虚拟现实技术在高职高专医学实训教学中的实践＊

王易振,彭 坤,张静文,罗 晶

(重庆医药高等专科学校医学技术系 400030)

虚拟现实技术在高职高专医学实训教学中的实践＊

王易振,彭 坤,张静文,罗 晶

(重庆医药高等专科学校医学技术系 400030)

高职高专教育的目标就是培养出一批高素质的技能型人才。在医学职业教育中,尤其注重培养学生动手操作能力和实践技能。因此医学职业技能培训中,实验/实训教学是至关重要的环节,很大程度上决定着办学水平的高低。但是,在实际教学过程中,由于医学仪器设备价格昂贵,实验/实训成本高、毁坏性操作和高危实验等因素的普遍存在;加之医学仪器发展迅速,更新快等因素,制约着医学职业教育实验/实训教学的开展。

随着多媒体计算机技术、网络技术,特别是虚拟现实技术的发展,构建虚拟的实验室教学系统成为可能。在虚拟实验室系统(虚拟制药车间、虚拟病房、虚拟药房、虚拟临床医学检验室、虚拟患者等)中学习,有助于学习者建立实际操作过程的整体概念,熟悉操作的各个环节,避免初学者对人体标本、真实仪器设备带来的不必要损坏。借助虚拟系统提供的交互功能,能够让学习者反复操作训练,有效减少学生培养成本。

1 虚拟现实与虚拟实验教学系统

1.1 虚拟现实的概念和技术特征 虚拟现实(virtual reality, VR),就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生等同真实环境的感受和体验。

虚拟现实最本质的特征是用户对虚拟场景的沉浸,它要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭操纵的和谐人机环境,也就是由多维信息所构成的可操纵的空间。

虚拟现实技术在职业教育实验教学中具有其他媒体不可比拟的优势,主要有以下几点:(1)沉浸性,指虚拟现实系统可以让参与的学习者完全沉浸在由虚拟现实系统所创建的环境中;(2)交互性,指学习者在虚拟现实环境中可以和周围的物体发生互动,比如对医学仪器设备进行操作;(3)多感知性,指为学习者提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段,以获得身临其境的感受。

1.2 虚拟实验教学系统 将虚拟现实技术与实验教学相结合,能够建立职业技能培训所需的虚拟实验教学系统。虚拟实验教学系统主要由检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块、3D建模库和建模模块等构成。虚拟系统可将学习者的操作转换为虚拟系统中物体上的作用信息,并将虚拟系统中物体形象、动作、声音进行转换,通过反馈使人能获得视觉、听觉、触觉等方面的感觉[1]。

职业教育中应用虚拟实验教学系统具有很多优点,具体表现在:(1)优化和功能全,虚拟设备和设施易于升级和优化;(2)低成本,对元器件和设备库,可以无限复制和组合,无人为损坏,弥补实际教学不足;(3)无危险,有毒的化学实验,高压强电的实验,虚拟实验系统的建造可以免除人身伤害的风险;(4)网络化,利用Web提供的协同虚拟技术,可以实现多人合作、远程实验和协同操作。

2 虚拟实验室创建的关键技术

2.1 虚拟实验设备造型 医学职业技能培训中的实验设备通常包括诸如人体、人体器官、药物生产设备和医学检验仪器设备等,这些对象的外部造型可通过两种方式实现:(1)直接使用虚拟现实造型语言(VRML)创建造型,这种方法简单、代码量小,但是造型逼真程度差;(2)采用三维动画渲染和制作软件(3DMAX)建立VRML模型[2]。

2.2 仪器设备及交互性操作 医学职业技能培训的实验/实训设备多属于交互性操作的仪器设备,该类仪器设备则应在创造一个逼真的外部模型的基础上,对虚拟仪器仪表的各种开关、旋钮的三维操作,以及与各操作相关的数字或模拟量的显示进行编程处理,这也是创建虚拟场景的关键性技术[3]。

2.2.1 仪器设备的外观造型 虚拟仪器设备的外观包括面板、数据显示屏幕、各种开关按钮等部分。外观造型可用Shape节点,Shape包括两个域:描述外观的appearance域和描述形状的geometry域。

2.2.2 仪器设备的各种按钮 仪器设备面板上的各种按钮分为开关按钮和旋转按钮,两类按钮都由造型部分和传感器部分组成。开关按钮使用的多是平面移动传感器Touch Sensor,旋转按钮使用的传感器是柱面旋转传感器Cylinder Senso r。开关按钮需要在浏览者点击它时产生一个位置移动动画,表示已经将其按下,需要时间传感器和插补器来实现。插补器是一类特殊的节点,它们使用关键时刻和关键值的列表来描述每一个动画。

2.2.3 旋钮及其值的显示 旋钮的旋转通过Cylinder Senso r节点实现。Cylinder Sensor节点规定用户的动作围绕Y轴旋转,如果需要旋钮绕Z或X轴旋转,可以修改旋钮所在的Transfo rm节点的ratation域值实现。一般情况下通过旋钮的旋转角度的变化来模拟某种量的变化,其变化值的显示输出可分为数字输出和模拟输出。

2.2.4 虚拟仪器的交互性操作[4-5]经VRML创建的虚拟仪器可以进行与协作者之间的简单交互,但是由于VRML缺少普遍程序设计中的转折、分支、循环等基本结构,必须加入JAVA程序才能真正实现虚拟环境中复杂的交互性操作。

在职业教育的实验教学环节中应用虚拟现实技术,采用3DMAX、VRML和JAVA技术开发的虚拟实验教学系统,对于计算机硬件环境要求较低,在有限的实验投入条件下能实现较好的技能培训效果,系统构建的三维场景能够真实再现各种行业实践的各个生产环节,设备器件可进行交互性操作,且操作提示信息准确,操作方法简单、灵活、有效。

基于Web的虚拟实验教学系统使学习者不受时空限制,随时进入虚拟实验室上机操作,完成各种分析测试任务,评价实验者的操作水平,不但为实验教学改革提供了条件和技术支持,还可以让学生接触和掌握更多、更新、更好的仪器。它摆脱了传统教育如电视录像、多媒体教室单边的交互功能,真正实现人机对话,紧贴真实仪器操作,从原理介绍、开机操作、违规提示、结果输出分析、网络数据查询和调用等一系列手段,让学生达到操作真实仪器同样的效果。整个系统具有真实感强、可交互、协作方便等众多特点,是当前医学职业教育领域中一种值得推广的新型的实验教学模式。

3 虚拟现实技术应用于实验教学的不足

虚拟技术的局限性如下:(1)缺少实物感。例如常用的手术器械、实验设备等。在虚拟实验/实训教学中,学生是看得到、摸不着的。(2)虚拟技术很难完整全面反映现实生物学的复杂性。如细胞培养过程中遇到的污染问题、手术过程中大出血等,学生难以积累这方面的知识与经验。(3)在实际实验/实训时,尽管操作正确,但有可能存在不良后果。这些现象在虚拟实验中绝不会出现。而真实、实际的实验/实训过程中问题的检查和排除,才能客观、全面地锻炼学生分析问题、解决问题的能力。

仿真虚拟实验快速、方便、简洁,比较真实地模拟了整个实验的过程。可以让学生感知、熟悉实验/实训项目的操作步骤和操作全过程。但是与实际实验/实训手段相比,仍然存在一定的差距。虚拟实验室并非取代传统的实验教学,而是作为实验/实训教学的改革和补充。

[1]王宇飞.虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].教学与管理:理论版,2005(1):88.

[2]张凡,吴燕玲,刘青.基于3D引擎的虚拟实验室开发与教学应用[J].电化教育研究,2007,171(7):37.

[3]任建.基于WEB的虚拟实验教学系统的研究[J].职教论坛,2006(11X):54.

[4]葛萱,王清.虚拟现实技术在教学中的应用模式探析[J].中国医学教育技术,2007,21(3):198.

[5]郭彦铮,岳建华.谈医学模拟技术的发展[J].中国医学教育技术,2005,19(6):429.

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10.3969/j.issn.1671-8348.2010.18.013

G642.4

A 文献标识码:1671-8348(2010)18-2429-02

2010-02-25

2010-05-25)

重庆市教委重点教改课题资助项目(09-2-111)。