虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職高專醫(yī)學(xué)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的實(shí)踐＊

王易振,彭 坤,張靜文,羅 晶

(重慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校醫(yī)學(xué)技術(shù)系 400030)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職高專醫(yī)學(xué)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的實(shí)踐＊

王易振,彭 坤,張靜文,羅 晶

(重慶醫(yī)藥高等專科學(xué)校醫(yī)學(xué)技術(shù)系 400030)

高職高專教育的目標(biāo)就是培養(yǎng)出一批高素質(zhì)的技能型人才。在醫(yī)學(xué)職業(yè)教育中,尤其注重培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和實(shí)踐技能。因此醫(yī)學(xué)職業(yè)技能培訓(xùn)中,實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)教學(xué)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié),很大程度上決定著辦學(xué)水平的高低。但是,在實(shí)際教學(xué)過程中,由于醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備價(jià)格昂貴,實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)成本高、毀壞性操作和高危實(shí)驗(yàn)等因素的普遍存在;加之醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展迅速,更新快等因素,制約著醫(yī)學(xué)職業(yè)教育實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)教學(xué)的開展。

隨著多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),特別是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)成為可能。在虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)(虛擬制藥車間、虛擬病房、虛擬藥房、虛擬臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)室、虛擬患者等)中學(xué)習(xí),有助于學(xué)習(xí)者建立實(shí)際操作過程的整體概念,熟悉操作的各個(gè)環(huán)節(jié),避免初學(xué)者對(duì)人體標(biāo)本、真實(shí)儀器設(shè)備帶來的不必要損壞。借助虛擬系統(tǒng)提供的交互功能,能夠讓學(xué)習(xí)者反復(fù)操作訓(xùn)練,有效減少學(xué)生培養(yǎng)成本。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念和技術(shù)特征 虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality, VR),就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)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(huán)境,用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響,從而產(chǎn)生等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)最本質(zhì)的特征是用戶對(duì)虛擬場景的沉浸,它要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)酷似客觀環(huán)境又超越客觀時(shí)空、能沉浸其中又能駕馭操縱的和諧人機(jī)環(huán)境,也就是由多維信息所構(gòu)成的可操縱的空間。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有其他媒體不可比擬的優(yōu)勢(shì),主要有以下幾點(diǎn):(1)沉浸性,指虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以讓參與的學(xué)習(xí)者完全沉浸在由虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中;(2)交互性,指學(xué)習(xí)者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可以和周圍的物體發(fā)生互動(dòng),比如對(duì)醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備進(jìn)行操作;(3)多感知性,指為學(xué)習(xí)者提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段,以獲得身臨其境的感受。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng) 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合,能夠建立職業(yè)技能培訓(xùn)所需的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)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(gòu)成。虛擬系統(tǒng)可將學(xué)習(xí)者的操作轉(zhuǎn)換為虛擬系統(tǒng)中物體上的作用信息,并將虛擬系統(tǒng)中物體形象、動(dòng)作、聲音進(jìn)行轉(zhuǎn)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(yè)教育中應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn),具體表現(xiàn)在:(1)優(yōu)化和功能全,虛擬設(shè)備和設(shè)施易于升級(jí)和優(yōu)化;(2)低成本,對(duì)元器件和設(shè)備庫,可以無限復(fù)制和組合,無人為損壞,彌補(bǔ)實(shí)際教學(xué)不足;(3)無危險(xiǎn),有毒的化學(xué)實(shí)驗(yàn),高壓強(qiáng)電的實(shí)驗(yàn),虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建造可以免除人身傷害的風(fēng)險(xiǎn);(4)網(wǎng)絡(luò)化,利用Web提供的協(xié)同虛擬技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)多人合作、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和協(xié)同操作。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備造型 醫(yī)學(xué)職業(yè)技能培訓(xùn)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備通常包括諸如人體、人體器官、藥物生產(chǎn)設(shè)備和醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)儀器設(shè)備等,這些對(duì)象的外部造型可通過兩種方式實(shí)現(xiàn):(1)直接使用虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言(VRML)創(chuàng)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(dòng)畫渲染和制作軟件(3DMAX)建立VRML模型[2]。

2.2 儀器設(shè)備及交互性操作 醫(yī)學(xué)職業(yè)技能培訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)設(shè)備多屬于交互性操作的儀器設(shè)備,該類儀器設(shè)備則應(yīng)在創(chuàng)造一個(gè)逼真的外部模型的基礎(chǔ)上,對(duì)虛擬儀器儀表的各種開關(guān)、旋鈕的三維操作,以及與各操作相關(guān)的數(shù)字或模擬量的顯示進(jìn)行編程處理,這也是創(chuàng)建虛擬場景的關(guān)鍵性技術(shù)[3]。

2.2.1 儀器設(shè)備的外觀造型 虛擬儀器設(shè)備的外觀包括面板、數(shù)據(jù)顯示屏幕、各種開關(guān)按鈕等部分。外觀造型可用Shape節(jié)點(diǎn),Shape包括兩個(gè)域:描述外觀的appearance域和描述形狀的geometry域。

2.2.2 儀器設(shè)備的各種按鈕 儀器設(shè)備面板上的各種按鈕分為開關(guān)按鈕和旋轉(zhuǎn)按鈕,兩類按鈕都由造型部分和傳感器部分組成。開關(guān)按鈕使用的多是平面移動(dòng)傳感器Touch Sensor,旋轉(zhuǎn)按鈕使用的傳感器是柱面旋轉(zhuǎn)傳感器Cylinder Senso r。開關(guān)按鈕需要在瀏覽者點(diǎn)擊它時(shí)產(chǎn)生一個(gè)位置移動(dòng)動(dòng)畫,表示已經(jīng)將其按下,需要時(shí)間傳感器和插補(bǔ)器來實(shí)現(xiàn)。插補(bǔ)器是一類特殊的節(jié)點(diǎn),它們使用關(guān)鍵時(shí)刻和關(guān)鍵值的列表來描述每一個(gè)動(dòng)畫。

2.2.3 旋鈕及其值的顯示 旋鈕的旋轉(zhuǎn)通過Cylinder Senso r節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。Cylinder Sensor節(jié)點(diǎn)規(guī)定用戶的動(dòng)作圍繞Y軸旋轉(zhuǎn),如果需要旋鈕繞Z或X軸旋轉(zhuǎn),可以修改旋鈕所在的Transfo rm節(jié)點(diǎn)的ratation域值實(shí)現(xiàn)。一般情況下通過旋鈕的旋轉(zhuǎn)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(shù)字輸出和模擬輸出。

2.2.4 虛擬儀器的交互性操作[4-5]經(jīng)VRML創(chuàng)建的虛擬儀器可以進(jìn)行與協(xié)作者之間的簡單交互,但是由于VRML缺少普遍程序設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)折、分支、循環(huán)等基本結(jié)構(gòu),必須加入JAVA程序才能真正實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中復(fù)雜的交互性操作。

在職業(yè)教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),采用3DMAX、VRML和JAVA技術(shù)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境要求較低,在有限的實(shí)驗(yàn)投入條件下能實(shí)現(xiàn)較好的技能培訓(xùn)效果,系統(tǒng)構(gòu)建的三維場景能夠真實(shí)再現(xiàn)各種行業(yè)實(shí)踐的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié),設(shè)備器件可進(jìn)行交互性操作,且操作提示信息準(zhǔn)確,操作方法簡單、靈活、有效。

基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)使學(xué)習(xí)者不受時(shí)空限制,隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室上機(jī)操作,完成各種分析測試任務(wù),評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)者的操作水平,不但為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了條件和技術(shù)支持,還可以讓學(xué)生接觸和掌握更多、更新、更好的儀器。它擺脫了傳統(tǒng)教育如電視錄像、多媒體教室單邊的交互功能,真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話,緊貼真實(shí)儀器操作,從原理介紹、開機(jī)操作、違規(guī)提示、結(jié)果輸出分析、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢和調(diào)用等一系列手段,讓學(xué)生達(dá)到操作真實(shí)儀器同樣的效果。整個(gè)系統(tǒng)具有真實(shí)感強(qiáng)、可交互、協(xié)作方便等眾多特點(diǎn),是當(dāng)前醫(yī)學(xué)職業(yè)教育領(lǐng)域中一種值得推廣的新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足

虛擬技術(shù)的局限性如下:(1)缺少實(shí)物感。例如常用的手術(shù)器械、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。在虛擬實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)教學(xué)中,學(xué)生是看得到、摸不著的。(2)虛擬技術(shù)很難完整全面反映現(xiàn)實(shí)生物學(xué)的復(fù)雜性。如細(xì)胞培養(yǎng)過程中遇到的污染問題、手術(shù)過程中大出血等,學(xué)生難以積累這方面的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。(3)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)時(shí),盡管操作正確,但有可能存在不良后果。這些現(xiàn)象在虛擬實(shí)驗(yàn)中絕不會(huì)出現(xiàn)。而真實(shí)、實(shí)際的實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)過程中問題的檢查和排除,才能客觀、全面地鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

仿真虛擬實(shí)驗(yàn)快速、方便、簡潔,比較真實(shí)地模擬了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程?？梢宰寣W(xué)生感知、熟悉實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的操作步驟和操作全過程。但是與實(shí)際實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)手段相比,仍然存在一定的差距。虛擬實(shí)驗(yàn)室并非取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),而是作為實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)教學(xué)的改革和補(bǔ)充。

[1]王宇飛.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教學(xué)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(shí)驗(yàn)室開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用[J].電化教育研究,2007,171(7):37.

[3]任建.基于WEB的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究[J].職教論壇,2006(11X):54.

[4]葛萱,王清.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用模式探析[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2007,21(3):198.

[5]郭彥錚,岳建華.談醫(yī)學(xué)模擬技術(shù)的發(fā)展[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2005,19(6):429.

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2010-02-25

2010-05-25)

重慶市教委重點(diǎn)教改課題資助項(xiàng)目(09-2-111)。