V-Learning下的教育虚拟现实系统开发分析

张丽 四川托普信息技术职业学院

V-Learning下的教育虚拟现实系统开发分析

张丽 四川托普信息技术职业学院

教育信息化是现代教育发展的必然趋势。V-learning视角下，基于VR技术的教育虚拟现实系统运用广泛。本文简要分析了教育虚拟现实系统的概念、开发方式，并以消化内镜手术模拟器这一虚拟现实教育系统的开发为实例进行了详细的探讨。

V-learning 教育 虚拟现实系统

近年来，在以学生为主体的教育观念的指导下，越来越多的借助现代化信息技术进行课堂教学的手段被应用，其中以E-learning，M-learning的应用最为广泛，并进而出现了慕课、微课等新形势下的教学模式。现阶段以VR技术为核心的V-learning教学系统的开发，为计算机辅助教育提供了更加广阔的前景。

1 V-learning下的教育虚拟现实系统

所谓V-learning就是借助虚拟现实与可视化技术为学生创建可以真实体验的与现实世界相似的环境，调动人的视觉、听觉等感官，达到与虚拟环境交互的目标。它能够有效改善教学效果，激发学生的学习兴趣。国内外针对虚拟现实在教育方面的应用展开了多项研究。比较有代表性的虚拟现实系统是医学院的内、外科手术教学中。以消化内镜手术为例，医学院学生通常通过教师理论指导、手术观摩以及模拟操作来进行学习，学生的实体感官比较弱。因此可以借助VR技术形成消化内镜手术模拟器，帮助学生模拟真实手术环境下的操作过程。

2 教育虚拟现实的开发方式

教育虚拟现实系统的开发和应用是信息化教育革命发展的必然方向，它以学生主动参与学习为前提进行创设且开发受构建目标及关键技术的约束。教育虚拟现实系统的开发主要运用三个关键技术，分别是动态环境建模、3D立体图像生成以及立体现象和传感技术，从而构成具有交互能力的虚拟现实系统。根据应用技术及硬件的性能，决定教育虚拟现实系统的体验效果。一般开发流程如下：首先要求收集平台开发的相应数据，进行整体规划和布局，包括系统中应使用的图片、规划图、解说词等内容，以方便后期的成像、实景制作。为了方便操作和应用，系统开发应以分模块建设为主。其次，运用3D建模软件进行三维场景建设，根据场景需求利用2D图形绘制软件制作相应的贴图素材，并按照位置进行贴图调整，测试光照等效果，使场景具备实感。最后为虚拟交互阶段，也就是对前期设计和素材进行编制的过程，导入动画角色、摄像路径等，并配合模型、按钮进行链接，从而到达虚拟场景程序与器械实体的统一联动。

3 教育虚拟现实系统的开发实例分析

医学临床教学是最常运用虚拟现实系统的教学科目，目前已经开发的包括眼科手术模拟器、消化内科手术模拟器等。以消化内科手术模拟器（虚拟现实操作系统）为例，进行开发分析。

3.1 教育虚拟现实系统的开发需求分析

教育虚拟现实系统的开发是以为学生提供实操体验为前提的。因此在进行消化内科手术模拟器开发时，要求达到器械真实、操作手感与临床手术感相同，可以在模拟器上进行超声胃镜、乙状结肠镜检查及相关手术操作。且所有的三维立体形象必须以真实病人的解剖结构为基础，包括病变、津液分布等模拟实际情况。同时要求所运用的模拟器械必须为真实的内窥镜手术专用器械，产生真实的力反馈。另外，为学生提供足够多的实操案例，且案例的难度应由简入难，达到有层次许梿的效果。系统应具备辅助指导功能、智能评价功能以及管理功能，以便在规范学生操作和评价学生的学习效果。除此之外，系统应具备可拓展性，要求所有的模块库、病例库可根据实际需求进行升级和拓展。

3.2 硬件设计

该系统的硬件部分主要以体验实感消化内科手术的模拟器械：如液晶触摸屏监视器、上下消化道镜头、导丝及手术器械等；适用于大教室教学的外接视接口及设备；获得接触实感的力学反馈器、脚踏板等；提供稳定电源的电源回路。

3.3 训练模块开发

根据消化内科手术学习目标，要求学生能够熟练掌握乙状结肠镜检查、消化内镜朝圣检查，上下消化道内窥镜检查以及急性紧急出血情况的操作。因此，在训练模块开发时，应分别针对上述学习目标设计相应的实操情境，从而达到学生手眼协调，并熟练使用器械进行镜头定位、上下左右调转。操作过程中，学生根据学习目标选择一台手术进行模拟训练。在系统中调取该并人的病例，要求学生在查看病例后，进行相应诊断，通过录像功能，记录学生的诊断过程。学生根据知识判断选择合适窥镜，插入后根据显示屏上的模拟影像选择配套工具开展治疗工作。要求学生对窥镜操作中发现的病变部位进行拍照记录，并根据记录及操作结果形成课后反馈。系统设有互动图和立体图两种成像方式，互动图为学生提供实时的窥镜位置显示，从而方便学生快速的掌握窥镜的定位和调动技巧。立体图则能够使学生从外围查看整个消化道的结构，从而能够在真实解剖结构的基础上进行处置和诊断。另外，当学生操作不当时，虚拟病人会模拟真实情景发出叫声或不适动作，系统同时向学生发出告警信号，并指出学生错误操作的问题，提出合理的解决办法。系统保留学生的练习记录，指导教师可以通过系统管理模块调取学生的训练影像、成绩记录等，以方便为学生提供针对性的指导训练。

3.4 教育虚拟现实系统的优势分析

与普通的实操教学相比，教育虚拟现实系统具有显著优势：一是教育虚拟现实系统具有极强的真实感和动态感。也就是说，它能够将原本抽象和复杂的理论知识内容通过真实场景再现的方式进行呈现，使学生通过眼观、耳听、手触的方式获得真正的反馈，具有强烈的沉浸感。例如通过消化内镜模拟器学生可以解释的掌握窥镜镜头与人体器官的合理间距，当出现误操作时，也可获得来自虚拟病人的实时反馈。并且基于真实情景模拟时，场景具有动态性，既虚拟病人的反馈、动态及病情会根据检查、手术等的时间发生变化，产生诸如出血、穿孔等动态性变化病症。

二是教育虚拟现实系统可以进行重复性的训练，具有高容错性。一般来讲，医学上的临床练习是针对真实病人的，但是由于学生的操作生疏，且可能发生错误，会对病患造成剧烈的身体负担，存在医疗风险。而虚拟现实系统提供虚拟病人，并可进行反复的容错训练，以提升学生的反应速度。

三是教育虚拟现实系统能够有效节约教育成本，提升教育速率。从一般经济成本上来讲，基于V-learning的虚拟现实系统的开发需要耗费较大的资金，但是从人才养成角度来讲，它能够同时为多名学生提供实操训练，节约了时间成本，且有效缩短学习曲线，通过一个虚拟现实系统可以完成多个科目的训练，因此从价值比上来说，教育虚拟现实系统具有极强的经济性。

基于VR技术的教育虚拟现实系统的开发和应用，带来了教学领域的革命。以消化内镜模拟器为例，它全程实现了可视化的真实场景模拟，为学生提供了一个安全的教学环境。它以学生的基础知识水平为前提，学生全程参与到消化内科窥镜操作、止血训练、病变处理的场景中，是一种可容错的临床练习，免除了医疗风险。除此之外，虚拟现实教育系统已经成功运用在导游、工商管理等专业的实操训练中，且取得了理想的效果。

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张丽，女（1981.9-），四川宜宾人，汉族，硕士研究生，讲师，研究方向：图形图像，计算机应用。