虛擬實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用*

葛巖 楊雪

1 北華大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 吉林吉林 132013 2 吉林大學(xué)高等教育研究所 長(zhǎng)春 130012

1 引言

2 虛擬實(shí)驗(yàn)概述

筆者以2010年和2011年公布的名單為準(zhǔn)，對(duì)15個(gè)國(guó)家級(jí)醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的網(wǎng)站進(jìn)行調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)80%的網(wǎng)站設(shè)有教學(xué)課件和教學(xué)視頻，3%設(shè)有虛擬實(shí)驗(yàn)的演示。

世界醫(yī)學(xué)教育聯(lián)合會(huì)執(zhí)行委員會(huì)于2001年6月通過(guò)并發(fā)布的《本科醫(yī)學(xué)教育全球標(biāo)準(zhǔn)》指出：“醫(yī)學(xué)畢業(yè)生的質(zhì)量是衡量醫(yī)學(xué)院校教育質(zhì)量的最終標(biāo)準(zhǔn)，本科臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)教育的目標(biāo)是不僅包括思想道德與職業(yè)素質(zhì)目標(biāo)、知識(shí)目標(biāo)，還包括技能目標(biāo)。”醫(yī)學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的好壞對(duì)學(xué)好這門(mén)課程更是至關(guān)重要，因此，在醫(yī)學(xué)教育中加入虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)有很大的幫助。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新型的教學(xué)媒體，因其強(qiáng)大的沉浸性、交互性等，有益于鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，將成為醫(yī)學(xué)教育必要的補(bǔ)充。

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的性能和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，從而縮短實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間和設(shè)計(jì)周期，降低實(shí)驗(yàn)成本。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)類型

1）演示型。演示型虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生交互性操作的要求不高，以線性的演示過(guò)程為主，使學(xué)生能夠清晰地感知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)物體等。例如，在計(jì)算機(jī)上，利用3ds Max軟件來(lái)模擬真實(shí)的人體器官，利用Virtools三維交互軟件來(lái)展示人體新陳代謝的整個(gè)過(guò)程，較為真實(shí)地顯示出人體的正常生理狀態(tài)和出現(xiàn)的各種變化，將抽象的知識(shí)形象化，有利于學(xué)生理解和記憶。

2）虛擬操作型。該類型實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生自己來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有一定的交互性，但相對(duì)來(lái)講投入成本高一些。將真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境仿真成三維模型，使學(xué)生沉浸在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。以“人體解剖實(shí)驗(yàn)”為例，通過(guò)3ds Max建立的人體結(jié)構(gòu)模型，可以使學(xué)生通過(guò)人機(jī)交互對(duì)人體模型進(jìn)行瀏覽，在模型內(nèi)部“漫游”，讓學(xué)生非常直觀輕松地學(xué)習(xí)人體解剖結(jié)構(gòu)。

3）分布式。將網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將不同地域的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境互聯(lián)起來(lái)，支持各地學(xué)習(xí)者之間進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，共享相同的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。基于一種分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，系統(tǒng)運(yùn)行在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，學(xué)生之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，共享相同的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，適合于在線討論式學(xué)習(xí)，是未來(lái)發(fā)展的方向之一。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)除了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性和多感知性以外，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，還具有其他一些特點(diǎn)。

1）虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)成本比較低。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大部分實(shí)驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴，并具有一定的使用期限，然而虛擬實(shí)驗(yàn)只需一定的硬件和軟件設(shè)備，就能模擬真實(shí)儀器的實(shí)驗(yàn)效果，在一定程度上滿足教學(xué)的需要。

2）虛擬實(shí)驗(yàn)可被大范圍使用。虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)用環(huán)境的要求不高，只需提供網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)，每個(gè)學(xué)生都有實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會(huì)，克服時(shí)間和空間的限制。學(xué)習(xí)者可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)知識(shí)的學(xué)習(xí)，拓寬了學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間。

3）避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來(lái)的各種危險(xiǎn)。在微生物這門(mén)課中，模擬有害生物對(duì)人體攻擊的全過(guò)程，有利于學(xué)生對(duì)此問(wèn)題的理解與記憶，不必接觸危險(xiǎn)性較強(qiáng)的病原體，也不存任何安全隱患。

2.3 目前網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)所存在的問(wèn)題

1）網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)沒(méi)能和如何實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程相結(jié)合。已有網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的一般模式大致包括預(yù)習(xí)、操作、考核三個(gè)部分，如果按照它來(lái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，顯然背離了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)意向。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的宗旨在于縮短理論與實(shí)踐的差距，應(yīng)采取將實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合的方式來(lái)講授實(shí)驗(yàn)原理，再現(xiàn)知識(shí)賴以產(chǎn)生的客觀事實(shí)，引導(dǎo)并激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)。

2）以“技術(shù)為中心”的構(gòu)建方法所導(dǎo)致的問(wèn)題。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的推廣，軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)意中應(yīng)用“以技術(shù)為中心”的設(shè)計(jì)理念，以軟件功能為出發(fā)點(diǎn)，以技術(shù)功能與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為中心設(shè)計(jì)，側(cè)重從呈現(xiàn)方式、實(shí)現(xiàn)技術(shù)等角度進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，將教學(xué)內(nèi)容羅列到虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，而較少綜合考慮學(xué)習(xí)者特征、教學(xué)內(nèi)容等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)形中使“教育產(chǎn)品”變成“技術(shù)產(chǎn)品”。

通過(guò)對(duì)15個(gè)醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站的調(diào)查與分析，大部分網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)提供“看”的經(jīng)驗(yàn)，致使學(xué)生根本沒(méi)有興趣繼續(xù)學(xué)習(xí)，它并不是真正意義上的遠(yuǎn)程教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，與真實(shí)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的展開(kāi)相差甚遠(yuǎn)。因此，從教學(xué)設(shè)計(jì)的視角，參照真實(shí)教學(xué)活動(dòng)，研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)展開(kāi)前的教學(xué)設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一般過(guò)程顯得非常重要。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)，細(xì)致剖析實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)思路。了解實(shí)驗(yàn)的本身目的、原理、過(guò)程及特點(diǎn)等，更重要的是分析實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模_定虛擬實(shí)驗(yàn)中需要制作的模型及其精細(xì)程度、交互和反饋環(huán)節(jié)，從而確定進(jìn)行問(wèn)題情境設(shè)計(jì)所要解決的問(wèn)題和切入點(diǎn)。

3.2 學(xué)習(xí)者分析

學(xué)習(xí)者分析是教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，教學(xué)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動(dòng)中。主要目的是為學(xué)習(xí)內(nèi)容的組織、教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)等提供依據(jù)，從而使教學(xué)真正促進(jìn)學(xué)習(xí)者智力的發(fā)展。

3.3 界面設(shè)計(jì)

大部分網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)都以網(wǎng)頁(yè)的形式呈現(xiàn)。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的主題來(lái)確定具體的功能，從而進(jìn)行頁(yè)面布局的設(shè)定。當(dāng)教學(xué)信息的呈現(xiàn)布局不夠明朗時(shí)，很容易使信息加工系統(tǒng)的認(rèn)知負(fù)擔(dān)過(guò)重，學(xué)習(xí)者就勢(shì)必需要分散一部分精力用于思考這方面問(wèn)題，從而加重認(rèn)知負(fù)荷。一般情況下，目標(biāo)用戶都是確定的，但因安裝不同的瀏覽器會(huì)造成顯示樣式不統(tǒng)一的情況，故要提前考慮相關(guān)CSS樣式的影響。

3.4 技術(shù)選擇與開(kāi)發(fā)

遵循技術(shù)適當(dāng)性原則，綜合考慮具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及所需交互方式，來(lái)選擇最合適的技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)。涉及多種技術(shù)，包括頁(yè)面控制技術(shù)、3D建模及交互控制、數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)技術(shù)等。現(xiàn)今主流的建模工具主要有3ds Max、Maya、AutoCAD、CATIA等；3D交互技術(shù)有VRML、Cult3D、Flash、Virtools等，要視個(gè)人的熟練程度與問(wèn)題的復(fù)雜性而定。

3.5 測(cè)試與評(píng)價(jià)

開(kāi)發(fā)出來(lái)的虛擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，需要進(jìn)行一定的性能測(cè)試。在一定程度上，評(píng)估該系統(tǒng)是否存在內(nèi)存泄露及死鎖等情況，為系統(tǒng)性能優(yōu)化提供依據(jù)。性能測(cè)試腳本是描述單個(gè)瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送的HTTP請(qǐng)求序列，常用的工具有Apache-Bench、Load Runner、TestDirector與Rational Robot等。

[1]鄭穎麗.體驗(yàn)式虛擬實(shí)驗(yàn)[D].上海:華東師范大學(xué),2008(4).

[2]歐陽(yáng)玲莉,等.PBL與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育模式之比較[J].廣西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2003(20):28-29.

[3]王曉燕,宋效先.計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].張家口醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,20(5):82,F003.

[4]楊宏偉.虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005,24(9):38-39.

[5]馬蓓,夏金輝.計(jì)算機(jī)仿真與模擬技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)高等教育,2008(1):104-105.

[6]丁敏,等.基于我國(guó)實(shí)際對(duì)PBL與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合模式的探索和實(shí)踐[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)高等教育,2008(12):111-113.

[7]黃慕雄.高校教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的現(xiàn)狀與建議[J].網(wǎng)絡(luò)教育與遠(yuǎn)程教育,2005(9):77-80.