基于角色和智能體的護理基本技術(shù)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

龍艷軍 吳敏

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?介紹虛擬仿真技術(shù)在護理教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過引入智能控制技術(shù)自主設(shè)計與開發(fā)護理基本技術(shù)虛擬仿真教學(xué)軟件，利用3ds Max、Unity3d等技術(shù)，構(gòu)建護理虛擬仿真教學(xué)情景，模擬典型的臨床工作過程和工作任務(wù)，學(xué)生以角色扮演的方式參與學(xué)習(xí)，同時應(yīng)用行為樹技術(shù)，將場景中的非玩家角色賦予智能。實踐表明，該模式可有效地激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)參與度，提高教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?Unity3d;行為樹;護理技術(shù);虛擬仿真

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號] ?2096-0603（2019）30-0075-03

隨著計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，使用計算機模擬現(xiàn)實環(huán)境成為可能。同時，隨著控制理論的發(fā)展，智能控制技術(shù)正逐步取代傳統(tǒng)的控制手段。這些技術(shù)的進步解決了早期限制虛擬實驗室發(fā)展的技術(shù)瓶頸，使虛擬實驗室開始具備了仿真能力，在普通高校的教學(xué)領(lǐng)域得到普及，并一躍成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點。在護理教學(xué)領(lǐng)域，學(xué)者對虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)進行了有益的嘗試，如楊文晴等人[1]將洗胃術(shù)的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于臨床技能實訓(xùn)教學(xué)，對其應(yīng)用效果進行評價，效果滿意。聶立婷等人[2]開發(fā)導(dǎo)尿術(shù)虛擬仿真教學(xué)項目，并將其應(yīng)用于護理實驗教學(xué)中，通過將實驗組和常規(guī)教學(xué)組比較，采用虛擬仿真教學(xué)能顯著提高導(dǎo)尿術(shù)操作成績。廖瑩等人[3]將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到口腔專科醫(yī)院新入職護士崗位培訓(xùn)中，能提高新入職護士的口腔臨床技術(shù)操作配合能力，達(dá)到了更快地適應(yīng)臨床工作的需求。目前虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于護理教學(xué)的教學(xué)系統(tǒng)雖然能得到教師和學(xué)生的歡迎，但也存在流程固化、應(yīng)用不夠靈活等問題，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足、參與度不強。為此，本研究借助于游戲開發(fā)元素，引入行為樹技術(shù)，為場景中的角色賦予智能，以期提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)參與度。

一、護理虛擬仿真在護理教學(xué)中的重要意義

（一）合理分配實訓(xùn)時間，有效彌補護理技術(shù)實踐教學(xué)條件的不足

在計算機系統(tǒng)中構(gòu)建護理基本技術(shù)實驗實訓(xùn)教學(xué)平臺，按照醫(yī)院真實環(huán)境設(shè)計護理基本技術(shù)實驗實訓(xùn)，以任務(wù)情境設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬、仿真互動基本護理操作工作過程;以案例情景設(shè)計提出工作任務(wù)、開展工作過程，在虛擬場景中演練護理基本技術(shù)，使每個學(xué)生都能反復(fù)模擬臨床護理崗位工作過程和典型工作任務(wù)，獲取與臨床護理實踐一樣的實訓(xùn)效果，提高學(xué)生的實際操作能力，彌補實踐教學(xué)條件的不足。

（二）突破時空的限制，可實現(xiàn)反復(fù)的、無障礙的情境式教學(xué)

根據(jù)護理基本技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境和以解決問題、完成任務(wù)為主的多維互動式教學(xué)理念，學(xué)生以角色扮演的形式在虛擬的情境中進行探究式學(xué)習(xí)，使學(xué)生處于積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)。通過應(yīng)用該系統(tǒng)，可徹底打破時間和空間的限制，可反復(fù)組織多次實踐教學(xué)，還可深入到現(xiàn)實世界無法觀察的物體內(nèi)部進行實驗，從不同角度展示任意時間段實驗進展情況或?qū)嵙?xí)階段的場景。

（三）有利于增強實訓(xùn)的安全性，節(jié)省實驗實訓(xùn)成本，實現(xiàn)“零”消耗

護理基本技術(shù)中的許多操作都需要在真人身上練習(xí)，如各種注射法、鼻飼法等操作，由于學(xué)生相關(guān)知識學(xué)習(xí)及操作熟練程度不夠，會不同程度造成用物污染或針刺傷，同時耗材產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，可能會讓學(xué)生存在安全隱患。護理搶救技術(shù)中需要借助于高仿真心肺復(fù)蘇模擬人及心電監(jiān)護等急救設(shè)備，在這些實驗設(shè)備上讓學(xué)生反復(fù)練習(xí)、考試，這些實驗實訓(xùn)設(shè)備價格昂貴、損耗大、成本高，而計算機網(wǎng)絡(luò)中的虛擬實驗室的儀器設(shè)備、原器件或材料只是“概念”上的損耗，可自動修復(fù)或產(chǎn)生，因而它們能無限重復(fù)使用，在經(jīng)濟上幾乎不再需要支出，即可實現(xiàn)“零”消耗，同時避免了實訓(xùn)污染，減少了“醫(yī)用垃圾”。

（四）有利于提高教學(xué)效果，實現(xiàn)教育教學(xué)資源的共享

傳統(tǒng)的帶教式護理基本技術(shù)實驗實訓(xùn)教學(xué)，實驗指導(dǎo)教師不能及時有效地對每個學(xué)生進行交流與反饋，難以激發(fā)學(xué)生潛在的學(xué)習(xí)動機和興趣，教學(xué)效果難以滿足臨床崗位的需要。虛擬實驗實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)了生動、直觀、動態(tài)的學(xué)習(xí)情境，為學(xué)生提供了系統(tǒng)的、更為廣闊的學(xué)習(xí)空間;在護理實訓(xùn)操作中，實訓(xùn)路徑的多樣性，融入的聲音、圖片、動畫、視頻等多媒體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強自信力，對提高學(xué)生分析問題和解決問題的臨床思維能力有很大的幫助;可以有效實現(xiàn)教育教學(xué)資源共享，節(jié)省大量實驗設(shè)備設(shè)施的重復(fù)建設(shè)，有利于從整體上改善同類專業(yè)的辦學(xué)條件并提高實踐教學(xué)水平。

二、主要相關(guān)技術(shù)

（一）Unity3d

Unity3d是由Unity Technologies開發(fā)的次世代多平臺的交互式引擎，能創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型的互動內(nèi)容，Unity3d提供了一個功能非常強大的編輯器，可方便地搭建互動內(nèi)容，該編輯器可運行在Windows和MacOSX下，一次開發(fā)，互動內(nèi)容可發(fā)布內(nèi)容至多種平臺。Unity3d支持C#、JavaScript和Python三種編程語言，本文使用C#語言進行虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

（二）行為樹

行為樹（Behavior Tree）[4]是一種樹型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，任務(wù)是行為樹的基本元素，用來描述行為的邏輯。在行為樹中，任務(wù)也是節(jié)點，通常為順序節(jié)點、選擇節(jié)點、條件節(jié)點、行為節(jié)點，每個智能體邏輯用一棵行為樹表示，執(zhí)行順序是從根結(jié)點開始，執(zhí)行每個智能體邏輯，然后遍歷執(zhí)行整個行為樹。

通過把行為劃分為多個層級，在較低層級的行為能夠進行組合，成為較高層級的行為，行為樹歸屬于決策系統(tǒng)。通過行為樹，能夠非常容易實現(xiàn)智能體執(zhí)行預(yù)想的行為邏輯，相比其他的決策系統(tǒng)（有限狀態(tài)機），由于行為樹的層次分明，容易模塊化和進行復(fù)用，在實際應(yīng)用中行為樹程序一般都是采用非常方便的圖形編輯器來協(xié)助開發(fā)者簡化編程工作，省時、省力且高效。

在Unity3d中，行為樹程序一般都是以插件的形式存在于Unity3d編輯器中，比較常用的有React、BD（Behavior Designer）等。

三、護理基本技術(shù)仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

護理仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計主要包括人物模型、虛擬醫(yī)院場景的設(shè)計，實現(xiàn)了查肝功能、查血常規(guī)、查凝血功能和查血清電解質(zhì)四個虛擬仿真學(xué)習(xí)模塊。學(xué)習(xí)者以角色扮演的方式在虛擬的醫(yī)院場景中進行漫游，在虛擬場景中與相應(yīng)的智能體（虛擬醫(yī)生、虛擬病人等）進行交流、對話，對相關(guān)儀器、設(shè)備進行操作，輔助學(xué)習(xí)者完成給定有關(guān)的學(xué)習(xí)任務(wù)，獲取有關(guān)信息與資料，進行知識建構(gòu)。

（一）人物模型的設(shè)計

人物模型主要有角色和智能體兩個部分，角色主要是指虛擬護士，智能體主要是指虛擬醫(yī)生、虛擬病人。

人物模型的建模方法是，首先利用3ds Max建模軟件，構(gòu)建出虛擬護士、虛擬醫(yī)生和虛擬病人的模型，然后利用photoshop軟件繪制好護士、醫(yī)生、病人模型的貼圖并貼在模型上，構(gòu)建出護士、醫(yī)生和病人的虛擬形象，如圖1中左為虛擬護士的模型，右為虛擬護士的貼圖。

角色和智能體動畫部分的制作是利用3ds Max的bip骨骼功能，通過將模型綁定好bip骨骼，然后就可以移動、旋轉(zhuǎn)角色的相應(yīng)部分來進行編輯角色的各種動畫。其中角色動作編輯的工作量較大，如人物的行走、躺下、哭、笑等動作，編輯起來費時費力，而且容易出錯。因此，為了提高動畫制作效率，可借助Kinect動作捕捉設(shè)備，將綁定好bip骨骼的模型，導(dǎo)入iClone7環(huán)境下對虛擬角色的動作進行編輯，通過Kinect捕捉各種動畫，修改后再導(dǎo)到Unity3d游戲引擎中進行調(diào)用，虛擬的護士即為學(xué)習(xí)者的虛擬化身，智能體即為虛擬醫(yī)生、虛擬病人。

（二）虛擬醫(yī)院場景、醫(yī)學(xué)儀器與設(shè)備的設(shè)計

虛擬醫(yī)院、醫(yī)學(xué)儀器與設(shè)備的建模，由于涉及的物件較多，而且有些儀器設(shè)備模型比較復(fù)雜，建模的工作量很大，沒有專業(yè)的建模團隊會嚴(yán)重影響開發(fā)的進度。在Unity3d的官網(wǎng)提供了一個資源倉庫（Asset Store），包括大量的模型資源，其中就有非常豐富的醫(yī)學(xué)類模型，如虛擬醫(yī)院、虛擬醫(yī)療設(shè)備等模型，而且價格也比較便宜，因此本項目中使用到的虛擬醫(yī)院、虛擬醫(yī)療設(shè)備的模型采用購買的形式取得，極大地加快了項目的開發(fā)進度。

（三）基于行為樹的智能體設(shè)計

本系統(tǒng)對智能體的研究，主要是仿真虛擬醫(yī)生、虛擬病人，讓智能體能夠接受環(huán)境信息并做出相應(yīng)的動作，能和學(xué)習(xí)者的虛擬化身交互（虛擬護士）等。在Unity3d開發(fā)環(huán)境中，Unity3d把虛擬環(huán)境中的所有事物抽象為統(tǒng)一游戲?qū)ο箢愋?，即GameObject（游戲?qū)ο螅?。通過將每一個事物設(shè)定為GameObject的一個實例對象，每一個GameObject可以綁定任意一個Component（組件），因此Unity3d組件式的架構(gòu)能夠比較容易地滿足虛擬智能體架構(gòu)的設(shè)計需求。

以虛擬病人做凝血功能檢查為例，進行智能體的行為樹設(shè)計圖，如圖2所示：

四、護理基本技術(shù)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

我們將開發(fā)好的護理技術(shù)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在2018級三年制護理專業(yè)所有的班級教學(xué)中進行應(yīng)用，系統(tǒng)將真實的醫(yī)院情景虛擬化，通過模擬典型的工作任務(wù)和工作過程，學(xué)生以角色扮演（虛擬護士）的形式參與其中，學(xué)生在虛擬的環(huán)境中探究，完成系統(tǒng)設(shè)置的一個個任務(wù)和練習(xí)，同時虛擬病人具有一定的智能性，能夠主動地和角色進行交互，極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)參與度，圖3中左圖為虛擬病人與角色（用戶化身）進行交流對話的過程，右圖為學(xué)習(xí)者（用戶）需要完成的與工作任務(wù)相關(guān)的內(nèi)容。

本系統(tǒng)利用Unity3d和行為樹技術(shù)構(gòu)建3D的虛擬仿真醫(yī)院情境，為虛擬角色賦予一定的智能，讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)的過程中不再孤獨，采用行為樹技術(shù)構(gòu)建智能體，具有較高的智能，使角色與智能體的交互過程中不被預(yù)測，有效提升了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)參與度。本系統(tǒng)智能體的行為樹設(shè)計目前還較為簡單，可以根據(jù)實際工作中的情景豐富行為樹的內(nèi)容，讓智能體更加智能，這是本系統(tǒng)今后努力的方向。

參考文獻：

[1]楊文晴，周誼霞.洗胃術(shù)智能訓(xùn)練系統(tǒng)在護理臨床技能實訓(xùn)中的應(yīng)用[J].護理研究，2018（10）：3252-3255.

[2]聶立婷，殷秀敏，徐奇，等.導(dǎo)尿術(shù)虛擬仿真教學(xué)項目的開發(fā)及應(yīng)用[J].護理學(xué)雜志，2019（1）：66-70.

[3]廖瑩，文學(xué)錦，黎曄，等.虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)模式在口腔?？谱o士崗前培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].護理學(xué)雜志，2017（3）：81-83.

[4]郝運.行為樹驅(qū)動的人工智能決策模式設(shè)計與實現(xiàn)[D].沈陽：中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所，2018.

◎編輯 趙瑞峰