相結(jié)合的橋梁課程[1]，是運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)知識(shí)，通過病人所表現(xiàn)出的癥狀來對(duì)一種或多種疾病做出診斷。診斷學(xué)是一名臨床醫(yī)生的基本功，對(duì)于醫(yī)學(xué)生來說也是重中之重。既然牽涉到了臨床，就說明這是門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件會(huì)直接影響此門課程的學(xué)習(xí)。據(jù)了解，這門課程一般開設(shè)在大學(xué)三年級(jí)，這時(shí)的學(xué)生還接觸不到臨床實(shí)踐環(huán)境，但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)改變了這種情況。

在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生可以以虛擬患者為基礎(chǔ)，創(chuàng)建不同疾病的患者模型。診斷分為視診、問診、聽診、觸診及叩診等檢查。學(xué)生可以在虛擬界面與虛擬患者對(duì)話，并進(jìn)一步用模擬聽診器去進(jìn)行聽診，然后再進(jìn)行叩診從而得出初步的診斷結(jié)果。相對(duì)于傳統(tǒng)的診斷學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這些都是無法做到的，也正是由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用，學(xué)生可以更好地掌握診斷學(xué)的方法步驟以及最重要的診斷學(xué)知識(shí)。

2.1.2 在急救醫(yī)學(xué)技能操作教學(xué)中的應(yīng)用

急救醫(yī)學(xué)是一門多專業(yè)的綜合學(xué)科，是臨床處理急危重癥的第一線，主要是處理和研究各種各樣的急性病變及急性創(chuàng)傷，其涉及醫(yī)學(xué)的方方面面——包括內(nèi)科、外科、神經(jīng)外科、神經(jīng)內(nèi)科、麻醉等，其疾病之復(fù)雜、疾病之兇險(xiǎn)，對(duì)于還身處學(xué)校的同學(xué)來說，認(rèn)識(shí)不可謂不足。同時(shí)這門課程也是一門實(shí)踐性高，而且實(shí)際的操作機(jī)會(huì)很少的學(xué)科，這也就使學(xué)生們學(xué)習(xí)掌握這門課程的難度增加，以及同學(xué)們以后身處臨床，其生理和心理也難以很快適應(yīng)。因此，應(yīng)用于急救醫(yī)學(xué)學(xué)科的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過模擬人操作的模擬人仿真系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際生活中的網(wǎng)絡(luò)通訊、人機(jī)交互等技術(shù)將其用于急救醫(yī)學(xué)技能操作教學(xué)中[2]。例如，學(xué)生可以從書本中學(xué)習(xí)到如何急救突發(fā)心肌梗死的患者后，在虛擬仿真環(huán)境中切實(shí)感悟到每一步的確切操作手法和應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)，對(duì)于如何處理急性心肌梗死患者的急救措施有更直觀的認(rèn)識(shí)，并且系統(tǒng)還可以模擬出患者的身體狀況以及反饋急救是否成功，從而使學(xué)生不斷改進(jìn)提高自己的心肺復(fù)蘇術(shù)的水平和能力，為了以后更好的臨床診療提供幫助。

2.1.3 醫(yī)學(xué)微生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

圖1 左圖：新型冠狀病毒電鏡圖 右圖：新型冠狀病毒“德爾塔”變種3D建模

醫(yī)學(xué)微生物學(xué)是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)中一門重要的學(xué)科，主要研究與醫(yī)學(xué)有關(guān)的病原微生物的生物學(xué)性狀、致病機(jī)制、機(jī)體的免疫反應(yīng)以及相關(guān)的防治措施。[3]這門課程的一大特點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)較為瑣碎，對(duì)于各種各樣微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)等方面的學(xué)習(xí)，由于沒有足夠的標(biāo)本和觀察手段，所以學(xué)生們大都只能在書本上學(xué)習(xí)它們的構(gòu)造，無法真實(shí)的看到它們真正的結(jié)構(gòu)。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則給了學(xué)生們這個(gè)機(jī)會(huì)——虛擬仿真技術(shù)由于具有網(wǎng)絡(luò)共享的特點(diǎn)，可以搜集到各個(gè)醫(yī)院或?qū)嶒?yàn)室上傳到文獻(xiàn)里的各種對(duì)人類致病的微生物，以如今最引人注意的新型冠狀病毒為例，課本上只是描述其結(jié)果特點(diǎn)，配圖是一個(gè)電子顯微鏡下放大的圖片，十分模糊且沒有立體感，而在虛擬仿真技術(shù)的幫助下，學(xué)生們可以直觀的觀察新型冠狀病毒的真正構(gòu)造，并且找到其具有高度變異性的結(jié)構(gòu)，還可以對(duì)比其與最近變種“德爾塔”病毒的不同，可以讓學(xué)生們更好地學(xué)習(xí)冠狀病毒這一大類病毒的形態(tài)結(jié)構(gòu)、抗原結(jié)構(gòu)簇及其增殖過程。

2.2 化工

化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化工專業(yè)學(xué)生必須學(xué)習(xí)掌握的一項(xiàng)重要內(nèi)容[4]。為了讓該專業(yè)的學(xué)生更好地學(xué)習(xí)這門專業(yè)課，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以利用在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的數(shù)字化平臺(tái)，準(zhǔn)確模擬化學(xué)上真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。在線下的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂上，一是缺少實(shí)驗(yàn)所需要的材料，二是反應(yīng)消耗的時(shí)間久，三是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的影響因素太多，結(jié)果容易不成功，并且一旦不成功則需要重新開始實(shí)驗(yàn)。而在虛擬平臺(tái)上做實(shí)驗(yàn)，則可以縮短實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的時(shí)間，并且可以自行加入對(duì)實(shí)驗(yàn)具有影響的變量，這樣即使失敗重新開始了，也不需要等待每一步反應(yīng)所消耗的時(shí)間，這樣可以大大提升學(xué)生們的效率，減少學(xué)生們的精力損耗，同時(shí)也可以讓學(xué)生們深刻地認(rèn)識(shí)并掌握相關(guān)的化工原理。

2.3 工業(yè)機(jī)器人

為了使自己的制造業(yè)更具有競(jìng)爭(zhēng)力，效率更高，各國(guó)都在研發(fā)改進(jìn)升級(jí)自己的工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是智能制造的重要組成部分[5]，工業(yè)自動(dòng)化的不斷改造，機(jī)器人需求量的不斷增長(zhǎng)，也對(duì)實(shí)用型專業(yè)技能人才提出了新的要求。如今對(duì)于該類人才的培養(yǎng)需要加強(qiáng)實(shí)踐操作，不能只進(jìn)行理論上學(xué)習(xí)，要在教學(xué)過程中將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，將課堂轉(zhuǎn)移到工廠里，同時(shí)自動(dòng)化的工業(yè)機(jī)器人對(duì)使用者的計(jì)算機(jī)水平也有較高的要求。所以為了提升課程質(zhì)量與效率，要將互聯(lián)網(wǎng)、遙操作、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)運(yùn)用到課堂上。

如今是大數(shù)據(jù)的時(shí)代，信息的交流自然也是無比之重，通過“虛擬仿真+在線課堂”的教學(xué)形式，可以使老師傅與新學(xué)徒建立更好的溝通橋梁，師傅既可以遠(yuǎn)程觀看學(xué)徒的操作過程，也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，對(duì)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行糾正。這種教學(xué)模式改變了在工廠里學(xué)習(xí)的乏味與條件的簡(jiǎn)陋，極大提升了學(xué)習(xí)者的興趣，在未來的教學(xué)中會(huì)不斷發(fā)揮更大的作用。

2.4 外語類

語言是一門實(shí)用類學(xué)科，外語學(xué)科的學(xué)習(xí)同樣需要在真實(shí)的語言場(chǎng)景和文化背景下才能取得好的效果，但是傳統(tǒng)的語言授課模式仍然缺乏以上兩種優(yōu)點(diǎn)，同學(xué)在老師的口講筆述下學(xué)習(xí)語言，其效果大打折扣，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及其學(xué)習(xí)成果也非常不理想。在目前新學(xué)科建設(shè)背景下，學(xué)生對(duì)于語言學(xué)習(xí)的實(shí)用性有了極大的要求，對(duì)于外語教學(xué)的需求發(fā)生了深刻變化。[6]

因此，VR和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的出現(xiàn)，完美的契合了現(xiàn)如今學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)狀以及學(xué)生們對(duì)學(xué)習(xí)外語的需求。外語教學(xué)可以借助虛擬仿真軟件來更新教學(xué)方式、建立語言場(chǎng)景和文化背景、增強(qiáng)學(xué)生記憶以及語言知識(shí)與技能學(xué)習(xí)的效果。虛擬仿真軟件也符合教育部關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目—“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的項(xiàng)目設(shè)計(jì)理念，可以更深層次的啟發(fā)學(xué)生對(duì)于中外文化差異的思考，理解其語言的內(nèi)涵和精髓，深入的學(xué)習(xí)語言。

3 前景與展望

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠生動(dòng)并且形象的展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的操作細(xì)節(jié)，同時(shí)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，具有時(shí)空隨意性、學(xué)習(xí)交互性等優(yōu)點(diǎn)。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)仍屬于一項(xiàng)新興的技術(shù)，還沒有被廣泛的應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，但是其有著極大的潛在價(jià)值與意義。應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，有效提高整體教學(xué)效果，具有可發(fā)展性，相信在未來會(huì)被廣泛應(yīng)用，有利于為社會(huì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，同時(shí)，教育方式也會(huì)因虛擬仿真技術(shù)的加入課堂而發(fā)生重大變革。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，日益成熟，不難想象，在未來的高等教育體系中必然會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。

總而言之，不管新興的技術(shù)有多先進(jìn)，功能有多強(qiáng)悍，都不可能從根本上把老師替代。教學(xué)也不可能是技術(shù)選擇老師，而是以老師主導(dǎo)，通過選擇相應(yīng)的虛擬仿真技術(shù)，配合自己的教學(xué)思路來教授知識(shí)。目前 VR技術(shù)及其衍生產(chǎn)物“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”還只是處于萌芽階段，仍沒有大規(guī)模的應(yīng)用到每個(gè)大學(xué)、每門學(xué)科、每位教師的教學(xué)當(dāng)中，但是基于其在教學(xué)當(dāng)中所能發(fā)揮的種種優(yōu)勢(shì)，我相信用不了多長(zhǎng)時(shí)間，虛擬仿真技術(shù)就會(huì)在我們的課堂當(dāng)中出現(xiàn)，帶來一場(chǎng)極其重大的教育改革。