虛擬現實技術在動物組織胚胎學實驗教學中的探索與實踐

張虹亮 ， 王水蓮 ， 段德勇 ， 屠 迪 ， 劉進輝

(湖南農業大學動物醫學院 ， 湖南 長沙 410128)

動物組織胚胎學是畜牧獸醫專業必修課程，屬于專業基礎課。該課程是一門形態學課程，教學主要包括理論課和實驗課2部分。其中，實驗課主要是通過驗證理論課所學知識，使學生進一步鞏固和加強理論課所學內容，加深他們對理論知識的理解和記憶，同時培養學生理論聯系實際、抽象聯系具體及動手觀察能力。動物組織胚胎學實驗課的傳統教學模式是學生們結合理論課所學的組織和器官微觀結構特點，通過顯微鏡觀察教學切片中的細胞、組織和器官微觀形態，并在當堂課上繪制組織切片圖，最終通過實驗操作考試評價學生的學習情況。因此，學生能否正確理解和掌握動物組織形態結構，是本實驗課教學效果評價的核心部分。通過一線教學我們發現，通常實驗課前很多學生對于理論課所學的知識點都會有不同程度的遺忘，這在一定程度上影響了實驗課的教學效果，降低了學生對實驗課的積極性和熱情，如何讓學生在實驗課開始前復習回想起理論課所學的內容，對于一些重點的組織結構能先有一個整體的認識，是動物組織胚胎學實驗教學中需要重點解決的問題。

近年來隨著科學技術的發展，虛擬現實(Virtual reality，VR)技術正作為一項新技術被應用于教育教學工作中，并逐漸受到大家的關注和認可[1-2]。與此同時，它也為包括動物組織胚胎學在內的形態學課程提供了新的教學手段。將VR技術引入動物組織胚胎學實驗課可彌補傳統實驗課教學中的不足，使學生在實驗課開始前就能對本堂課所要觀察的組織微觀結構有整體的認識，提高學生的學習效率，激發學生的學習興趣。本課題組通過設計新的教學模式，嘗試將VR技術引入到動物組織胚胎學實驗教學過程中，隨后觀察學生課堂學習、繪圖作業及實驗課課程考試情況，并結合學生的問卷調查反饋結果，確定VR技術在動物組織胚胎學實驗教學中的應用是可行且有效的。

1 虛擬現實技術的概述

虛擬現實(VR)是近幾年被廣泛應用于各個領域的一種高新技術，又被稱為人工現實、人工環境或靈境技術[3]。VR技術產生于20世紀60年代，但直到20世紀90年代，這項技術才真正興起[4]。其主要是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬環境，并借助輸入設備進入虛擬環境進行自主交互操作，使體驗者產生仿佛在真實場景中的感覺，并能夠及時、無限制地觀察三維空間內的虛擬現實幻景與事物[5]。它主要通過2種形式開展，一種是通過佩戴特殊頭盔、眼鏡和傳感手套等外部設備，以頭的轉動、身體的移動等與計算機生成的虛擬世界中的對象進行交互操作，產生如同在真實環境中的感受和體驗；另一種則是通過計算機桌面，利用鼠標和鍵盤等輸入設備進入虛擬空間，進行實時交互操作[6]。VR技術主要具有沉浸感、交互性和想象性3個特點，使用者在虛擬環境中可同時獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，可增強學習者對學習內容的感知程度、認知程度、提高感性和理性認識[7-8]。

虛擬現實技術的應用領域非常廣泛，如模擬飛機、船舶、車輛駕駛訓練；虛擬戰場環境，虛擬現實作戰指揮；虛擬現實建筑物的展示與參觀；虛擬現實影視藝術等方面[9]。如今VR技術也已經開始進入教學領域[1-2]。通過VR技術的應用可把教學中的抽象概念、原理、真實的實驗過程等形象生動地展現出來，幫助學生獲得知識，理解概念和原理，提高學生掌握知識和技能的效率，優化教學過程。美國是VR技術最先進也是最早將VR技術與教學相結合的國家[10]，例如卡耐基·梅隆大學、密歇根州立大學、麻省理工學院等高校都開發了虛擬實驗室及教學平臺，以多樣化的教學技術豐富課堂學習，提高學生的學習參與度[11]。雖然VR技術在我國開展的時間比較晚，但其在教育方面的發展卻越來越受到關注，例如清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發動機檢測系統；大連理工大學研發了一套化學虛擬實驗系統；北京航天航空大學和哈爾濱工業大學利用VR技術分別在分布式飛行模擬和人機交互技術方面進行深入研究，并獲得一定成果[1,12]。此外，一些高校也開設了以虛擬現實技術作為輔助教學工具的計算機、建筑學等有關課程[7]。本單位湖南農業大學動物醫學院也已將VR技術引入外科手術實驗教學中，從觀察學生學習和課后實踐情況可以確定，VR技術在獸醫臨床實驗教學中的應用是有效的。但目前為止還沒有將VR技術應用到動物組織胚胎學教學的實例，筆者所在的動物組織胚胎學教研室通過設計，將VR技術引入到動物組織胚胎學實驗課教學課堂中，并取得了良好的教學效果。

2 VR技術在動物組織胚胎學實驗教學中的應用設計

2.1 數字切片的制作 組織切片的數字化主要通過3D HISTECH(Pannoramic 250/MIDI，匈牙利)掃描儀掃描教學組織切片，通過Caseviewer 2.0軟件進行圖像預覽及保存。Caseviewer 2.0瀏覽軟件可真正脫離顯微鏡視野的閱片途徑，實現全景掃描觀察，具有1～40倍無損放大，不漏視野，清晰度高，方便注釋標記和導出圖片的優點。本課題組將實驗課中所涉及的組織切片通過上述方法將其轉變成數字化切片，做好詳細標注后導出備用(中插彩版圖1)。

2.2 VR設備的設計與使用 將掃描好的組織全景圖片應用智能手機“VR Gallery”應用軟件導入，按如下步驟將手機與VR眼鏡結合并觀察。具體操作方法如下：(1)打開手機VR應用軟件“VR Gallery”，并導入全景掃描組織切片圖(中插彩版圖2)。(2)手機安裝入VR眼鏡中：手持VR眼鏡按壓防滑點，向外打開手機夾，保持手機屏幕中線對準VR眼鏡對中標識，將手機向下放入固定支撐板或活動支撐板。通過細微調整手機位置，使手機屏幕水平居中后，合上手機夾持件(圖3)。(3)VR眼鏡的佩戴與調節：將VR眼鏡帶到頭上后，學生可根據自身視力的不同，旋轉物距調節旋鈕(圖3)，使圖像清晰度達到最大；根據自身瞳距的不同，微調瞳距調節按鈕至左右視野圖像自然重合，以獲得最佳的視覺效果。隨后，學生們就可以通過頭部的轉動觀察不同視野下的組織結構。

圖3 VR眼鏡的構造A:頭帶拆卸按鈕； B:物距調節按鈕； C:對中標識； D:活動支撐板； E:手機夾持件； F:防滑點

2.3 VR技術在動物組織胚胎學實驗教學中的應用 本課題組隨機選取湖南農業大學動物醫學專業2017級2個自然班進行動物組織胚胎學實驗課教學，其中1個班級作為試驗班應用VR技術結合傳統教學模式，另1個班級作為對照班只應用傳統教學模式。試驗班的具體教學模式為首先由教師通過傳統多媒體PPT介紹本次實驗課的教學目的、儀器設備及教學內容等，隨后預留10 min時間組織學生應用VR眼鏡和智能手機觀察本次實驗課的全景組織切片圖，剩余時間學生操作顯微鏡觀察實物教學組織切片和完成生物繪圖作業，期間允許學生們在觀察顯微鏡的過程中繼續利用VR眼鏡觀察全景組織切片圖。對照組班級則按照傳統教學模式開展教學，不設置VR眼鏡觀察組織切片圖環節。

3 VR技術應用于動物組織胚胎學實驗教學效果評價

待學期課程結束后，通過學生動物組織胚胎學實驗課期末總評成績(30%平時作業成績+70%實驗考試成績)和問卷調查2個方面評價VR技術在動物組織胚胎學實驗教學中的效果，結果采用SPSS 17.0軟件進行數據分析，數據以“平均值±標準差”表示，采用t檢驗比較兩組間差異，以P<0.05為差異有統計學意義。結果表明，試驗組班級學生期末總評平均成績為(76.72±2.12)分，而對照組班級期末總評平均成績為(67.70±1.39)分，試驗組成績與對照組成績相比顯著提高(P<0.05)。調查問卷結果顯示，有84.62%的學生認為這種新教學模式進課堂可以讓上課更有趣，并對他們學習動物組織胚胎學課程有幫助；有88.50%的學生認為VR技術應用到動物組織胚胎學實驗課中能夠輔助顯微鏡觀察組織切片，使他們能夠更好的學習和理解組織微觀結構。

4 討論

通過此教學試驗的開展，提示VR技術應用到動物組織胚胎學實驗課的教學中可以顯著彌補傳統實驗課教學模式的不足，增加學生的學習興趣與熱情，能夠有效的提高學生的學習成績。但是，這種教學模式目前還存在一些缺陷：(1)本試驗所使用的VR眼鏡設備還比較低端，學生通過這個設備所看到的圖像還不是高清圖像，并且有些學生在觀看過程中會出現眩暈情況，影響觀感；(2)數字切片的多樣性還不足；(3)學生可能會形成依賴性，使他們在顯微鏡下獨立閱片的能力下降等。這些問題可以通過進一步開發、升級軟件和設備，采購和制備更多的數字切片，合理分配實驗教學中顯微鏡的使用時間及次數等來解決。相信隨著科技的不斷進步和教學改革的不斷深化，VR技術在動物組織胚胎學實驗課中的應用一定能夠得到大范圍的推廣并達到理想的效果。