虚拟现实技术在医学专业实验教学的应用

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虚拟现实技术在医学专业实验教学的应用:虚拟现实技术在医学职业教育实验教学中的应用分析

摘 要：随着科学技术的快速发展，虚拟现实技术作为一种全新的技术也逐渐发展起来。在医学教育领域中，虚拟现实技术在实验教学中的应用范围在不断扩大，为医学教育的教学提供了良好的前提条件。本文对虚拟现实技术在人体解剖实验教学、麻醉实验教学以及针灸实验教学三个方面的应用进行分析研究，以提高虚拟现实技术在医学职业教学中的应用，并且充分发挥出其在医学教育中的作用。

关键词：虚拟现实技术；医学职业教育；实验教学

虚拟现实技术是在近几年中开始发展起来的一项全新的技术，在社会各个领域中均有较广阔的应用，尤其是在医学教学中，应用范围在不断扩大。虚拟现实技术主要是将多媒体技术和仿真技术相结合，从而形成逼真的虚拟环境，可以让使用者以一种自然的方式和虚拟环境的事物进行互动，产生身临其境的感觉，更好地理解所学知识，提高教学效率。

一、虚拟现实技术在人体解剖实验教学中的应用

教学人体解剖实验的时候，可以使用虚拟现实技术进行教学。针对人体解剖实验教学中遇到的难点以及凝点问题，可以通过虚拟现实技术将其直观展示出来，方便学生更好地理解相关知识点。例如：教师在讲授人体解剖学中的消化系统的时候，可以借助虚拟现实技术构建三维立体的假人，并对假人的消化系统进行虚拟构建，从而让学生直观地了解人体消化系统的构造和位置，并且对其功能和作用进行了解，进而有效提高对消化系统的进一步认识，更好地掌握消化系统知识。另外，利用虚拟现实技术将神经冲动的传导过程以三维动画的形式体现出来，也可以将人体肌肉、关节、骨骼的运动变化规律等通过虚拟现实技术直观、形象地展现出来，从而让学生更加直观地了解人体结构，对人体各个系统的运行进行详细的了解，以便提高教学效率。

二、虚拟现实技术在麻醉实验教学中的应用

使用虚拟现实技术，可以将难以进行实际操作的知识和实验通过虚拟现实技术体现出来。尤其是在麻醉实验教学的过程中，通过虚拟现实技术，研究出虚拟麻醉机，并对其进行参数的设定，设计相关的操作练习功能，可以有效地帮助学生进行麻醉实验学习。这样不仅可以有效提高学生学习的积极性，还可以提高学生实践操作能力，确保学生能够积极主动地参与到实验教学中。与传统的实验教学方法相比，虚拟现实技术具有无与伦比的特点和优势。使用虚拟现实技术进行麻醉实验教学，可以有效地打破空间的局限性。

在传统的实验教学中，由于难以观察到分子、原子等微观物质的运动情况，学生无法建立系统的物理表象。运用虚拟现实技术，将微观物质可视化，可以有效地为学生提供感性认识。例如：通过虚拟现实技术，将氧分子进入肺部的过程，以及进入到血液中的过程通过模拟实验体现出来，让学生直观感受到其运行情况，这样在麻醉实验教学的时候，他们就会更加清晰地感受到麻醉的流程。另外，使用虚拟现实技术进行教学，可以有效地解决实验麻醉机使用不足的问题。模拟实验不需要耗费相关的麻醉材料和设备，实验成本比较低，可以有效解决实验中麻醉机设备不足的问题。

三、虚拟现实技术在针灸实验教学中的应用

针灸经络学是中医历代医学家对人体结构研究的结晶。在实验教学中，采用传统的教学方法，存在较多的不足之处，学生无法深入感到人体经络的分布和运行情况。在针灸实验教学过程中，采用虚拟现实技术进行教学，可以建立虚拟针灸系统。相关研究者通过应用虚拟现实技术，采集针灸数据，使用虚拟现实技术在仿真系统上进行人体模型的三维重建，并标记好人体穴位和经络。使用人员只需要带上特制的立体眼镜就可以看见虚拟现实的立体假人，还可以利用仿真系统的特殊设置在三维人体模型上进行针灸实验教学。此外，佩戴特殊配套的立体感官手套，可以体会到针刺入肌体的感觉，并且能够从多角度观察针刺的要点和相邻的结构。例如，在学习十二经脉的时候，运用虚拟现实技术，可以对针灸经络的实验学习提供数字化平台，让学生直观了解人体十二经脉的内涵、特点、分布情况等，为学生实际操作能力的锻炼提供了较好的平台。

四、总结

在医学职业实验教学中，充分利用虚拟现实技术的教学，可以有效解决医学职业实验教学中遇到的难点问题，以及教学资源和设备不足的问题，并且能够将教材中的知识点直观地呈现在学生的眼前，从而使之更加深入地了解知识内容，提高动手操作能力。

虚拟现实技术在医学专业实验教学的应用:虚拟现实技术在心脏医学教学中的应用与实现

摘要：虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统， 人们可在此进行操作或控制，实现特殊的目的。虚拟现实技术在医学领域的应用备受关注。该文主要探讨虚拟现实技术在心脏医学教学中的应用与实现。

关键词：虚拟现实；医学教学；交互性；心脏

1 概述

虚拟现实是指用计算机生成的一种逼真的三维环境，在电脑模拟产生的一个虚拟世界中，用户可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物，它是计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术等许多相关学科领域交叉、集成的产物。虚拟现实系统具有三个基本特征：浸没感（Immersion）――用户在模拟环境中的真实性，交互性（Interactivity）――用户对模拟环境内物体的实时可操控性），构想性（Imagination）――虚拟现实技术具有广阔的可想像空间及环境。虚拟现实强调了在虚拟系统中的人的主导作用，实时交互性是虚拟现实技术最本质的特征和要求之一，也是虚拟现实技术的精髓。

虚拟现实技术开始于军事领域的需求，现在已开始从高端领域全面走向专业应用领域，在娱乐、教育、艺术方面的应用占主流，发挥的作用也越来越大。

2 虚拟现实技术在医学教育中的应用

虚拟现实技术正在广泛地应用于各个领域，在医学领域的应用备受关注。

国外的起步较早，美国作为虚拟现实的发源地，早在上世纪80年代就进行了人体解剖图像数字化资料研究，90年代末，开展了虚拟解剖学、虚拟放射学、虚拟内窥学等学科的计算机辅助教学。目前，已研制出了人体虚拟解剖，一套完整的人体虚拟解剖系统，学生利用在虚拟的组织和器官问的模拟操作感受触觉反馈，使学生更快地掌握手术要领和技术。从而提高诊断和治疗水平。

我国与国际相比，虽有一定的差距，但目前已引起政府、科技界的高度重视，九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把虚拟现实列入了研究项目。目前，已成为当今最有影响力的高新产业技术之一。国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。从2004年首届虚拟现实峰会举办以来，中国虚拟现实峰会已成为业内具有重要影响力的业内活动。绿色医疗研究院也在2012年的峰会中正式宣告成立，伴随着我国医疗事业和IT技术的不断发展壮大，虚拟现实在医学课堂教学、实验教学、临床培训等领域得到了广泛应用 。采用虚拟现实系统来辅助医学教学，可以使教师与医学学生以三维的形式看到人体结构的形状、位置及器官间的相互空间关系等，从不同角度，真实模拟及分析，从而获得前所未有的直观感受，不仅降低了成本，而且是传统的文字、二维图像、生物标本所不能达到的学习效果。

3 虚拟现实技术在心脏医学教学中的应用与实现

心脏是人体重要器官之一，是一个结构复杂、快速活动的立体器官，一直都是临床医学研究的重点。心脏病很可怕，它限制人的活动、降低生活质量，甚至威胁人的生命。然而更可怕的是人民缺乏对心脏病的认知。虚拟现实技术的发展使得三维虚拟心脏的教学应用成为可能。不仅可以应用于医学学生的教学中，也可以应用在心脏的科普教育中。

虚拟现实在医学教育的应用与实现需要以下几个步骤：三维虚拟心脏的建模、三维心脏模型的表面纹理贴图处理、虚拟心脏动画及交互功能的仿真。

适当动画可以让画面更生动有趣，便于表述心脏的工作及病变情况。用FFD修改编辑器和动画的设计，可以充分体现心脏的跳动过程。完成了对心脏结构及血管系统的可视化处理后，最后将在3DMAX中完成的模型及刚体、柔体动画导入虚拟现实引擎平台，在后期引擎中调整贴图色彩、优化作品，编写交互脚本及交互界面设计，程序调试正常、作品。

用计算机系统可以帮助医学生试验不同的选择，分析病理问题，操作虚拟的心脏模型，不会危害到患者，对心脏的医学教学、病理分析、科普教育起到了一定的辅助作用。

4 小结

本次设计虽然仅仅涉及了心脏结构及心血管方面的虚拟现实应用，取得了较好的效果。下一步，我们将继续研究技术，并结合硬件，融合较完整的心脏病理知识，向临床实践靠拢。在医疗诊断、手术模拟方面进行实践与应用。随着我国医疗事业和IT事业的不断发展壮大，虚拟现实在医学中的应用将更广泛、深入。

虚拟现实技术在医学专业实验教学的应用:虚拟现实技术在医学生物化学实验教学中的应用策略研究

摘 要 新兴的虚拟现实技术应用于生物化学与分子生物学实验教学，将发挥其优势，解决实验教学过程中存在的不足，完善生化实验教学模式，为更好地教与学提供便利。

关键词 虚拟现实；生物化学与分子生物学；实验教学

虚拟现实（Virtual Reality），简称VR技术，也称灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，使其如同身临其境，无限制地观察并感受三度空间内的事物。该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术[1]的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。虚拟现实技术具有的沉浸、交互、构想三大特征[2]，使得虚拟现实技术在教育领域应用有其独特而明显的优势。

虚拟现实作为一种先进的电子信息技术已经深入各行各业中，如在医学领域，虚拟现实方面的研究正在逐步形成，目前相关的研究主要有医学可视化、医学增强现实、医用机器人、手术模拟、图象引导手术、计算机辅助手术等。虽然国内研究者在虚拟现实应用于医学领域中取得大量的成果，但是现有医学虚拟现实方面的研究重点主要在临床诊断、手术等临床应用方面，而在医学教育方面的应用研究尚属少见，已有的研究也多是基于理论方面的探讨或者是只限于针对视觉教学方面的应用。

近年来，生命科学的发展突飞猛进，而生物化学与分子生物学（简称生化）是生命科学的重要基础学科，是医学教育的主干课程，其理论和技术已渗透至基础医学和临床医学的各个领域，是现代生命科学的共同语言[3]。为了使医学生更好地掌握生化内容，本研究主要针对生物化学与分子生物学实验教学理论与实践，在不断摸索过程中探讨利用虚拟技术解决传统实验教学过程中无法解决的难题，进而完善生化分子实验教学模式，为更好的教与学提供参考。

1 虚拟现实技术应用于生化实验教学的原因

1.1 实验教学场地受限的要求

实验教学需要用到的培养室、无菌工作台等因成本问题无法满足教学需求而影响教学质量，这种高成本的实验场地往往少数的学生才能够进入，比如研究生等；本科生的使用几乎少有，除非是特殊情况。如此使我国的本科生实验教学内容限制在只有普通实验可操作的几项内容，而大大影响了本科教育的发展水平。

1.2 实验教学试剂材料的要求

由于某些实验用品，比如氯仿、异丙醇等易挥发且具有毒性，普通的本科教学实验室设备简陋，通风设施不完善，且使用量巨大，如果每一位学生在做实验的时候都用到这些试剂，将会使实验室形成一个有毒气体存在的半封闭环境。这样的环境不利于身体健康，如果教学人员长期接触这种环境，更是对身体有极大伤害。或者是有些实验用品有辐射致癌等，也不利于实验教学使用等。若开发出虚拟现实教学软件，将能够解决这一问题。

1.3 实验教学仪器受限的要求

部分实验内容需使用的仪器非常昂贵，少数的仪器无法满足多数实验学生都会操作的需求，传统的实验教学也因教学经费的限制而对涉及昂贵实验仪器的内容感到无奈，很多教研室的做法是选择忽略不授，严重影响生化教学的质量。这就使学生的知识面得不到扩大，对新技术新知识无法实践和掌握而只停留在了解的层面，从而严重制约我国学生对生化新知识的掌握。

2 虚拟现实技术应用于生化实验教学的优势

沉浸和实时交互要比文字、模型或效果图更形象、完整和生动，它营造了特殊的自主学习环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过与信息环境的交互以获取知识、技能的学习方式，学习知识的过程变化多端，亲身的体验使学生印象深刻，主动地交互增加了学生的兴趣，使学生能动性提高，容易投入到学习环境中去，并且培养了学生自主探索问题的能力和创新能力。

基于虚拟现实技术的生化实验教学不仅解决了传统实验教学无法满足的场地、实验试剂材料以及仪器等对条件要求高而在现实中做不了的，或是危险性高的难题，发展了课堂教学，弥补了教学中的不足；也为学习主体带来了心理上的愉悦和自我满足，增加了学生学习的信心和动力，与虚拟环境零距离的接触使得学习者能以第一人称方式参与知识的建构。

此外，虚拟现实实验教学拥有传统教学难以比拟的优势――节省成本[4]。

3 虚拟现实技术在生化教学中存在的问题

3.1 专业合作以及技术上的问题

生化实验教学和虚拟现实技术软件开发是两个几乎完全不同的研究方向，如何促进两个不同学科研究与教学人员之间的合作和交流是目前亟需解决的问题。此外，虚拟现实实验教学软件的开发环境和语言没有统一的标准，三维建模软件使用十分复杂，并且它们对运行的计算机性能要求很高等问题也是要解决的。

3.2 生化实验教学虚拟现实系统设计和应用问题

软件设计必须考虑到如何让使用者用起来不迷失方向，让使用者知道如何到达一个特定的位置或角度。同时还要考虑到使用者应用教育软件的能力问题。一方面，从教师的角度看，教师角色已发生转变，教师已不再是传统课堂上的传授知识者，他还必须能够会使用并指导学生去使用实验教学虚拟现实软件；另一方面，从学生的角度看，处在虚拟环境中，他们必须改变学习方式，改变思考问题方式，但是很多学生没找到适合这种环境的学习方式和思维方式，造成学生跟不上教师讲解等问题。

3.3 学生对教学软件的认知问题

当学习主体沉浸在一个高分辨率，全景式的虚拟空间中时，其与虚拟环境的距离感觉就会消失，没有了距离，在虚拟“存在”范围内，人的认知机制受到影响，并导致不可低估的认知问题的出现。因为当一个人长期沉浸在一个虚拟的环境中时，再回到现实中，必然会导致他有种“落差”感觉。

4 虚拟现实生化实验教学应用的对策

4.1 加强学科合作和技术研究

创造多渠道多方式，促进生化与软件开发两个学科之间的合作交流；加强更快更高质量的三维建模语言的研究，同时应该加强价格较低、用户界面良好、对编程依赖少的三维建模软件的研发。综合考虑两个学科的内在联系，建立起一套完整的理论，支持虚拟现实技术教育应用达到理想的效果。

4.2 设计和应用要体现以人为本并加强能力培训

使用者在使用虚拟现实技术开发的生化实验教学软件时要做到适用为先，乐用为上，同时要充分考虑到教师和学生的兴趣。此外，应该加强对使用者的能力培训，以便他们能正确地操作这些软件。

4.3 对学习者进行必要的心理辅导

应该积极引导学生把握虚拟和现实的界限，让他们明白使用这些软件的目的是为了习得知识和建构对知识的理解。

5 结语

生物化学是一门以分子水平和化学变化的深度研究生命的科学，内容比较深奥抽象，是一门比较难学的医学基础课。生物化学这门学科的特点是系统性、抽象性、联系性比较强，难度比较大，发展比较快。基于虚拟现实技术在生化教学领域中的应用必将为学习者提供很多独特的机会，使学习者和授业者都享受到其带来的便利。虚拟现实技术作为新型的教育教学媒体和手段，必将以其强大的优势和潜力受到青睐而发挥其更加重要的作用。