虛擬仿真技術在家畜解剖教學中的應用

李方正++++姜忠玲++++宋學雄++++高善頌

摘 要： 為了增強農業院校的家畜解剖學課程教學效果，提高學生學習興趣，將虛擬仿真技術應用到教學中是家畜解剖學教學改革的新嘗試。本文主要討論虛擬仿真技術的特點、優勢及家畜解剖學中應用的現狀和前景。

關鍵詞： 虛擬仿真 家畜解剖學 三維模型

1.引言

家畜解剖學是農業類高等學校動物醫學專業的專業基礎課，本課程主要講授正常家畜、家禽的形態、結構、器官的位置關系和發生發展規律。本課程的特點是名詞眾多、結構復雜，對于首次接觸動物醫學專業的學生來說學習起來比較困難，不知道應該怎樣學習。傳統課堂講授方式難以滿足現代化教學發展需要，虛擬仿真技術正逐漸應用到各專業教學課程中，對教育行業產生了巨大影響。

2.虛擬仿真技術的優勢及其在醫學教育中的應用

虛擬仿真技術是用計算機虛擬場景逼真地模擬現實世界事物的技術，涉及計算機圖形學、人工交互、人工智能和傳感技術等。具有真實性、交互性和沉浸性的特點，逐漸成為現代教育技術領域的熱點，應用于不同專業教學過程中。隨著計算機技術的發展，虛擬仿真技術在人類醫學上得到了廣泛應用。虛擬仿真技術打破了傳統實驗空間和經費的限制，在充分保證教學效果的基礎上，不僅節約了實驗成本，而且大大提高了學生的學習興趣。使學生通過虛擬場景的人機交互，由視覺、聽覺、觸覺等手段獲取場景的反應，通過學生自我組織，制訂并執行學習計劃，進行自我評價，開展適應式學習。很多高校、科研院開發了人體解剖虛擬仿真實訓平臺、虛擬動畫、三維網絡課程等應用于理論和實踐教學，充分發揮了現代教育技術的優勢，提高了教學水平。

1989年美國首先開展了“可視虛擬人”的計劃，并于1994年完成世界第一例男性“虛擬人”數據采集，1998年完成女性虛擬人數據采集，共采集到56GB的數據。隨后，韓國“可視韓國人”項目于2000年完成第一例韓國人標本的數據采集；2003年，鐘世鎮主持的“虛擬中國人”項目完成中國人體數據的采集工作。以這些虛擬人數據集為基礎，對人體器官進行了三維重建，精細逼真的三維結構為人體解剖學提供了大量素材?；谔摂M人體數據集產生了很多人體解剖三維虛擬仿真實驗平臺用于人體解剖學教學。在仿真平臺上可以對人體結構進行任意角度旋轉、縮放、標注等操作。便于教師教學及學生學習和課后復習。2010年10月在上海世博會期間，瑞典首次向公眾展示了代表先進醫學虛擬仿真技術的“虛擬解剖臺”。此虛擬解剖臺數據來源于人體的磁共振（MRI）和CT成像數據，利用計算機處理將這些數據從二維平面圖變成真實感極強的三維模型，將人體內部的精細結構完整地展示出來。這款虛擬解剖臺可用于人體解剖學教學，學生用手指通過觸摸屏進行人體器官操作，能完整地展示骨骼、血管、肌肉等的不同形態，還可以移除或添加內臟器官、血管、神經等結構，從而理解各器官的形態結構和相互位置關系。

3.虛擬仿真技術在家畜解剖學的應用現狀

家畜解剖學是一門實踐性很強的學科，家畜的器官標本、模型等教學材料在本課學習中有重要作用。但是近些年隨著招生規模擴大，一般理論授課時學生人數較多，不能發揮標本、模型的作用，學生只能在實驗課上觀察標本、模型。虛擬仿真技術在家畜解剖學中的報道較少，由于數字人的數據采集方法投資巨大，過程復雜，需要多領域專業人員合作完成，目前還沒有完整的大家畜（牛、馬等）虛擬解剖系統。很多科研機構利用數字人的數據采集方法對豬、兔、小鼠、大鼠等動物進行了數據采集和虛擬仿真工作。Maierl等在1999年報道了第一例“可視化狗”，但其數據不完整，沒有四肢部分的結構，而且圖像不精細。2005年9月，重慶理工大學、第三軍醫大學和重慶市畜牧科學研究院共同完成了世界第一例“數字可視化豬”數據集的采集工作，圖像質量比較高，能夠清晰顯示內部結構[1]。2014年，連國云[2]采集完成了“數字化新西蘭兔”的數據集。但是對于家畜解剖學重點講授的牛、馬等大家畜，還沒有虛擬解剖數據集的報道。主要原因是牛、馬的體型比較龐大，采用數字人運用的冷凍銑削設備無法完成銑削，牛、馬等動物只能采用其他方法建立三維模型，雖然這些模型不如冰銑削得到的數據精確，但是仍然能夠在家畜解剖學教學中發揮巨大作用。蘇楊生[3]等報道了通過3D Max軟件建立了牛的椎骨模型，并建立了交互程序，學生可隨時隨地進入程序觀察解剖標本。張蕾[4]等采用Photoscan軟件對動物頭骨進行了三維重建。付大鵬等[5]采用三維激光掃描儀獲得了動物股骨的三維點云數據，進行三維重建，得到了股骨的三維模型。以上研究成果為虛擬仿真技術在家畜解剖學中的應用提供了思路和教學資源。

4.虛擬仿真技術在家畜解剖學的應用前景

虛擬仿真技術在家畜解剖學及相關專業有著非常廣闊的應用前景。三維模型能夠形象清晰地展示動物的解剖結構和器官的相互位置關系。虛擬仿真技術的應用能夠將理論授課中教師采用圖片、照片等素材難以描述清楚的概念、結構給學生以感性認識，能夠加深學生的理解程度，幫助學生學習和記憶。虛擬仿真技術的應用能夠將抽象的結構變具體，使枯燥的概念形象生動，提高學生的學習興趣和主動性，突破傳統解剖學實驗空間和時間的限制，學生可以通過網絡自由地學習，方便自學。綜上所述，虛擬仿真技術能夠將家畜解剖學的抽象教學內容形象地展示出來，提高學生的學習積極性，使學生由被動接受轉變為主動學習，極大增強家畜解剖學教學效果。

參考文獻：

[1]張建勛，徐凱，邱宗國.世界首個三維可視化的數字豬.重慶理工大學學報（自然科學版），2011，（03）：69-73.

[2]連國云.數字化新西蘭家兔的三維結構重建研究.計算機光盤軟件與應用，2014，（12）：24-26.

[3]蘇楊生，宋斯偉，李穎，等.牛骨骼模型三維數字化重建.黑龍江畜牧獸醫，2015，（09）：249-250.

[4]張蕾.動物骨骼三維重建的探索.四川文物，2014，（06）：81-83.

[5]付大鵬，樊海燕.基于反求工程的動物腿骨三維實體重建與分析.制造業自動化，2012，（18）：49-51.

基金項目：青島農業大學應用型人才培養特色名校建設工程教學研究項目（XJG2013056）。