虛擬現實技術在醫學專業實驗教學的應用

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虛擬現實技術在醫學專業實驗教學的應用:虛擬現實技術在醫學職業教育實驗教學中的應用分析

摘 要：隨著科學技術的快速發展，虛擬現實技術作為一種全新的技術也逐漸發展起來。在醫學教育領域中，虛擬現實技術在實驗教學中的應用范圍在不斷擴大，為醫學教育的教學提供了良好的前提條件。本文對虛擬現實技術在人體解剖實驗教學、麻醉實驗教學以及針灸實驗教學三個方面的應用進行分析研究，以提高虛擬現實技術在醫學職業教學中的應用，并且充分發揮出其在醫學教育中的作用。

關鍵詞：虛擬現實技術；醫學職業教育；實驗教學

虛擬現實技術是在近幾年中開始發展起來的一項全新的技術，在社會各個領域中均有較廣闊的應用，尤其是在醫學教學中，應用范圍在不斷擴大。虛擬現實技術主要是將多媒體技術和仿真技術相結合，從而形成逼真的虛擬環境，可以讓使用者以一種自然的方式和虛擬環境的事物進行互動，產生身臨其境的感覺，更好地理解所學知識，提高教學效率。

一、虛擬現實技術在人體解剖實驗教學中的應用

教學人體解剖實驗的時候，可以使用虛擬現實技術進行教學。針對人體解剖實驗教學中遇到的難點以及凝點問題，可以通過虛擬現實技術將其直觀展示出來，方便學生更好地理解相關知識點。例如：教師在講授人體解剖學中的消化系統的時候，可以借助虛擬現實技術構建三維立體的假人，并對假人的消化系統進行虛擬構建，從而讓學生直觀地了解人體消化系統的構造和位置，并且對其功能和作用進行了解，進而有效提高對消化系統的進一步認識，更好地掌握消化系統知識。另外，利用虛擬現實技術將神經沖動的傳導過程以三維動畫的形式體現出來，也可以將人體肌肉、關節、骨骼的運動變化規律等通過虛擬現實技術直觀、形象地展現出來，從而讓學生更加直觀地了解人體結構，對人體各個系統的運行進行詳細的了解，以便提高教學效率。

二、虛擬現實技術在麻醉實驗教學中的應用

使用虛擬現實技術，可以將難以進行實際操作的知識和實驗通過虛擬現實技術體現出來。尤其是在麻醉實驗教學的過程中，通過虛擬現實技術，研究出虛擬麻醉機，并對其進行參數的設定，設計相關的操作練習功能，可以有效地幫助學生進行麻醉實驗學習。這樣不僅可以有效提高學生學習的積極性，還可以提高學生實踐操作能力，確保學生能夠積極主動地參與到實驗教學中。與傳統的實驗教學方法相比，虛擬現實技術具有無與倫比的特點和優勢。使用虛擬現實技術進行麻醉實驗教學，可以有效地打破空間的局限性。

在傳統的實驗教學中，由于難以觀察到分子、原子等微觀物質的運動情況，學生無法建立系統的物理表象。運用虛擬現實技術，將微觀物質可視化，可以有效地為學生提供感性認識。例如：通過虛擬現實技術，將氧分子進入肺部的過程，以及進入到血液中的過程通過模擬實驗體現出來，讓學生直觀感受到其運行情況，這樣在麻醉實驗教學的時候，他們就會更加清晰地感受到麻醉的流程。另外，使用虛擬現實技術進行教學，可以有效地解決實驗麻醉機使用不足的問題。模擬實驗不需要耗費相關的麻醉材料和設備，實驗成本比較低，可以有效解決實驗中麻醉機設備不足的問題。

三、虛擬現實技術在針灸實驗教學中的應用

針灸經絡學是中醫歷代醫學家對人體結構研究的結晶。在實驗教學中，采用傳統的教學方法，存在較多的不足之處，學生無法深入感到人體經絡的分布和運行情況。在針灸實驗教學過程中，采用虛擬現實技術進行教學，可以建立虛擬針灸系統。相關研究者通過應用虛擬現實技術，采集針灸數據，使用虛擬現實技術在仿真系統上進行人體模型的三維重建，并標記好人體穴位和經絡。使用人員只需要帶上特制的立體眼鏡就可以看見虛擬現實的立體假人，還可以利用仿真系統的特殊設置在三維人體模型上進行針灸實驗教學。此外，佩戴特殊配套的立體感官手套，可以體會到針刺入肌體的感覺，并且能夠從多角度觀察針刺的要點和相鄰的結構。例如，在學習十二經脈的時候，運用虛擬現實技術，可以對針灸經絡的實驗學習提供數字化平臺，讓學生直觀了解人體十二經脈的內涵、特點、分布情況等，為學生實際操作能力的鍛煉提供了較好的平臺。

四、總結

在醫學職業實驗教學中，充分利用虛擬現實技術的教學，可以有效解決醫學職業實驗教學中遇到的難點問題，以及教學資源和設備不足的問題，并且能夠將教材中的知識點直觀地呈現在學生的眼前，從而使之更加深入地了解知識內容，提高動手操作能力。

虛擬現實技術在醫學專業實驗教學的應用:虛擬現實技術在心臟醫學教學中的應用與實現

摘要：虛擬現實是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統， 人們可在此進行操作或控制，實現特殊的目的。虛擬現實技術在醫學領域的應用備受關注。該文主要探討虛擬現實技術在心臟醫學教學中的應用與實現。

關鍵詞：虛擬現實；醫學教學；交互性；心臟

1 概述

虛擬現實是指用計算機生成的一種逼真的三維環境，在電腦模擬產生的一個虛擬世界中，用戶可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物，它是計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術以及傳感技術等許多相關學科領域交叉、集成的產物。虛擬現實系統具有三個基本特征：浸沒感（Immersion）――用戶在模擬環境中的真實性，交互性（Interactivity）――用戶對模擬環境內物體的實時可操控性），構想性（Imagination）――虛擬現實技術具有廣闊的可想像空間及環境。虛擬現實強調了在虛擬系統中的人的主導作用，實時交互性是虛擬現實技術最本質的特征和要求之一，也是虛擬現實技術的精髓。

虛擬現實技術開始于軍事領域的需求，現在已開始從高端領域全面走向專業應用領域，在娛樂、教育、藝術方面的應用占主流，發揮的作用也越來越大。

2 虛擬現實技術在醫學教育中的應用

虛擬現實技術正在廣泛地應用于各個領域，在醫學領域的應用備受關注。

國外的起步較早，美國作為虛擬現實的發源地，早在上世紀80年代就進行了人體解剖圖像數字化資料研究，90年代末，開展了虛擬解剖學、虛擬放射學、虛擬內窺學等學科的計算機輔助教學。目前，已研制出了人體虛擬解剖，一套完整的人體虛擬解剖系統，學生利用在虛擬的組織和器官問的模擬操作感受觸覺反饋，使學生更快地掌握手術要領和技術。從而提高診斷和治療水平。

我國與國際相比，雖有一定的差距，但目前已引起政府、科技界的高度重視，九五規劃、國家自然科學基金委、國家高技術研究發展計劃等都把虛擬現實列入了研究項目。目前，已成為當今最有影響力的高新產業技術之一。國內一些重點院校，已積極投入到了這一領域的研究工作。從2004年首屆虛擬現實峰會舉辦以來，中國虛擬現實峰會已成為業內具有重要影響力的業內活動。綠色醫療研究院也在2012年的峰會中正式宣告成立，伴隨著我國醫療事業和IT技術的不斷發展壯大，虛擬現實在醫學課堂教學、實驗教學、臨床培訓等領域得到了廣泛應用 。采用虛擬現實系統來輔助醫學教學，可以使教師與醫學學生以三維的形式看到人體結構的形狀、位置及器官間的相互空間關系等，從不同角度，真實模擬及分析，從而獲得前所未有的直觀感受，不僅降低了成本，而且是傳統的文字、二維圖像、生物標本所不能達到的學習效果。

3 虛擬現實技術在心臟醫學教學中的應用與實現

心臟是人體重要器官之一，是一個結構復雜、快速活動的立體器官，一直都是臨床醫學研究的重點。心臟病很可怕，它限制人的活動、降低生活質量，甚至威脅人的生命。然而更可怕的是人民缺乏對心臟病的認知。虛擬現實技術的發展使得三維虛擬心臟的教學應用成為可能。不僅可以應用于醫學學生的教學中，也可以應用在心臟的科普教育中。

虛擬現實在醫學教育的應用與實現需要以下幾個步驟：三維虛擬心臟的建模、三維心臟模型的表面紋理貼圖處理、虛擬心臟動畫及交互功能的仿真。

適當動畫可以讓畫面更生動有趣，便于表述心臟的工作及病變情況。用FFD修改編輯器和動畫的設計，可以充分體現心臟的跳動過程。完成了對心臟結構及血管系統的可視化處理后，最后將在3DMAX中完成的模型及剛體、柔體動畫導入虛擬現實引擎平臺，在后期引擎中調整貼圖色彩、優化作品，編寫交互腳本及交互界面設計，程序調試正常、作品。

用計算機系統可以幫助醫學生試驗不同的選擇，分析病理問題，操作虛擬的心臟模型，不會危害到患者，對心臟的醫學教學、病理分析、科普教育起到了一定的輔助作用。

4 小結

本次設計雖然僅僅涉及了心臟結構及心血管方面的虛擬現實應用，取得了較好的效果。下一步，我們將繼續研究技術，并結合硬件，融合較完整的心臟病理知識，向臨床實踐靠攏。在醫療診斷、手術模擬方面進行實踐與應用。隨著我國醫療事業和IT事業的不斷發展壯大，虛擬現實在醫學中的應用將更廣泛、深入。

虛擬現實技術在醫學專業實驗教學的應用:虛擬現實技術在醫學生物化學實驗教學中的應用策略研究

摘 要 新興的虛擬現實技術應用于生物化學與分子生物學實驗教學，將發揮其優勢，解決實驗教學過程中存在的不足，完善生化實驗教學模式，為更好地教與學提供便利。

關鍵詞 虛擬現實；生物化學與分子生物學；實驗教學

虛擬現實（Virtual Reality），簡稱VR技術，也稱靈境技術或人工環境，是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，使其如同身臨其境，無限制地觀察并感受三度空間內的事物。該技術集成了計算機圖形（CG）技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術[1]的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。虛擬現實技術具有的沉浸、交互、構想三大特征[2]，使得虛擬現實技術在教育領域應用有其獨特而明顯的優勢。

虛擬現實作為一種先進的電子信息技術已經深入各行各業中，如在醫學領域，虛擬現實方面的研究正在逐步形成，目前相關的研究主要有醫學可視化、醫學增強現實、醫用機器人、手術模擬、圖象引導手術、計算機輔助手術等。雖然國內研究者在虛擬現實應用于醫學領域中取得大量的成果，但是現有醫學虛擬現實方面的研究重點主要在臨床診斷、手術等臨床應用方面，而在醫學教育方面的應用研究尚屬少見，已有的研究也多是基于理論方面的探討或者是只限于針對視覺教學方面的應用。

近年來，生命科學的發展突飛猛進，而生物化學與分子生物學（簡稱生化）是生命科學的重要基礎學科，是醫學教育的主干課程，其理論和技術已滲透至基礎醫學和臨床醫學的各個領域，是現代生命科學的共同語言[3]。為了使醫學生更好地掌握生化內容，本研究主要針對生物化學與分子生物學實驗教學理論與實踐，在不斷摸索過程中探討利用虛擬技術解決傳統實驗教學過程中無法解決的難題，進而完善生化分子實驗教學模式，為更好的教與學提供參考。

1 虛擬現實技術應用于生化實驗教學的原因

1.1 實驗教學場地受限的要求

實驗教學需要用到的培養室、無菌工作臺等因成本問題無法滿足教學需求而影響教學質量，這種高成本的實驗場地往往少數的學生才能夠進入，比如研究生等；本科生的使用幾乎少有，除非是特殊情況。如此使我國的本科生實驗教學內容限制在只有普通實驗可操作的幾項內容，而大大影響了本科教育的發展水平。

1.2 實驗教學試劑材料的要求

由于某些實驗用品，比如氯仿、異丙醇等易揮發且具有毒性，普通的本科教學實驗室設備簡陋，通風設施不完善，且使用量巨大，如果每一位學生在做實驗的時候都用到這些試劑，將會使實驗室形成一個有毒氣體存在的半封閉環境。這樣的環境不利于身體健康，如果教學人員長期接觸這種環境，更是對身體有極大傷害?；蛘呤怯行嶒炗闷酚休椛渲掳┑龋膊焕趯嶒灲虒W使用等。若開發出虛擬現實教學軟件，將能夠解決這一問題。

1.3 實驗教學儀器受限的要求

部分實驗內容需使用的儀器非常昂貴，少數的儀器無法滿足多數實驗學生都會操作的需求，傳統的實驗教學也因教學經費的限制而對涉及昂貴實驗儀器的內容感到無奈，很多教研室的做法是選擇忽略不授，嚴重影響生化教學的質量。這就使學生的知識面得不到擴大，對新技術新知識無法實踐和掌握而只停留在了解的層面，從而嚴重制約我國學生對生化新知識的掌握。

2 虛擬現實技術應用于生化實驗教學的優勢

沉浸和實時交互要比文字、模型或效果圖更形象、完整和生動，它營造了特殊的自主學習環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過與信息環境的交互以獲取知識、技能的學習方式，學習知識的過程變化多端，親身的體驗使學生印象深刻，主動地交互增加了學生的興趣，使學生能動性提高，容易投入到學習環境中去，并且培養了學生自主探索問題的能力和創新能力。

基于虛擬現實技術的生化實驗教學不僅解決了傳統實驗教學無法滿足的場地、實驗試劑材料以及儀器等對條件要求高而在現實中做不了的，或是危險性高的難題，發展了課堂教學，彌補了教學中的不足；也為學習主體帶來了心理上的愉悅和自我滿足，增加了學生學習的信心和動力，與虛擬環境零距離的接觸使得學習者能以第一人稱方式參與知識的建構。

此外，虛擬現實實驗教學擁有傳統教學難以比擬的優勢――節省成本[4]。

3 虛擬現實技術在生化教學中存在的問題

3.1 專業合作以及技術上的問題

生化實驗教學和虛擬現實技術軟件開發是兩個幾乎完全不同的研究方向，如何促進兩個不同學科研究與教學人員之間的合作和交流是目前亟需解決的問題。此外，虛擬現實實驗教學軟件的開發環境和語言沒有統一的標準，三維建模軟件使用十分復雜，并且它們對運行的計算機性能要求很高等問題也是要解決的。

3.2 生化實驗教學虛擬現實系統設計和應用問題

軟件設計必須考慮到如何讓使用者用起來不迷失方向，讓使用者知道如何到達一個特定的位置或角度。同時還要考慮到使用者應用教育軟件的能力問題。一方面，從教師的角度看，教師角色已發生轉變，教師已不再是傳統課堂上的傳授知識者，他還必須能夠會使用并指導學生去使用實驗教學虛擬現實軟件；另一方面，從學生的角度看，處在虛擬環境中，他們必須改變學習方式，改變思考問題方式，但是很多學生沒找到適合這種環境的學習方式和思維方式，造成學生跟不上教師講解等問題。

3.3 學生對教學軟件的認知問題

當學習主體沉浸在一個高分辨率，全景式的虛擬空間中時，其與虛擬環境的距離感覺就會消失，沒有了距離，在虛擬“存在”范圍內，人的認知機制受到影響，并導致不可低估的認知問題的出現。因為當一個人長期沉浸在一個虛擬的環境中時，再回到現實中，必然會導致他有種“落差”感覺。

4 虛擬現實生化實驗教學應用的對策

4.1 加強學科合作和技術研究

創造多渠道多方式，促進生化與軟件開發兩個學科之間的合作交流；加強更快更高質量的三維建模語言的研究，同時應該加強價格較低、用戶界面良好、對編程依賴少的三維建模軟件的研發。綜合考慮兩個學科的內在聯系，建立起一套完整的理論，支持虛擬現實技術教育應用達到理想的效果。

4.2 設計和應用要體現以人為本并加強能力培訓

使用者在使用虛擬現實技術開發的生化實驗教學軟件時要做到適用為先，樂用為上，同時要充分考慮到教師和學生的興趣。此外，應該加強對使用者的能力培訓，以便他們能正確地操作這些軟件。

4.3 對學習者進行必要的心理輔導

應該積極引導學生把握虛擬和現實的界限，讓他們明白使用這些軟件的目的是為了習得知識和建構對知識的理解。

5 結語

生物化學是一門以分子水平和化學變化的深度研究生命的科學，內容比較深奧抽象，是一門比較難學的醫學基礎課。生物化學這門學科的特點是系統性、抽象性、聯系性比較強，難度比較大，發展比較快。基于虛擬現實技術在生化教學領域中的應用必將為學習者提供很多獨特的機會，使學習者和授業者都享受到其帶來的便利。虛擬現實技術作為新型的教育教學媒體和手段，必將以其強大的優勢和潛力受到青睞而發揮其更加重要的作用。