医学院校开设虚拟现实课程的教学实践

刘 佳，郭婷婷，王艳华，娄 岩

中国医科大学公共基础学院， 沈阳 110122

虚拟现实是以计算机技术为核心创建和体验虚拟世界的仿真系统，可以使用户产生身临其境的感觉[1]。近些年将虚拟现实作为一种新型的教学手段引入高校实践教学得到了普及应用，促进了教育方式的变革[2]。

与其他学科相比，高校医学教育不仅要传授基础医学知识，更需要将医学理论和临床实践密切结合[3]。传统医学的教学模式已不能满足当下医学知识、技术日益发展的速度，抽象的医学理论难以理解，实验教学资源的有限性也制约了医学生临床实践机会。为了解决这些问题，众多的医学院校都将虚拟现实技术引入到教学之中。如运用计算机采集人体的真实数据并结合尸体切片合成数字人体三维结构[4]；通过虚拟现实技术建立包括临床基本技能、内科技能等多种技能训练[5]系统。

目前，在结合虚拟现实的医学教学中，学生只是作为虚拟现实产品的使用者，采用的虚拟现实产品多依靠公司企业的采购或定制。如何使虚拟现实产品贴近医学生的需求，如何真正地激发医学生对医学理论的深刻理解，这需要医学生亲自参与到虚拟现实产品的制作中来。因此，在医学院校开展虚拟现实课程变得更加迫切。中国医科大学在2014年即对计算机本科教学课程启动教学改革，面向所有专业学生开设虚拟现实技术课程。

1 医学院校虚拟现实课程设置

1.1 虚拟现实课程目标

在医学院校中开设虚拟现实课程，目的是让医学生通过三维场景的搭建，掌握虚拟现实技术在医学中的运用。其中主要包括：

知识目标：使学生了解和掌握虚拟现实(包含增强现实技术，以下同)的基本概念和术语、核心技术、应用领域、发展趋势等。

能力目标：掌握医学虚拟现实的制作原理、方法，了解虚拟现实在医学展示、体验、培训等方面的运用。

素质目标：培养学生自学能力、资源素材收集整理能力以及分工合作等综合的科研能力。

1.2 虚拟现实课程在医学院课程体系所处位置

目前，中国医科大学的课程体系设置和虚拟现实技术与其他课程间关系如图1所示。在低年级开设公共基础课程和医学基础课；高年级开设医学专业课和各种临床诊断学科。虚拟现实课程位于此课程体系中间位置。

图1 虚拟现实技术与医学院中其他课程间关系

虚拟现实课程是一门多学科的交叉课程，不仅以信息科学为基础，也融合了数学、物理等作为理论和技术方法的支撑[6]。同时学生具有一定的医学基础，可以结合医学知识创造出与医学相关的作品。当学生具备研发能力后，可以自由地将医学各个专业和虚拟现实技术相结合，发挥自我能动性取得实践创新成果。虚拟现实课程位于课程体系中间位置，既可以减轻高年级专业课程学习的负担，也可以尽早掌握虚拟现实技术，为培养创新型人才和提高医学生的综合素质奠定基础。

1.3 虚拟现实课程教材的选择

为了适应医学院校对虚拟现实的实际需求，我们精心编写适用教材并历经4年多次对教材改版。现选用自编的《虚拟现实与增强现实技术导论》一书，介绍虚拟现实和增强现实技术的最新进展，将概念描述、原理讲解、实例分析三者结合[1]。同时，也编写了《虚拟现实与增强现实应用指南》结合实例讲解技术实现流程，并附以详尽的操作步骤和大量操作截图、脚本代码，成为学生不可缺少的辅助教材[7]。

1.4 虚拟现实课程教学内容

虚拟现实课程教学内容分为理论和实践二部分、四大教学模块。先通过理论部分结合医学实例深入浅出地讲解，使学生在理解原理和关键技术的基础上构架完整的知识体系，再通过应用相关软件实践操作结合医学知识开发出虚拟现实作品。虚拟现实课程主要教学内容如表1所示，虚拟现实教学内容之间关系示意图如图2所示，虚拟现实具体教学实施方案如表2所示。

表1 虚拟现实课程主要教学内容

表2 虚拟现实教学实施方案

图2 虚拟现实教学内容之间关系示意图

2 教学模式探索

从2014年开始，在学校一年级学生学习计算机基础课程后，所有医学专业(临床医学、药学、护理、影像、口腔、预防、检验等)均开设虚拟现实课程，累计上课人数达6 000多人。经过多年的实际教学探索，发现采用多种教学手段相结合的教学模式可提高学生学习主动性及教学效果。

2.1 建立虚拟现实仿真实验室+体验式教学

为课程教学建立专用的虚拟现实仿真实验室。为增强虚拟环境中的沉浸感，实验室采用包括立体投影、虚拟现实工作站和立体眼镜等多种立体显示设备，同时配备了数据手套数据、Kinect、Leap Motion等多种用于实时交互的特殊外设[8]。在虚拟现实仿真实验室中，教师不仅可以将理论和实际操作相结合展示各种虚拟现实技术，也可以将学生做出的虚拟现实作品呈现出来，并让其亲身体验自己的成果，极大地激发了学生的学习兴趣。

2.2 项目教学+分组协作

将教学实验作为“项目”来完成。在教师的指导下，由学生自愿结合成开发小组，分工完成医学信息的收集、方案的设计、作品开发及评价等各个过程。学生团队通过虚拟现实医学项目展开，了解、掌握开发中每一个环节的基本要求，有利于加强学生个体的自学能力及团体协作能力。

2.3 建立网络教学资源平台+翻转课堂、微课教学

除了在仿真实验室进行体验教学外，理论教学也采用了网络教学资源平台，学生在教学资源平台的管理下，组成了内部网络。通过学生端可听取教师的课程讲解，上传下载相关资料。教生之间通过教师端与学生端通信进行提问和解答。正因为有了网络教学平台的支持，课程可以采用翻转课堂和微课的教学方式，将学生分成学习讨论小组，学生课前收集课程相关内容，课堂上将遇到的问题在小组内和组间讨论，提高课堂教学效率。

2.4 创新竞赛+校企联盟实践+学术交流

教学不仅体现在课堂上对知识的理解和掌握，更重要的是教学背后的延伸，使学生能将教学内容转化为技术成果，辅助学生的创业和就业[9]。具体的方法可以分为“走出去”的参与各项创新竞赛和“引进来”的校企联盟实践和学术交流。

学生在掌握了虚拟现实技术后，在课堂上创造出医学仿真作品，进一步通过参与大学生创新创业大赛与不同院校的学生交流，拓展眼界，相互学习，不断完善、丰富自己的作品。该校学生近年来多次以虚拟现实作品参加各项比赛，2018年以“VR技术在产科教学系统中的应用”参加辽宁省本科大学生计算机设计竞赛获得一等奖。

校企联盟实践也是促使学生参与实践的重要途径之一。通过吸收学生加入到研发团队，参与医疗虚拟现实产品的设计、研发、测试过程，学生可以了解社会的真正需求。也因为具有医学知识的背景，可以从使用者的角度对产品提出设计和改进意见。校企联盟实践的教学方式使教学和实际产品研发紧密地联系在一起，是医学院校培养高层人才的有益手段。如“膝关节微创手术三维仿真规培系统”是以中国医科大学计算机教研室为主体，由教师、学生、医师、企业技术人员共同参与的虚拟现实应用项目[10]。

2018年初在校内举办了首届中国智能医学论坛，邀请全国众多的医院、医学院校和相关医疗器械研发企业专家做了多场学术报告，使学生和教师了解到医学领域和虚拟仿真交叉融合的前沿技术，引进先进的思想理念和高水平技术。

2.5 教学评价方法

教学评价是教学过程和教学质量体现方式之一[11]。虚拟现实课程的教学评价由对授课教师的评价和学生课程成绩测评两部分组成。教师教学评价分为教研室组织的同行评审教师听课机制和由学校教务处期末进行学生对任课教师的打分制度来实施，以便使教师认真完成教学任务；学生课程成绩测评分为卷面测试(占总成绩70%)和虚拟现实作品的评分(占总成绩30%)。卷面测试主要考察学生计算机基础知识和虚拟现实基本概念和相关技术原理。作品评分要求按项目小组自行创意医学相关作品，由授课教师给出等级评分和相应的实验分数，这种考核方式可以提高学生的创造热情和减轻学生期末复习负担。

3 学生作品介绍

虚拟现实课程的开设引起学生极大的兴趣，学生在教师的指导下已设计并完成了大量优秀的医学作品。图3是由3Ds Max制作的静态医院病房模型，可以作为一个场景加载到后期的医院漫游作品中。图4也是由3Ds Max制作的人体受精全动态过程。

4 虚拟现实课程教学反思

4.1 在医学院校开设虚拟现实课程的益处

在医学院校中开设虚拟现实课程是将传统医学、医疗技术和虚拟现实仿真与教育的融合与应用。虚拟现实技术为学生提供生动、真实的交互性学习环境，极大地调动学生学习的兴趣[12]。

图3 医院病房静态模型

图4 受精过程动态仿真

当前虚拟现实行业发展的短板之一是内容匮乏，即使已经制造出了头盔等沉浸式VR设备，却缺乏可以在设备中体验的高质量的内容[13]，尤其是与医学相关的产品。医学院校具备深厚的医学背景和便利的医疗仪器设施，相对于工科学校有着天然的医学理论优势，更方便与技术结合，使医学虚拟现实作品更贴近医疗实际需求。

学生参与医学虚拟现实作品的制作，可以更好地理解在各个医学学科引入的虚拟仿真实验。学生不仅是实验课程的参与者、使用者，也可以成为课程的设计者，进而提高医学生对专业的深入理解及其观察和思考能力。

学生可以应用仿真技术开发医学作品参与创新创业比赛，为自身的创造性提供实验场、为就业打开了新的领域，也为培养科研型、创新型的复合医学人才打下坚实的基础[14]。

虚拟现实打破了空间和时间的限制，提供了新的观察和思维方式，让学生更注重体验认知和多学科知识的融合应用，为学生在未来的学习中开拓了解决问题新能力。

4.2 实施虚拟现实课程的制约因素

开设虚拟现实课程受到许多因素的制约：首先是建立虚拟实验室的硬件设施需要大量资金。为了达到虚拟现实要求的沉浸感和交互性，需要采购专门的硬件设备，如虚拟三维投影显示系统、高性能图形生成处理器等。这些专业设备比较昂贵，应用到教学中如每人或每组配备虚拟设备进行操作，资金的需求就更有压力，限制了虚拟实验室的规模[15]。其次是虚拟现实是近些年发展起来的新兴技术，进行授课的教师也需要不断地学习与探索，但是缺乏知识的积累，缺乏行业专家的指导，在一定程度上限制了教学内容的扩充和更新；这也使得选择适合医学生的虚拟现实教材也受到限制，大部分都不能满足实际教学需求，内容过于理论化。还有，医学院校的培养目标是培养医学专业人才，虚拟现实课程占用医学生的学习专业课时间，是否增加学生的学业负担一直都是讨论的焦点话题。所以，虚拟现实与医学的协调发展不是一日之功，需要教育领域和医学院校的领导、专家、教师、学生共同努力才会推动医学教育事业的蓬勃发展。