朱 利 趙 衛(wèi) （南方醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生與熱帶醫(yī)學(xué)學(xué)院病毒研究所，廣州 510515）
摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因其沉浸感、交互性和構(gòu)想性而成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的創(chuàng)新性做法。本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、特點(diǎn)和分類，說明虛擬實(shí)驗(yàn)室是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的良好方式，并進(jìn)一步闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的常用模式，以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的不足。 關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 應(yīng)用
在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教學(xué)中，對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新素質(zhì)教育的重要手段之一是實(shí)驗(yàn)教學(xué)。目前，高等醫(yī)學(xué)院校學(xué)生人數(shù)大幅度增加，然而實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，致使在教學(xué)中，有的器材長期處于過飽和使用狀態(tài)；而一些昂貴的實(shí)驗(yàn)（如基因工程學(xué)試驗(yàn)）、培訓(xùn)器材，由于受價(jià)格和自然條件等的限制無法普及；有的因其他原因無法購買(比如尸體)，大大影響了醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。為了盡快改善這種狀況，整合醫(yī)學(xué)教學(xué)資源，使學(xué)生獲得最好的學(xué)習(xí)效果，把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是近年來比較創(chuàng)新且有較好實(shí)際效果的做法。 1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、特點(diǎn)和分類 虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual reality，VR）最早起源于20世紀(jì)50年代的美國，發(fā)展至今也還處于不斷探索階段。綜合來說，VR技術(shù)是一種綜合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多種技術(shù)制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級(jí)的人機(jī)交互技術(shù)[1]。虛擬環(huán)境通常是由計(jì)算機(jī)生成并控制的，使用戶身臨其境地感知虛擬環(huán)境中的物體，通過虛擬現(xiàn)實(shí)的三維設(shè)備與物體接觸，從而真正地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互?？梢哉f人處在虛擬環(huán)境之中跟現(xiàn)實(shí)環(huán)境是沒有差別的。 VR技術(shù)的發(fā)展始終圍繞它的三個(gè)特征而前進(jìn)，即沉浸感、交互性和構(gòu)想性。這三個(gè)重要特征與其相鄰近的技術(shù)(如多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)等)相區(qū)別。沉浸感，是指計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界能給人一種身臨其境的感覺，如同進(jìn)入了一個(gè)真實(shí)的客觀世界；交互性，是指人能夠很自然地跟虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互操作或者交流；構(gòu)想性，是指虛擬環(huán)境可使人沉浸其中并且獲取新的知識(shí)，提高感性和理性認(rèn)識(shí)，從而深化概念并萌發(fā)新意。因而可以說，虛擬現(xiàn)實(shí)可以啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。 根據(jù)VR所傾向的特征的不同，目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃樗膫€(gè)層次：即桌面式、增強(qiáng)式、沉浸式和網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)[2]。VR技術(shù)的實(shí)質(zhì)是構(gòu)建一種人能夠與之進(jìn)行自由交互的“世界”，在這個(gè)“世界”中參與者可以實(shí)時(shí)地探索或移動(dòng)其中的對(duì)象。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)是最理想的追求目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)的方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套以及身體部位跟蹤器，通過聽覺、觸覺和視覺在虛擬場景中進(jìn)行體驗(yàn)。桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)被稱為“窗口仿真”，盡管有一定的局限性，但由于成本低廉而仍然得到了廣泛應(yīng)用。增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要用來為一群戴上立體眼鏡的人觀察虛擬環(huán)境，性能介于以上兩者之間，也成為開發(fā)的熱點(diǎn)之一。網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)將分散的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或仿真器通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來，采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，形成一個(gè)在時(shí)間和空間上互相耦合的虛擬，合成環(huán)境，參與者可自由地進(jìn)行交互作用。 2 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)用VR技術(shù)最好的體現(xiàn)就是虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。目前，有關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)室的定義主要有兩種[3]: ①在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等值于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。②一個(gè)創(chuàng)造和引導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)的交互環(huán)境，即實(shí)驗(yàn)場所。它由實(shí)驗(yàn)所依賴的模擬程序、實(shí)驗(yàn)單元、工具和參考資料組成。用戶可以通過增加新的物體，建立新的實(shí)驗(yàn)并把它們轉(zhuǎn)換成超文本文件來擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)室。這兩種定義側(cè)重不同方向，但都指出了虛擬實(shí)驗(yàn)室本質(zhì)是一個(gè)無墻實(shí)驗(yàn)室通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制與交互系統(tǒng)，學(xué)生將不受時(shí)空限制，能隨時(shí)隨地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，共享儀器設(shè)備共享數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)資源，進(jìn)行協(xié)作或得到遠(yuǎn)程指導(dǎo)等。 虛擬實(shí)驗(yàn)室按使用范圍可以劃分為局域網(wǎng)內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)和Internet網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室[4]。局域網(wǎng)內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)室需要有一個(gè)小型局域網(wǎng)和多臺(tái)終端，這樣可保證學(xué)生多人同時(shí)上機(jī)操作，共同學(xué)習(xí)。Internet網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室也稱網(wǎng)上仿真實(shí)驗(yàn)室，網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室基本模式是基于Web的瀏覽器/服務(wù)器(B/S) 計(jì)算模式，Web為網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)提供了一種基礎(chǔ)平臺(tái)，服務(wù)器端通過軟件技術(shù)對(duì)各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行仿真，并接收來自客戶端的實(shí)驗(yàn)操作請(qǐng)求，根據(jù)客戶端不同的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，調(diào)整儀器的狀態(tài)，模擬產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)習(xí)者在客戶端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以放置于服務(wù)器端。為了多人合作實(shí)驗(yàn)過程保持同步，實(shí)驗(yàn)人員可以利用Web途徑進(jìn)行聯(lián)系，服務(wù)器端的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫提供了可以共享的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)方法。網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種異構(gòu)的問題解決環(huán)境，它使得處于不同位置的學(xué)習(xí)者可以同時(shí)對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作。和其他領(lǐng)域相同的是，實(shí)驗(yàn)工具和技術(shù)是獨(dú)立于各自領(lǐng)域的，不同之處在于網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室中操縱的并不是真實(shí)存在的儀器和設(shè)備，而只是以軟件仿真來模擬已經(jīng)存在和使用的設(shè)備。虛擬實(shí)驗(yàn)室要求實(shí)驗(yàn)的參與者共享實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)規(guī)則，這種要求使得它易于在Web上得以實(shí)現(xiàn)。 虛擬實(shí)驗(yàn)室具有智能化特征，無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室上機(jī)操作，完成各種分析測試任務(wù)，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)者的操作水平與實(shí)際能力，不但為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了條件和技術(shù)支持，還可以讓學(xué)生接觸和掌握更多、更新、更好的儀器。虛擬實(shí)驗(yàn)室擺脫了傳統(tǒng)教育如電視錄像、多媒體教室單邊的交互功能，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，緊貼真實(shí)儀器操作，從原理介紹、開機(jī)操作、違規(guī)提示、結(jié)果輸出分析、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢和調(diào)用等一系列手段，讓學(xué)生達(dá)到操作真實(shí)儀器同樣的效果。在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，并非是取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而是作為一項(xiàng)改革和補(bǔ)充。 3 虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用模式 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最大的特征便是身臨其境的逼真度和隨時(shí)隨意的交互性。因此虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)是實(shí)踐性、創(chuàng)造性很強(qiáng)的教學(xué)活動(dòng),教學(xué)方式十分靈活。目前,常用的教學(xué)模式有:情境教學(xué)、模擬仿真教學(xué)和超現(xiàn)實(shí)環(huán)境教學(xué)[5]。 情境教學(xué)法是遵循反映論的原理，充分利用形象，創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的場景，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒，從而引導(dǎo)他們從整體上理解和運(yùn)用知識(shí)的一種教學(xué)法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中虛構(gòu)出一個(gè)逼真的實(shí)境教室，可以引起學(xué)生的親切感和新鮮感，從而調(diào)動(dòng)大腦皮層中的優(yōu)勢興奮中心，提供想象與思維的前提，然后通過老師或者問題設(shè)置引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題做層層深入的思考，挖掘?qū)W生大腦潛在的能量，使他們能在一種輕松愉快的情緒下保持旺盛的學(xué)習(xí)熱情，最終掌握知識(shí)和學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)的能力和方法。這種模式的具體應(yīng)用有人體解剖模擬訓(xùn)練和外科手術(shù)的模擬學(xué)習(xí)環(huán)境[6]。 模擬仿真教學(xué)主要是通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹客觀事物各方面的信息，通過軟件開發(fā)虛擬客觀事物的狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)方式及過程，使得學(xué)生更容易擺脫枯燥的課本說教和計(jì)算機(jī)屏幕冷冰冰的界面，活生生地處在一個(gè)可以由自己控制的環(huán)境里。在學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生通過虛擬實(shí)踐將知識(shí)轉(zhuǎn)化為技能，使其滿足自身的需要。這種模式的具體應(yīng)用如深圳大學(xué)建立的《基因工程學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室》[7]。 盡管虛擬實(shí)踐仍以客觀現(xiàn)實(shí)性為出發(fā)點(diǎn)，但已不再局限于以往實(shí)體環(huán)境中的勞作經(jīng)驗(yàn)，而是把人類積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)融會(huì)到“預(yù)設(shè)”對(duì)象的計(jì)劃或設(shè)想中，經(jīng)過虛擬實(shí)踐綜合的技術(shù)處理，對(duì)大量現(xiàn)實(shí)素材進(jìn)行可控的疊加、分解、重組、試探和驗(yàn)證（這個(gè)過程足以容納從概念、判斷、推理到歸納、演繹的各種感性、知性和理性的認(rèn)識(shí)形式），來尋找和發(fā)現(xiàn)事物各種新的可能性，并展示其接近現(xiàn)實(shí)的真實(shí)圖景。這樣，虛實(shí)兩極就被有機(jī)統(tǒng)一起來，進(jìn)入一個(gè)人－機(jī)交互的境界。超越型是指現(xiàn)實(shí)生活中存在但不能看到的，大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都可以進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察，徹底打破了空間的限制；幻想型是指在現(xiàn)實(shí)中是完全不存在的，如科幻方面等。這種教學(xué)模式在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用較少。 4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足 仿真虛擬實(shí)驗(yàn)快速、方便、簡潔,比較真實(shí)地模擬了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程。但是與實(shí)際實(shí)驗(yàn)手段相比必然存在一定的差異。虛擬技術(shù)的局限性如下: ①缺少“實(shí)物感”。例如常用的手術(shù)器械、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等，在虛擬實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生是“看的到、摸不著的”。②虛擬技術(shù)很難完全反映現(xiàn)實(shí)生物學(xué)的復(fù)雜性。如細(xì)胞培養(yǎng)過程中遇到的污染問題、手術(shù)過程中大出血等，學(xué)生難以積累這方面的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。③在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí),盡管操作正確,但有可能存在不良后果,這些現(xiàn)象在虛擬實(shí)驗(yàn)中絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中問題的檢查和排除可以鍛煉學(xué)生自己分析問題、解決問題的能力,使其實(shí)踐動(dòng)手能力大大提高 虛擬實(shí)驗(yàn)室增強(qiáng)并擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，以前所未有的方式將學(xué)生和實(shí)驗(yàn)儀器聯(lián)系起來，為學(xué)生提供了一種嶄新的實(shí)驗(yàn)方式。在使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的過程中，如果能把模擬的與真實(shí)的相比較，加強(qiáng)學(xué)習(xí)者之間的相互合作，并注重激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣、促使其進(jìn)行探究，那必將會(huì)產(chǎn)生巨大的教育價(jià)值。 參考文獻(xiàn)： [1] 王宇飛. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教學(xué)與管理.2005，1：88－89 [2] 虛擬現(xiàn)實(shí)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢http://www.dpm-time.com/bencandy.php?fid=85&aid=1001 [3] 劉筱蘭，張薇，程惠華，等. 虛擬實(shí)驗(yàn)室的類型及發(fā)展趨勢[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.2004，11：8－10 [4] 石向群，鄔亞華. 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