虛擬現實技術在醫學實驗教學中的應用

南陽醫學高等專科學校 張 琪

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虛擬現實技術在醫學實驗教學中的應用

南陽醫學高等專科學校 張 琪

【摘要】利用虛擬現實技術來構建逼近現實的學習環境，能夠使學生沉浸其中，同時學生通過與虛擬環境的交互來感知教學內容，從而掌握內容并與現實場景相聯系，進而提高創新能力。這樣的虛擬現實教學應用有一定的理論基礎，打破了傳統的教育理念、提高了教學質量、豐富了教學內容，有利于醫學教育的發展，而且當前已用于虛擬人體結構、虛擬醫學實驗等醫學教育領域。

【關鍵詞】虛擬現實技術；醫學教育；教育理論

虛擬現實技術能夠提供視覺、聽覺、觸覺等多種信息，參與者以自然的方式與虛擬環境進行交互作用，能夠身臨其境地參與到虛擬環境事件的發展變化過程，從而獲得最大的控制和操作整個事件的自由度。這種多維度的交互式信息環境，將為參與者以最直觀、最有效的方式掌握一門新知識和新技能提供前所未有的新途徑。虛擬現實技術涉及了人工智能、人機接口技術、傳感技術及計算機圖形學等技術，它的研究需要計算機學、人工智能學、心理學等方面相融合。虛擬現實系統的根本目標就是讓使用者達到真實的體驗效果并且在人機交互中符合人們的行為習慣。

1　虛擬現實的特征

常用三個“I”表示虛擬現實的特征，即 Immersion （沉浸）、Interaction （交互）和 Imagination（構想）。

1.1沉浸感（Immersion）

就是讓使用者與計算機展示出的虛擬世界相融合，使其暫時忘掉自己身處的現實環境，有一種身臨其境的感覺。VR頭盔里的可視場景可隨使用者的視角變化而變化，可實現360度場景包裹，聲音和燈光效果也逼近現實。

1.2交互性（Interaction）

就是實現人與虛擬設備中虛擬場景的互動，使用者通過頭盔和一些傳感設備等高級虛擬現實設備與虛擬場景中的事物互動，如在虛擬場景中行走，與虛擬人物對話等行為，使虛擬環境與現實極為相似。

1.3構想性（Imagination）

構想性是從概念的認知到最終知識完全掌握的一個循序漸進的過程。這是指人們從定量計算到定性分析來獲得對環境的感性和理性認知的方式。虛擬現實技術提供的情景式學習方式能夠使學習者產生高水平的思維，使學習時間縮短，學習效率提高。

2　虛擬現實技術應用于教學的理論基礎

虛擬現實技術應用于教育中離不開教育理論的指導，學習理論是教育理論的核心，如果把虛擬現實技術與教育科學地結合，那么教育方式與效率必將得到改善。下面就建構主義學習理論、自主學習理論、認知主義、行為主義四個方面談談與虛擬現實的結合。

2.1建構主義學習理論

建構主義的學習理論認為，知識是人們在一定的場合情境中借助他人的幫助與協作，通過意義的建構方式獲得的。這在虛擬現實的利用中通過建構可視化場景，將需要講解的事物形象而又直觀展現在學習者面前，使其更容易地了解事物的特征、性質及規律。同時通過與虛擬事物對象的交互能夠加強學習者學以致用的聯想，從而達到學習的意義建構。VR能夠很好地加強個人的體驗，消除參與者與計算機之間的界限，有助于學習。

2.2自主學習理論

自主學習一般指學習者自行確定學習目標、選擇學習方法、監控學習過程、評價學習結果的過程。自主學習主要是在一定的教師引導下，學習者通過自主地探索與知識獲得，通過學習過程中的反饋信息來形成對客觀事物的認知，并且形成解決實際問題的能力。在虛擬的學習環境中學習者通過自主控制學習環境和對象，掌握學習的廣度和深度，自由分配學習時間，最后將所學與現實相關聯達到學習目的，這既鍛煉了自律能力又提高了學習動力。

2.3認知主義

認識主義認為知識的學習是外界的刺激和學習主體的心理相互作用形成的。也就是學習者根據自己的學習態度、學習興趣，利用以往的知識體系與經驗對當前的學習主動的信息處理的過程。學習者與虛擬現實對象進行交互，人腦的某些認知環節和過程就交給了虛擬現實對象，改進了認識方式。

2.4行為主義

主要體現在以下三個方面：1）學習者的可觀察行為轉變為對虛擬對象的操作和控制，擺脫了現實對象的約束。2）通過與模擬現實的世界和場景交互和反饋，使得學習者更容易關聯現實世界與所學知識之間的聯系。3）采用虛擬現實技術建立實物模型，設計操作的靈活性、自由度和及時合理的反饋和導航，學生可以反復操練。

3　虛擬現實在醫學教學中的應用

虛擬現實技術通過構建逼真的虛擬教學環境，如果得到全面的應用將改變現在的醫學教育手段和模式，對醫學教育有更大的促進作用。下面主要從虛擬人體結構和虛擬醫學實驗兩個方面來闡述其作用。

3.1虛擬人體結構

虛擬人體結構也稱為數字化虛擬人體，通過綜合運用冰凍切片技術和圖像處理技術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形成三維立體的人體生理結構的數字模型。

由于國內醫學院校用于實驗的人體標本資源匱乏，制約了人體解剖學的教學質量。將虛擬現實技術應用于人體結構的教學，學生們通過對虛擬的實驗標本進行觀察和解剖，能夠反復練習，使知識掌握更牢固，同時也節約了資源，降低了教學的成本。可利用虛擬人體結構替代人體標本進行一些醫學教學。比如，學生可以通過觀察解剖虛擬人體結構，來獲取各個器官和組織的名稱、位置、形狀、結構、內部神經和血管分布狀況、與相鄰器官和組織的位置關系及距離等眾多信息。在虛擬人體結構解剖教學中，學生可以非常直觀、生動地了解人體結構，獲得比常規教學更加深刻的印象。目前，虛擬人體結構也用于軍事醫學、新藥研制、臨床實踐等領域的教學和研究。

3.2虛擬醫學實驗

醫學實驗使學生把理論聯系實踐，培養學生的動手能力，是醫學教學中的關鍵環節。由于實驗中需要用到許多儀器設備，化學試劑及用于實驗的動物活體，這需要較大的教學成本投入，同時也對環境有一定的影響，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實技術來解決，在實驗教學中，通過對醫學實驗室進行模擬，虛擬出所需用到的實驗設施、實驗用品，利用交互式的實驗過程進行仿真，得到實驗結果。學生可以系統地完成實驗的設計、操作和結果分析。目前，虛擬現實技術已用于建立物理、化學虛擬實驗室、軍事醫學虛擬實驗室等。利用虛擬技術構建虛擬生物化學實驗室，完善實驗教學模式，解決了傳統實驗教學過程中無法解決的難題，進而提高教學水平奠定良好的基礎。

綜上所述，虛擬現實技術應用于醫學教學能夠提高教學質量，有利于學生對知識的學習掌握，有利于提高學生主動學習，發現問題、分析問題、解決問題的能力，有利于提高學生的創新意識，有利于綜合性醫學人才的培養。雖然虛擬現實技術發展還不夠成熟，但我們已經能夠預見到虛擬現實技術未來在醫學領域的重要作用。

參考文獻

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