虚拟现实技术在医学实验教学中的应用

南阳医学高等专科学校 张 琪



虚拟现实技术在医学实验教学中的应用

南阳医学高等专科学校 张 琪

【摘要】利用虚拟现实技术来构建逼近现实的学习环境，能够使学生沉浸其中，同时学生通过与虚拟环境的交互来感知教学内容，从而掌握内容并与现实场景相联系，进而提高创新能力。这样的虚拟现实教学应用有一定的理论基础，打破了传统的教育理念、提高了教学质量、丰富了教学内容，有利于医学教育的发展，而且当前已用于虚拟人体结构、虚拟医学实验等医学教育领域。

【关键词】虚拟现实技术；医学教育；教育理论

虚拟现实技术能够提供视觉、听觉、触觉等多种信息，参与者以自然的方式与虚拟环境进行交互作用，能够身临其境地参与到虚拟环境事件的发展变化过程，从而获得最大的控制和操作整个事件的自由度。这种多维度的交互式信息环境，将为参与者以最直观、最有效的方式掌握一门新知识和新技能提供前所未有的新途径。虚拟现实技术涉及了人工智能、人机接口技术、传感技术及计算机图形学等技术，它的研究需要计算机学、人工智能学、心理学等方面相融合。虚拟现实系统的根本目标就是让使用者达到真实的体验效果并且在人机交互中符合人们的行为习惯。

1　虚拟现实的特征

常用三个“I”表示虚拟现实的特征，即 Immersion （沉浸）、Interaction （交互）和 Imagination（构想）。

1.1沉浸感（Immersion）

就是让使用者与计算机展示出的虚拟世界相融合，使其暂时忘掉自己身处的现实环境，有一种身临其境的感觉。VR头盔里的可视场景可随使用者的视角变化而变化，可实现360度场景包裹，声音和灯光效果也逼近现实。

1.2交互性（Interaction）

就是实现人与虚拟设备中虚拟场景的互动，使用者通过头盔和一些传感设备等高级虚拟现实设备与虚拟场景中的事物互动，如在虚拟场景中行走，与虚拟人物对话等行为，使虚拟环境与现实极为相似。

1.3构想性（Imagination）

构想性是从概念的认知到最终知识完全掌握的一个循序渐进的过程。这是指人们从定量计算到定性分析来获得对环境的感性和理性认知的方式。虚拟现实技术提供的情景式学习方式能够使学习者产生高水平的思维，使学习时间缩短，学习效率提高。

2　虚拟现实技术应用于教学的理论基础

虚拟现实技术应用于教育中离不开教育理论的指导，学习理论是教育理论的核心，如果把虚拟现实技术与教育科学地结合，那么教育方式与效率必将得到改善。下面就建构主义学习理论、自主学习理论、认知主义、行为主义四个方面谈谈与虚拟现实的结合。

2.1建构主义学习理论

建构主义的学习理论认为，知识是人们在一定的场合情境中借助他人的帮助与协作，通过意义的建构方式获得的。这在虚拟现实的利用中通过建构可视化场景，将需要讲解的事物形象而又直观展现在学习者面前，使其更容易地了解事物的特征、性质及规律。同时通过与虚拟事物对象的交互能够加强学习者学以致用的联想，从而达到学习的意义建构。VR能够很好地加强个人的体验，消除参与者与计算机之间的界限，有助于学习。

2.2自主学习理论

自主学习一般指学习者自行确定学习目标、选择学习方法、监控学习过程、评价学习结果的过程。自主学习主要是在一定的教师引导下，学习者通过自主地探索与知识获得，通过学习过程中的反馈信息来形成对客观事物的认知，并且形成解决实际问题的能力。在虚拟的学习环境中学习者通过自主控制学习环境和对象，掌握学习的广度和深度，自由分配学习时间，最后将所学与现实相关联达到学习目的，这既锻炼了自律能力又提高了学习动力。

2.3认知主义

认识主义认为知识的学习是外界的刺激和学习主体的心理相互作用形成的。也就是学习者根据自己的学习态度、学习兴趣，利用以往的知识体系与经验对当前的学习主动的信息处理的过程。学习者与虚拟现实对象进行交互，人脑的某些认知环节和过程就交给了虚拟现实对象，改进了认识方式。

2.4行为主义

主要体现在以下三个方面：1）学习者的可观察行为转变为对虚拟对象的操作和控制，摆脱了现实对象的约束。2）通过与模拟现实的世界和场景交互和反馈，使得学习者更容易关联现实世界与所学知识之间的联系。3）采用虚拟现实技术建立实物模型，设计操作的灵活性、自由度和及时合理的反馈和导航，学生可以反复操练。

3　虚拟现实在医学教学中的应用

虚拟现实技术通过构建逼真的虚拟教学环境，如果得到全面的应用将改变现在的医学教育手段和模式，对医学教育有更大的促进作用。下面主要从虚拟人体结构和虚拟医学实验两个方面来阐述其作用。

3.1虚拟人体结构

虚拟人体结构也称为数字化虚拟人体，通过综合运用冰冻切片技术和图像处理技术来获得人体的切面信息，然后通过虚拟仿真软件将这些信息重构形成三维立体的人体生理结构的数字模型。

由于国内医学院校用于实验的人体标本资源匮乏，制约了人体解剖学的教学质量。将虚拟现实技术应用于人体结构的教学，学生们通过对虚拟的实验标本进行观察和解剖，能够反复练习，使知识掌握更牢固，同时也节约了资源，降低了教学的成本。可利用虚拟人体结构替代人体标本进行一些医学教学。比如，学生可以通过观察解剖虚拟人体结构，来获取各个器官和组织的名称、位置、形状、结构、内部神经和血管分布状况、与相邻器官和组织的位置关系及距离等众多信息。在虚拟人体结构解剖教学中，学生可以非常直观、生动地了解人体结构，获得比常规教学更加深刻的印象。目前，虚拟人体结构也用于军事医学、新药研制、临床实践等领域的教学和研究。

3.2虚拟医学实验

医学实验使学生把理论联系实践，培养学生的动手能力，是医学教学中的关键环节。由于实验中需要用到许多仪器设备，化学试剂及用于实验的动物活体，这需要较大的教学成本投入，同时也对环境有一定的影响，所以需要一种新的方式来解决这些问题。我们可以利用虚拟现实技术来解决，在实验教学中，通过对医学实验室进行模拟，虚拟出所需用到的实验设施、实验用品，利用交互式的实验过程进行仿真，得到实验结果。学生可以系统地完成实验的设计、操作和结果分析。目前，虚拟现实技术已用于建立物理、化学虚拟实验室、军事医学虚拟实验室等。利用虚拟技术构建虚拟生物化学实验室，完善实验教学模式，解决了传统实验教学过程中无法解决的难题，进而提高教学水平奠定良好的基础。

综上所述，虚拟现实技术应用于医学教学能够提高教学质量，有利于学生对知识的学习掌握，有利于提高学生主动学习，发现问题、分析问题、解决问题的能力，有利于提高学生的创新意识，有利于综合性医学人才的培养。虽然虚拟现实技术发展还不够成熟，但我们已经能够预见到虚拟现实技术未来在医学领域的重要作用。

参考文献

［1］汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用［M］.北京：科学出版社，2007，1.

［2］李建荣，孔素真.虚拟现实技术在教育中的应用研究［J］.实验室科学，2014，6.

［3］邓卫民.虚拟现实技术在信息技术课程教学中的应用研究［J］.四川工程职业技术学院学报，2015，10.