基于VR技术的中药资源学智慧实验室建设

任萌，魏巍，莫梅，李佳，徐凯勇，刘珊

（1.山东中医药大学 实验室管理处，山东 济南；2.山东中医药大学 管理学院，山东 济南；3.山东中医药大学 药学院，山东 济南）

一 引言

Virtual Reality，简称VR，中文的意思就是虚拟现实。虚拟现实是计算机软件硬件技术、人工智能、机器人技术及传感技术等科学技术迅速发展的结果，是多媒体技术的最终应用模式。高速计算与并行计算技术、人工智能技术、三维实时图形显示、触觉传感技术等多种关键技术的发展带来了虚拟现实技术的推广与应用。虚拟现实技术的到来将会给人们的工作、学习、生活带来翻天覆地的变化。当人们戴上立体眼镜、数据手套等特制的传感设备时，将会面临一种三维的模拟现实的环境，并且可以通过相应的设施和人的自然机能实现人与这种环境的信息交流和互动，使人们感觉到自己仿佛身处在一个具有三维的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉的感觉世界，从而获得身临其境的学习体验和感受。VR技术应用于高等教育教学，尤其是医学类实验教学，显现出无比的优越性和实用性。虚拟现实技术充实了医学教育的教学和实验实训手段，丰富了理论知识的学习，缓解了实验教学资源不足与医学教育日益增长的需求之间的矛盾，通过优化升级系统相关软件，可节省大量的教育教学及实验设备资源，使真实实验操作过程中遇到的各种危险得以避免，不受时空限制，积极推动了医学教育事业的发展，它的出现和应用解决了过去医学教育很多不能解决的实际问题[1-3]。

二 VR实训室的建设意义

山东中医药大学中药资源学智慧实验室采用了VR技术手段，建设了约500平方米的实验实训教学中心，可以满足立体教学、交互式教学的需求。学生佩戴3D立体眼镜进行学习，教师通过数据手柄来操作虚拟内容，并可同步支持多媒体资源的播放，如视频、ppt、音频等，整体教学内容丰富立体，学生学习兴趣更高，针对医学知识的理解更加深入和直观；具备完全沉浸式的操作体验，学生可进入1:1真实模拟的场景完成相应的操作，同时相互之间可以看到，从而有步骤、有计划地完成特定项目的实训。进入该平台实际操作的学生，具备第一视角的直接体验，同时在教学平台中，可同步多人的综合视角，由老师进行控制，其余学生完成观摩学习。学校打造的该项目突破了传统教学的桎梏，融教学、实训为一体，同时嵌入传统的教学资源，实现了新的教学模式，对人才培养，学生综合素质的提升具有重要的意义[4]。

（一） 减少实物资源投入，安全性好

相对于传统实验教学，VR实验教学的最大优势在于硬件建设无需大量投入，减少了设备更新换代的频率及设备的损耗问题。如许多大型设备，购置价格高，购置周期长，需求与购置脱节，维护成本高，且学生上手机会较少，很难达到理想的教学效果[5]。虚拟现实技术作为核心技术与学校重点专业的实践相结合，将复杂实物虚拟化，突破传统的实验教学模式和实验操作方式，同时可以避免一些操作事故，让学生在安全的情况下多次模拟危险操作，从而降低教学成本，提高了实验的便捷性和安全性[6]。

（二） 教学方法灵活，教学效果良好

VR实验教学可显示真实的应用情景，学生更有代入感，且规避了常规实训无法上手、担心错误操作的缺点，让学生可以真正自主地进行探索式学习，同时将一些不可逆的实验反复操作，更好地将所学知识与实训实践相映照，达到学以致用、以练促学的目的[7]。关于对VR实训室的管理和维护情况，只需要升级相关的虚拟仿真软件就可以更新教学内容、实验、实训项目和升级最新功能，与传统的实验教学改革相比，实验项目的优化及内容拓展更加方便、智能、快捷和低成本，最终实现教学效率的提高和教学效果的提升[8]。

（三） 教师授课更轻松

VR实验教学可节省老师的备课时间，把老师从繁重、重复的课堂讲解中解脱出来，减轻了教学负担，虚拟仿真实训可以利用软件进行演示、讲解、操作，将难点教学直观化，提升课堂教学效率。同时学生可以根据自己的学习情况来选择相关学习内容进行学习，老师在课堂上集中讲解后，可对学生在学习过程中遇到的问题进行答疑，学生的学习方式实现了从一对多到一对一（一人一机）的转变[9]。通过这种专门化的学习方式，老师会更加了解每一个学生，同时根据每个学生的性格特点、思维方式、学习模式等方面，有针对性地进行教学，也更容易发现个体学生的学习短板，做到因材施教。

（四） 技术先进，辐射效应未来可期

建设方案提出了交互（Interaction）、资源（Sources）、体验（Experience）以及拓展（Expending）四大概念，即按照“I see”的建设要求，建设中医药学教学及实训一体化平台。将成熟的VR实验室建设经验引入课堂，必将成为医疗学科建设的重要组成部分，是探索新型人才培养模式，信息化综合实践的典型代表；先进的教学实训系统，为学生就业、提高学校学科建设水平提供更多助力，同时具备良好的辐射效应，为医学类学校相关专业、企事业医疗人才培养提供学习和示范，对提高中医药人才培养质量有重要意义。

三 设计原则

VR实训室的建设坚持先进性、实用性、集成性、扩展性、灵活性、可靠性、经济性的原则，将VR技术与实验教学尽可能完美结合[10]。

1.先进性：系统应用成熟，达到国内外最新标准和规范要求，符合计算机、图形图像处理、视频监控等技术的最新发展趋势[11]；

2.实用性：系统操作简单，使用灵活便捷，容易掌握；根据实际使用特点，管理方式多样化；系统功能符合常规化应用；

3.集成性：集成性高，使用安装简单，可接入其他相关设备实现一体化协作；

4.扩展性：有着充分的扩充空间，随着新技术的发展，定期更新新功能，满足科技需求；

5.灵活性：提供符合国际标准的软件、硬件、通讯、网络、操作系统和数据管理系统等方面的接口和工具，使系统具有良好的灵活性；

6.可靠性：具有在规定时间内和特定条件下满足用户个性化需求的能力，可以保证持续、稳定工作；

7.经济性：综合、全面考虑系统的性能、价格，使其在同类系统和条件下性价比达到最优。

四 系统开发

（一） 架构

通过运用虚拟现实技术从药用植物识别和野外采药实践等两大方面进行中药资源虚拟仿真实验教学资源的开发，从而实现中药学专业学生进行药用植物的认知及虚拟野外采药实践。

采药模块：通过建模技术模拟出真实的药物生长环境，如林下、湿地、沟谷、草地、山坡等，学生通过对系统的使用模拟野外采药实习过程，了解药用植株的形态结构，熟悉不同种类中药采集方式等知识。

药用植物识别：通过虚拟现实技术，首批建立28种中药植物的三维模型，可查看不同植物在我国地图上的不同分布，可对植株形态进行360度旋转查看。此外，对每种药用植株提供介绍、药材基源鉴定、性状鉴定、显微鉴定、理化鉴定相关的鉴定信息及资料，供学生随时查阅。

（二） 系统功能

1.系统开启。需进行权限验证，符合登录要求的账户才能进入使用系统。进入系统后，可看到整个系统分为两大模块，即采药模块和药用植物识别模块。每个模块都有对应的内容用于练习和操作，用户可在功能模块界面选择自己想训练的内容进入实训环节。

2.区域选择。中医药学是中国古代科学的瑰宝，也是打开中华文明宝库的钥匙，祖国大地上广泛分布着中药植被，各个地方由于海拔不同、气候不同都会出产不同种类的中药材[12]。在真实的教学过程中，老师带着学生走遍全国去观察不同气候不同地形地貌产出的各类中药材是一件不现实的事情。可是通过虚拟现实技术，则可以花较小的代价去实现较高的教学成果[13]。学生进入采药模拟模块，即可看到界面上有一个三维的中国地图，地图上会对每个省市进行标注，点击标注点，即可显示该省市的气候特征、地理特征，在其省内生长的各类中药植株的种类及分布情况的介绍。学生可通过该模块了解国内各省市中药植株的生长环境及其分布情况，当学生选择好采药模拟所在的生长环境后，系统会根据所选择的项去匹配相应的场景模型，并动态载入到系统中[14]。当场景载入后，学生即可在系统中看到高精度还原的三维地理环境了。此外，学生也可选择漫游视角，以第一人称视角，在整个场景中漫游，近距离查看整个虚拟环境，了解植株的分布情况。

3.药用植物识别。首批制作了28种中药：川贝母、冬虫夏草、百合、白芷、半夏、草麻黄、党参、丹参、甘草、栝楼、红柴胡等，后期还将根据需求定制开发更多的中药品种。学生可在找到目标植株后，系统在三维中国地图上，显示该植株的生长分布情况，选择植物后，可进入查看植物的三维形态，可缩放查看，可360度旋转操作；可通过三维的形式对中药植株进行形状鉴别和真伪鉴别，以帮助学生更好地掌握中药植株的特性知识[15-16]。

4.基源鉴定。系统提供“基源鉴定”按钮，弹出该药材的基源鉴定图文信息，如植物科+植物名（含拉丁名）+用药部位+采收加工方式等；图片素材为药材原植物、动物、矿物等（除成方制剂）。

5.性状鉴定。系统提供“性状鉴定”按钮，弹出该药材的性状鉴定图文信息，“用手摸、口感和气味的辨别”等均用文字进行描述，“外观特征、水试法和火试法”等均附试验的特征图片和文字进行描述。

6.显微鉴定。系统提供“显微鉴定”，弹出该药材的显微鉴定图文信息，图文描述信息包括药材粉末鉴定和药材横切面鉴定图片及文字解说。

7.理化鉴定。系统提供“理化鉴定”按钮，弹出该药材的理化鉴定图文信息，用户可查看到该药物相关的理化鉴定曲线图及相关的文字解说。

五 预期效果

利用VR技术与基础医学专业相结合，有效解决了专业教学中实践实习难以涵盖各个环节的问题，在专业课程教学过程中，难以在课堂全景再现形象地向学生介绍各个环节，即便通过实践实习环节，也无法涵盖整个过程。通过虚拟实验中心提供的虚拟现实技术，同时借助虚拟现实技术沉浸性、构想性、交互性三大主要特性，可以全景形象再现各个环节，学生易于掌握专业知识，创新了课堂教学手段，提高了教学效率，有效提高教师课程教学水平，教学效果也得以提升，从而达到创新的教学模式、体验模式。

学生实验的积极性明显增强。智慧医学中心采用仿真实验与真实实验结合的教学方法，为学生提供交互共享的虚拟仿真实验教学平台，其“沉浸性”“构想性”“交互性”的特点不仅提升了教学效果，创新了教学模式，更重要的是学生通过自主虚拟仿真实验，极大地激发了学生的科学探究兴趣、自主学习兴趣，明显增强了实验操作能力和动手能力，锻炼了创新思维能力，学生能积极主动地参与各项创新实验，学生创新能力普遍提高。同时学生的工作适应能力也明显增强。

智慧医学中心的教学资源面向全校师生开放，对专业改革、教学内容和课程体系的教学改革以及实验课程的建设与改革起到了良好的示范和推动作用，为全校学生开展科技创新训练和虚拟实验实训提供了一个重要基地。