虚拟医学教学系统的实践应用研究

张兰华,张金池,张兆臣,李惠萍

（泰山医学院信息工程学院,山东 泰安 271016）

虚拟医学教学系统的实践应用研究

张兰华,张金池,张兆臣,李惠萍

（泰山医学院信息工程学院,山东 泰安 271016）

为了合理的利用现有医学教学资源、解决医学实验教学资源紧张的问题,利用虚拟现实及模拟技术,在传统教学及平台的基础上,结合已有教学资源与软件平台开展虚拟教学系统的实践应用研究。利用虚拟医学系统不仅形象生动的体现了复杂的教学过程,对于医学教学中不能开展的实验或有限的教学资源提供一种新的教学及实验方式。实践证实在医学教学过程中开展虚拟医学教学与实验是可行的。

虚拟现实；模拟技术；教学系统

10.3969/j.issn.100221701.2012.10.042

随着高校的扩招,高等医学院校学生人数大幅度增加,随之而来的就是医学教学资源的紧张。在医学教学中,实验教学同理论教学一样,成为医学教学活动中不可缺少的教学方式,而且是学生提高实践能力有力的保障。如何解决医学资源紧张问题是医学院校急需解决的问题之一。

医学教学系统是辅助医学院校进行教学活动常用的方式之一,医学教学系统可以生动形象的对医学教学活动进行描述和表达。虚拟现实技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种技术制造逼真的人工模拟环境,并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知系统行为的高级的人机交互技术,虚拟环境通常是由计算机生成并控制的,使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体,通过虚拟现实的三维设备与物体接触,从而真正地实现人机交互[1]。因此在医学教学系统中运用虚拟现实技术对紧张的医学资源进行模拟为医学院校解决资源紧张问题提供了一条可行之路。

一、实践应用研究现状

在国外的医学研究及教学领域,已经利用多种模拟手段开展了大量的研究与应用,取得了大量的研究成果,得到了良好的教学效果。

从1990年开始,模拟教学在美国、英国、德国等发达国家的医学教学中得到逐步推行。20世纪90年代初,我国浙江医科大学、华西医科大学和九江医学专科学校受美国中华医学基金会资助,实施了临床技能教学改革并取得了积极的成果。目前,全世界已经建立有数百个医学模拟训练中心,并建立了地区性和世界性模拟医学教学专业协会。模拟教学正越来越多地应用于医学各个学科的临床教学、人员培训、技能评估和科学研究中[2]。

对于模拟研究,国外利用虚拟现实技术建立虚拟的人体模型,借助于跟踪球、HMD、感觉手套,可以很容易了解人体内部各器官结构[3]。另外,在远距离遥控外科手术,复杂手术的计划安排、为手术过程提供操作和信息上的辅助、预测手术结果及改善残疾人生活状况,乃至新型药物的研制等方面,都使用模拟技术开展研究。

同时,借助计算机图形学与虚拟现实进行虚拟生物解决方案,特别是医学教学过程中较为复杂的手术过程等,使用计算机技术来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程,在时间段上包括了术前、术中、术后,同时对于手术计划制定,手术排练演习,手术教学,手术技能训练,术中引导手术、术后康复等都有多项研究成果[4]。

结合计算机人工智能的研究,国内外的研究机构以智能仿真技术为核心开展病人模拟系统,解决医学生临床教学所面临问题。

二、虚拟医学系统实践研究

作为辅助实验教学的主体,虚拟医学系统的开发直接影响最终的实践效果,因此利用已有教学资源与软件平台相结合来开发虚拟教学系统,通过对已有的医学教学资源进行分析设计,结合相关的软件平台,在传统教学及平台的基础上,利用模拟技术开发虚拟教学平台,使之更加形象生动的体现复杂的教学过程。然后利用模拟技术通过软件平台模拟不能开设的或资源紧张的实验。对于医学教学中不能开展的实验或有限的教学资源,通过软件平台模拟实验过程或教学过程,最终使学生掌握此相关知识。

借助虚拟医学系统,首先在理论教学过程中将复杂的医学过程进行形象表示,在实验教学之前,先通过虚拟医学系统对学生进行培训。由于医学过程的复杂性,众多实验及理论必须通过亲身实践才能掌握,因此,对于过程复杂、要求较高、需要反复锻炼的教学过程通过虚拟现实的技术表达在医学系统中。

虚拟医学系统与其他教学方法和系统相比有其独有的特性。计算机辅助的模拟技术可将医学教学中复杂的实验及操作数字化,通过直观的表达学生易于学习和掌握,在传统教学方法和模式的基础上,提供多样性的主动学习的环境,具有较强的人机对话功能,容易建立起双向交互式人机界面,使学生从被动学习到主动积极灵活的学习,提高教学水平和教学质量。

除此之外,模拟系统还可以解决医用资源不足的问题,可以利用虚拟手术器等模拟,并可利用操纵杆,选择任一结构的模型将其从数字化虚拟中独立出来,进行更精细的观察,这样的过程可以进行反复练习,分组进行,方便师生,不仅节约资源,还解决现实资源不能重复利用的问题。

利用模拟技术在医学教学中进行开发与应用有多种形式[5],比如虚拟实验室可用于课堂教学和学生自学,可以提高教学效果、增强学生的学习兴趣、培养学生创造力和想像力等。

医学模拟教学可以应用于普通的理论及实验教学活动,比如解剖学、生理学、药理学、物理诊断学、护理学等,也可以应用在临床教学中,如妇产科、儿科、急诊科、麻醉科、外科、内科及内窥镜等的学习。

通过虚拟医学教学系统的应用,不仅为教师、学生提供一种新的学习方式,也为学校及临床提供积极的辅助手段,利用模拟技术构建医学虚拟教学系统可以改善传统教学方式和教学手段的不足,提高教学的效果和效率。同时可以提高学生的动手能力,节约实验资源。

三、应用推广前景

虚拟医学教学系统的试点及应用为学校、教师及学生提供一条崭新的教与学的方式。

医学教学系统可以结合新的技术开展新型的理论与实验教学,提高学生的实践动手能力。同样,虚拟现实也可以应用于临床及实践操作中,为实习医生或学生提供新的实验资源。

同时,其他专业或课程也可以借鉴虚拟医学教学系统作为理论教学或者实验教学的辅助手段。

四、结束语

不管在医学研究还是教学领域,模拟技术作为一种新的手段和其他计算机技术相结合,成为推动医学教学改革和发展以及解决医学研究的新的热点方向。

模拟技术在医学教学中的应用为中国医学教育改革与发展提供了一条新的途径,利用模拟技术不仅可以在满足资源的要求,还可以生动形象的表达教学过程,并且在一定程度上综合了一整套新的教学方法,使学生得到一个完整医学学习过程的训练及模拟。

当然,虚拟医学教学系统在实验教学中还存在一定的不足：没有真实环境的实物感,不能完全反映现实医学过程,也不能完全表达真实环境中的意外情况等。下一阶段我们将针对实践应用中出现的问题和发现的不足,继续展开研究,努力提高医学虚拟系统的应用效果。

[1]刘 怡,曾照芳,李 骄.虚拟现实技术中的肝脏构建及其相关研究[J].中国生物医学工程学报,2007,26（2）：7462750.

[2]徐 晤,王志荣,黄一虹,等.虚拟与现实结合的心电图软件的构建[J].中国医学教育技术,2007,21（1）：33235.

[3]李 桥,潘 燕,孙文红,等.虚拟仪器在医学信号检测分析实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2005,22（1）：28230.

[4]邱 峰,张际平,高 岩.虚拟手术实验在医学教学领域中的应用[J].现代教育技术,2009,19（7）：1272129.

[5]杨晔琴,高歌心,蔡福满,等.虚拟教学平台在护理实践教学中的应用[J].中国高等医学教育,2011（5）：64265.

Practice and application research on virtualmedical teaching system

ZHANGLan2hua,ZHANGJin2chi,ZHANG Zhao2chen,et al
（College of Information and Engineering,Taishan Medical College,Taian 271016 Shandong,China）

In order tomake full useof themedical teaching resource and satisfy the requirementofmedical experiments,based on the custom teaching platform,the authors have developed the practice and application research on virtualmedical teaching system taking advantageof the virtual reality and simulation technology and combining the original teaching resourceson software platform.It reflects the complex teaching process directly and visually,also provides a new method in the teaching and experimentswhich are difficult to develop in the limitedmedical resources.The practice has verified that it is feasible to develop the virtualmedical teaching and experiment inmedical teaching.

virtual reality；simulation；teaching system

G642.0

A

100221701（2012）1020080202

2011208

张兰华,男,博士,讲师,研究方向：医学信息学及复杂网络建模与算法。

中华医学会医学教育分会医学教育研究课题（20101403）；山东省高等学校科技计划项目（J10LC59）。

●教学管理