南陽醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校 張 琪

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虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

南陽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 張 琪

【摘要】利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來構(gòu)建逼近現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠使學(xué)生沉浸其中，同時(shí)學(xué)生通過與虛擬環(huán)境的交互來感知教學(xué)內(nèi)容，從而掌握內(nèi)容并與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景相聯(lián)系，進(jìn)而提高創(chuàng)新能力。這樣的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用有一定的理論基礎(chǔ)，打破了傳統(tǒng)的教育理念、提高了教學(xué)質(zhì)量、豐富了教學(xué)內(nèi)容，有利于醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展，而且當(dāng)前已用于虛擬人體結(jié)構(gòu)、虛擬醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)等醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；醫(yī)學(xué)教育；教育理論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供視覺、聽覺、觸覺等多種信息，參與者以自然的方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互作用，能夠身臨其境地參與到虛擬環(huán)境事件的發(fā)展變化過程，從而獲得最大的控制和操作整個(gè)事件的自由度。這種多維度的交互式信息環(huán)境，將為參與者以最直觀、最有效的方式掌握一門新知識(shí)和新技能提供前所未有的新途徑。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及了人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)，它的研究需要計(jì)算機(jī)學(xué)、人工智能學(xué)、心理學(xué)等方面相融合。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的根本目標(biāo)就是讓使用者達(dá)到真實(shí)的體驗(yàn)效果并且在人機(jī)交互中符合人們的行為習(xí)慣。

1　虛擬現(xiàn)實(shí)的特征

常用三個(gè)“I”表示虛擬現(xiàn)實(shí)的特征，即 Immersion （沉浸）、Interaction （交互）和 Imagination（構(gòu)想）。

1.1沉浸感（Immersion）

就是讓使用者與計(jì)算機(jī)展示出的虛擬世界相融合，使其暫時(shí)忘掉自己身處的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，有一種身臨其境的感覺。VR頭盔里的可視場(chǎng)景可隨使用者的視角變化而變化，可實(shí)現(xiàn)360度場(chǎng)景包裹，聲音和燈光效果也逼近現(xiàn)實(shí)。

1.2交互性（Interaction）

就是實(shí)現(xiàn)人與虛擬設(shè)備中虛擬場(chǎng)景的互動(dòng)，使用者通過頭盔和一些傳感設(shè)備等高級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備與虛擬場(chǎng)景中的事物互動(dòng)，如在虛擬場(chǎng)景中行走，與虛擬人物對(duì)話等行為，使虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)極為相似。

1.3構(gòu)想性（Imagination）

構(gòu)想性是從概念的認(rèn)知到最終知識(shí)完全掌握的一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。這是指人們從定量計(jì)算到定性分析來獲得對(duì)環(huán)境的感性和理性認(rèn)知的方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的情景式學(xué)習(xí)方式能夠使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生高水平的思維，使學(xué)習(xí)時(shí)間縮短，學(xué)習(xí)效率提高。

2　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的理論基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育中離不開教育理論的指導(dǎo)，學(xué)習(xí)理論是教育理論的核心，如果把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育科學(xué)地結(jié)合，那么教育方式與效率必將得到改善。下面就建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、自主學(xué)習(xí)理論、認(rèn)知主義、行為主義四個(gè)方面談?wù)勁c虛擬現(xiàn)實(shí)的結(jié)合。

2.1建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，知識(shí)是人們?cè)谝欢ǖ膱?chǎng)合情境中借助他人的幫助與協(xié)作，通過意義的建構(gòu)方式獲得的。這在虛擬現(xiàn)實(shí)的利用中通過建構(gòu)可視化場(chǎng)景，將需要講解的事物形象而又直觀展現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，使其更容易地了解事物的特征、性質(zhì)及規(guī)律。同時(shí)通過與虛擬事物對(duì)象的交互能夠加強(qiáng)學(xué)習(xí)者學(xué)以致用的聯(lián)想，從而達(dá)到學(xué)習(xí)的意義建構(gòu)。VR能夠很好地加強(qiáng)個(gè)人的體驗(yàn)，消除參與者與計(jì)算機(jī)之間的界限，有助于學(xué)習(xí)。

2.2自主學(xué)習(xí)理論

自主學(xué)習(xí)一般指學(xué)習(xí)者自行確定學(xué)習(xí)目標(biāo)、選擇學(xué)習(xí)方法、監(jiān)控學(xué)習(xí)過程、評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)結(jié)果的過程。自主學(xué)習(xí)主要是在一定的教師引導(dǎo)下，學(xué)習(xí)者通過自主地探索與知識(shí)獲得，通過學(xué)習(xí)過程中的反饋信息來形成對(duì)客觀事物的認(rèn)知，并且形成解決實(shí)際問題的能力。在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)者通過自主控制學(xué)習(xí)環(huán)境和對(duì)象，掌握學(xué)習(xí)的廣度和深度，自由分配學(xué)習(xí)時(shí)間，最后將所學(xué)與現(xiàn)實(shí)相關(guān)聯(lián)達(dá)到學(xué)習(xí)目的，這既鍛煉了自律能力又提高了學(xué)習(xí)動(dòng)力。

2.3認(rèn)知主義

認(rèn)識(shí)主義認(rèn)為知識(shí)的學(xué)習(xí)是外界的刺激和學(xué)習(xí)主體的心理相互作用形成的。也就是學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)興趣，利用以往的知識(shí)體系與經(jīng)驗(yàn)對(duì)當(dāng)前的學(xué)習(xí)主動(dòng)的信息處理的過程。學(xué)習(xí)者與虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)象進(jìn)行交互，人腦的某些認(rèn)知環(huán)節(jié)和過程就交給了虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)象，改進(jìn)了認(rèn)識(shí)方式。

2.4行為主義

主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：1）學(xué)習(xí)者的可觀察行為轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)虛擬對(duì)象的操作和控制，擺脫了現(xiàn)實(shí)對(duì)象的約束。2）通過與模擬現(xiàn)實(shí)的世界和場(chǎng)景交互和反饋，使得學(xué)習(xí)者更容易關(guān)聯(lián)現(xiàn)實(shí)世界與所學(xué)知識(shí)之間的聯(lián)系。3）采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立實(shí)物模型，設(shè)計(jì)操作的靈活性、自由度和及時(shí)合理的反饋和導(dǎo)航，學(xué)生可以反復(fù)操練。

3　虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過構(gòu)建逼真的虛擬教學(xué)環(huán)境，如果得到全面的應(yīng)用將改變現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)教育手段和模式，對(duì)醫(yī)學(xué)教育有更大的促進(jìn)作用。下面主要從虛擬人體結(jié)構(gòu)和虛擬醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面來闡述其作用。

3.1虛擬人體結(jié)構(gòu)

虛擬人體結(jié)構(gòu)也稱為數(shù)字化虛擬人體，通過綜合運(yùn)用冰凍切片技術(shù)和圖像處理技術(shù)來獲得人體的切面信息，然后通過虛擬仿真軟件將這些信息重構(gòu)形成三維立體的人體生理結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型。

由于國(guó)內(nèi)醫(yī)學(xué)院校用于實(shí)驗(yàn)的人體標(biāo)本資源匱乏，制約了人體解剖學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于人體結(jié)構(gòu)的教學(xué)，學(xué)生們通過對(duì)虛擬的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本進(jìn)行觀察和解剖，能夠反復(fù)練習(xí)，使知識(shí)掌握更牢固，同時(shí)也節(jié)約了資源，降低了教學(xué)的成本?？衫锰摂M人體結(jié)構(gòu)替代人體標(biāo)本進(jìn)行一些醫(yī)學(xué)教學(xué)。比如，學(xué)生可以通過觀察解剖虛擬人體結(jié)構(gòu)，來獲取各個(gè)器官和組織的名稱、位置、形狀、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部神經(jīng)和血管分布狀況、與相鄰器官和組織的位置關(guān)系及距離等眾多信息。在虛擬人體結(jié)構(gòu)解剖教學(xué)中，學(xué)生可以非常直觀、生動(dòng)地了解人體結(jié)構(gòu)，獲得比常規(guī)教學(xué)更加深刻的印象。目前，虛擬人體結(jié)構(gòu)也用于軍事醫(yī)學(xué)、新藥研制、臨床實(shí)踐等領(lǐng)域的教學(xué)和研究。

3.2虛擬醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)

醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生把理論聯(lián)系實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，是醫(yī)學(xué)教學(xué)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于實(shí)驗(yàn)中需要用到許多儀器設(shè)備，化學(xué)試劑及用于實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物活體，這需要較大的教學(xué)成本投入，同時(shí)也對(duì)環(huán)境有一定的影響，所以需要一種新的方式來解決這些問題。我們可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來解決，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過對(duì)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬，虛擬出所需用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)施、實(shí)驗(yàn)用品，利用交互式的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行仿真，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生可以系統(tǒng)地完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作和結(jié)果分析。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已用于建立物理、化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室、軍事醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室等。利用虛擬技術(shù)構(gòu)建虛擬生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中無法解決的難題，進(jìn)而提高教學(xué)水平奠定良好的基礎(chǔ)。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)能夠提高教學(xué)質(zhì)量，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)掌握，有利于提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，有利于綜合性醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展還不夠成熟，但我們已經(jīng)能夠預(yù)見到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要作用。

參考文獻(xiàn)

［1］湯躍明.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007，1.

［2］李建榮，孔素真.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2014，6.

［3］鄧衛(wèi)民.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在信息技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，10.