虚拟仿真在医学教学下的应用及疫情防控时期远程虚拟现实医学课堂系统的设想

虚拟仿真在医学教学下的应用及疫情防控时期远程虚拟现实医学课堂系统的设想

Abstract

在信息技术飞速发展的背景下，虚拟仿真技术 应运而生:采用以计算机为核心的现代高科技手段 模拟现实世界(甚至是不存在的)的事物和环境，生 成视觉、听觉、触觉一体化的“真实”环境，人投入到 这种环境中，借助必要的设备对虚拟环境中的对象 进行操作，达到如同“亲临其境”的感受和体验。这 一集虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通 信等众多技术优势于一身的现代科技因符合教育 理念、学生成长规律而逐步运用到教育教学当中。 目前，在医学教育领域，依托于虚拟现实技术的教学方法与模式创造了比线上慕课教学更加惊艳的效果，相对于传统教学模式中老师枯燥的讲述和黑板板书而言，虚拟实验系 统能够将每个实验操作最大程度地进行仿真，将实验 过程中的图像、文字、声音以及动画等各种因素融为一 体，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性，对一些微观 世界的现象也可以用虚拟实验技术来模拟。

本文总结了目前虚拟现实技术在医学教学中的应用探究进展并提出了一种虚拟现实学习平台的构想。

应用于医学教学的虚拟现实技术的现状与应用：以直线加速器为例

基于虚拟现实技术实现的医学教学平台有不同的类型，主要包括桌面级虚拟现实应用以及沉浸式虚拟现实应用。桌面级虚拟现实类似于3D游戏，利用一台具有较好性能gpu的计算机便可实现。沉浸式虚拟现实实现了虚拟现实中多人协作与互动，这套解决方案包括如下几个组成部分。 (1)沉浸式显示系统。通过虚拟现实头显和相应搭载的高性能图形计算机，提供高显示性能、低延迟的画面显示。搭配虚拟现实头显，提供顶级图形渲染能力。配合光学系统实现六自由度定位跟踪 。同时提供定位数据的处理、虚拟现实交互系统的本地数据处理功能。 (2)交互操作系统。虚实交互，这一套虚拟现实解决方案提供灵活的虚拟现实交互手段，观察者 / 使用者和主管人员都可以 使用标准的虚拟现实交互手柄其他设备进行交互。(3)多人协同。在虚拟交互空间内，体验区面积可以根据实 际场地需求灵活配置，满足多人同时体验交互、操作。使用者配 戴头显进入沉浸式虚拟环境中，与虚拟 / 实际物体进行交互。体挡的运动数据，与光学定位相结合，获追踪物体的光学数 据后，结合刚体上的惯性传感器元件对数据进行防抖动平滑处理 以及光学信息丢失补偿处理，提供高性能的混合定位数据，最后 生成高质量的实时追踪数据并广播至所有的应用客户端。

目前虚拟现实应用在医学教学中的应用主要应用在实验教学或者PBL中，尚未对传统课堂教学和线上mooc产生显著影响，可能与其应用的开发和设备的普及有关。目前在思想政治课中，梁军等¹利用虚拟现实技术开启学生视觉、听觉、触觉、平衡觉、机体 觉等多种感觉协同工作模式，向学生展示逼真沉浸式的教学场景，以达到了思政课刻板的模式。崔红军等²利用虚拟现实技术打造医学物理学实验平台，显著增强了学生的学习兴趣与实验水平。黄桂东等³探讨了虚拟现实技术对于微生物实验的安全性等优势。山东大学与企业合作开发了虚拟现实学习平台，覆盖了基础医学、实验室等功能⁴。张洋等⁵介绍了其沉浸式麻醉学平台，实现VR 教学以及网络化开放式 3D 教学，可为学生提供丰富的 VR 教 育资源，既可用作 VR 教室也可当作传统机房，同时可作为爱国 主义教育体验中心，并可作为思政党建宣教中心。齐现英等⁶将昂贵而且体积巨大的影像学设备制作成虚拟现实软件，实现理论教学与实践教学的同步。李冰⁷、田明君等探究了虚拟现实实验室在机能学实验教学与pbl多人协作中的可行性。

我校开发开发的虚拟现实软件，实现了放射治疗中对于直线加速器的桌面级模拟仿真，可以通过软件引擎供学生自主练习操作，并具备情景式的考核方式。有利于加深学生的理解，缓解对于设备的维护或者因操作不当引起的损伤，提高了教学过程中对学生的容错性。

虚拟现实技术所解决的问题与基于AR的设想

在传统的医学教学，特别是实验教学中，存在者许多 问题，例如（1）设备陈旧、设备体积较大，理论授课过程中无法随 时进行课堂演示，难以以动态的、形象的方式把抽象 的道理讲清楚，致使理论教学枯燥、乏味，学生缺乏学 习激情;（2）或者学校下拨的基础课实验经费少、实验 条件弱、设备价格昂贵，高校不可能为实验教学配 备种类齐全、数量较多的设备，学生缺乏亲自动手的 机会。（3 ）教学标本材料稀缺或者因年久损坏得不到补充。（4）大班级集体教学，难以兼顾学生的个人特点与情况。（5）评价方式单一，无法进行具体的操作评估。基于上述原因，在资源有限的情况下，教师如何将抽象复杂的知识，具体地、形象地、通俗易懂 地传授给学生， 成了医学教学的一个难 题。 基于虚拟现实技术，我们提出如下设想：在遇到如疫情等只能采用远程教学的情况下，利用虚拟现实技术构建沉浸式学习平台，（1）模拟上课场景，将教学资源数字化共享，供给学生自主探究学习，以及开放学生与老师的互动或者内置解答机器人。（2）实现学生间用户的小组互动功能，方便开展PBL教学。（3）建立虚拟实验室系统，可以促进学生有机地使理论与实验相结合，实验的安排更加灵活、方便，并且不受时间、空间限制。只要有网络的地方就 可以动手做实验，实现真正意义上的开放性实验室，提高学生的学习兴趣。保存每个学生实验的录像，教师可以根据互动情况和学生操作实验 的能力打分评定，让教师更了解学生的学习情况，从而有针 对性地加强指导。（4）制造开放的娱乐模式，内置类似目前《动物森友会》或者《我的世界》类似的游戏，其资源或者关卡由学生通过不同题库的一定标准的答题数开放。

参考文献