V-Learning下的教育虛擬現實系統開發分析

張麗 四川托普信息技術職業學院

V-Learning下的教育虛擬現實系統開發分析

張麗 四川托普信息技術職業學院

教育信息化是現代教育發展的必然趨勢。V-learning視角下，基于VR技術的教育虛擬現實系統運用廣泛。本文簡要分析了教育虛擬現實系統的概念、開發方式，并以消化內鏡手術模擬器這一虛擬現實教育系統的開發為實例進行了詳細的探討。

V-learning 教育 虛擬現實系統

近年來，在以學生為主體的教育觀念的指導下，越來越多的借助現代化信息技術進行課堂教學的手段被應用，其中以E-learning，M-learning的應用最為廣泛，并進而出現了慕課、微課等新形勢下的教學模式。現階段以VR技術為核心的V-learning教學系統的開發，為計算機輔助教育提供了更加廣闊的前景。

1 V-learning下的教育虛擬現實系統

所謂V-learning就是借助虛擬現實與可視化技術為學生創建可以真實體驗的與現實世界相似的環境，調動人的視覺、聽覺等感官，達到與虛擬環境交互的目標。它能夠有效改善教學效果，激發學生的學習興趣。國內外針對虛擬現實在教育方面的應用展開了多項研究。比較有代表性的虛擬現實系統是醫學院的內、外科手術教學中。以消化內鏡手術為例，醫學院學生通常通過教師理論指導、手術觀摩以及模擬操作來進行學習，學生的實體感官比較弱。因此可以借助VR技術形成消化內鏡手術模擬器，幫助學生模擬真實手術環境下的操作過程。

2 教育虛擬現實的開發方式

教育虛擬現實系統的開發和應用是信息化教育革命發展的必然方向，它以學生主動參與學習為前提進行創設且開發受構建目標及關鍵技術的約束。教育虛擬現實系統的開發主要運用三個關鍵技術，分別是動態環境建模、3D立體圖像生成以及立體現象和傳感技術，從而構成具有交互能力的虛擬現實系統。根據應用技術及硬件的性能，決定教育虛擬現實系統的體驗效果。一般開發流程如下：首先要求收集平臺開發的相應數據，進行整體規劃和布局，包括系統中應使用的圖片、規劃圖、解說詞等內容，以方便后期的成像、實景制作。為了方便操作和應用，系統開發應以分模塊建設為主。其次，運用3D建模軟件進行三維場景建設，根據場景需求利用2D圖形繪制軟件制作相應的貼圖素材，并按照位置進行貼圖調整，測試光照等效果，使場景具備實感。最后為虛擬交互階段，也就是對前期設計和素材進行編制的過程，導入動畫角色、攝像路徑等，并配合模型、按鈕進行鏈接，從而到達虛擬場景程序與器械實體的統一聯動。

3 教育虛擬現實系統的開發實例分析

醫學臨床教學是最常運用虛擬現實系統的教學科目，目前已經開發的包括眼科手術模擬器、消化內科手術模擬器等。以消化內科手術模擬器（虛擬現實操作系統）為例，進行開發分析。

3.1 教育虛擬現實系統的開發需求分析

教育虛擬現實系統的開發是以為學生提供實操體驗為前提的。因此在進行消化內科手術模擬器開發時，要求達到器械真實、操作手感與臨床手術感相同，可以在模擬器上進行超聲胃鏡、乙狀結腸鏡檢查及相關手術操作。且所有的三維立體形象必須以真實病人的解剖結構為基礎，包括病變、津液分布等模擬實際情況。同時要求所運用的模擬器械必須為真實的內窺鏡手術專用器械，產生真實的力反饋。另外，為學生提供足夠多的實操案例，且案例的難度應由簡入難，達到有層次許梿的效果。系統應具備輔助指導功能、智能評價功能以及管理功能，以便在規范學生操作和評價學生的學習效果。除此之外，系統應具備可拓展性，要求所有的模塊庫、病例庫可根據實際需求進行升級和拓展。

3.2 硬件設計

該系統的硬件部分主要以體驗實感消化內科手術的模擬器械：如液晶觸摸屏監視器、上下消化道鏡頭、導絲及手術器械等；適用于大教室教學的外接視接口及設備；獲得接觸實感的力學反饋器、腳踏板等；提供穩定電源的電源回路。

3.3 訓練模塊開發

根據消化內科手術學習目標，要求學生能夠熟練掌握乙狀結腸鏡檢查、消化內鏡朝圣檢查，上下消化道內窺鏡檢查以及急性緊急出血情況的操作。因此，在訓練模塊開發時，應分別針對上述學習目標設計相應的實操情境，從而達到學生手眼協調，并熟練使用器械進行鏡頭定位、上下左右調轉。操作過程中，學生根據學習目標選擇一臺手術進行模擬訓練。在系統中調取該并人的病例，要求學生在查看病例后，進行相應診斷，通過錄像功能，記錄學生的診斷過程。學生根據知識判斷選擇合適窺鏡，插入后根據顯示屏上的模擬影像選擇配套工具開展治療工作。要求學生對窺鏡操作中發現的病變部位進行拍照記錄，并根據記錄及操作結果形成課后反饋。系統設有互動圖和立體圖兩種成像方式，互動圖為學生提供實時的窺鏡位置顯示，從而方便學生快速的掌握窺鏡的定位和調動技巧。立體圖則能夠使學生從外圍查看整個消化道的結構，從而能夠在真實解剖結構的基礎上進行處置和診斷。另外，當學生操作不當時，虛擬病人會模擬真實情景發出叫聲或不適動作，系統同時向學生發出告警信號，并指出學生錯誤操作的問題，提出合理的解決辦法。系統保留學生的練習記錄，指導教師可以通過系統管理模塊調取學生的訓練影像、成績記錄等，以方便為學生提供針對性的指導訓練。

3.4 教育虛擬現實系統的優勢分析

與普通的實操教學相比，教育虛擬現實系統具有顯著優勢：一是教育虛擬現實系統具有極強的真實感和動態感。也就是說，它能夠將原本抽象和復雜的理論知識內容通過真實場景再現的方式進行呈現，使學生通過眼觀、耳聽、手觸的方式獲得真正的反饋，具有強烈的沉浸感。例如通過消化內鏡模擬器學生可以解釋的掌握窺鏡鏡頭與人體器官的合理間距，當出現誤操作時，也可獲得來自虛擬病人的實時反饋。并且基于真實情景模擬時，場景具有動態性，既虛擬病人的反饋、動態及病情會根據檢查、手術等的時間發生變化，產生諸如出血、穿孔等動態性變化病癥。

二是教育虛擬現實系統可以進行重復性的訓練，具有高容錯性。一般來講，醫學上的臨床練習是針對真實病人的，但是由于學生的操作生疏，且可能發生錯誤，會對病患造成劇烈的身體負擔，存在醫療風險。而虛擬現實系統提供虛擬病人，并可進行反復的容錯訓練，以提升學生的反應速度。

三是教育虛擬現實系統能夠有效節約教育成本，提升教育速率。從一般經濟成本上來講，基于V-learning的虛擬現實系統的開發需要耗費較大的資金，但是從人才養成角度來講，它能夠同時為多名學生提供實操訓練，節約了時間成本，且有效縮短學習曲線，通過一個虛擬現實系統可以完成多個科目的訓練，因此從價值比上來說，教育虛擬現實系統具有極強的經濟性。

基于VR技術的教育虛擬現實系統的開發和應用，帶來了教學領域的革命。以消化內鏡模擬器為例，它全程實現了可視化的真實場景模擬，為學生提供了一個安全的教學環境。它以學生的基礎知識水平為前提，學生全程參與到消化內科窺鏡操作、止血訓練、病變處理的場景中，是一種可容錯的臨床練習，免除了醫療風險。除此之外，虛擬現實教育系統已經成功運用在導游、工商管理等專業的實操訓練中，且取得了理想的效果。

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張麗，女（1981.9-），四川宜賓人，漢族，碩士研究生，講師，研究方向：圖形圖像，計算機應用。