黃啟川 王金花 馬卓飛等

摘 要：文章簡單闡述了實(shí)體教學(xué)模型虛擬數(shù)字化應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)的實(shí)踐意義和實(shí)現(xiàn)基本途徑，并結(jié)合實(shí)例介紹實(shí)現(xiàn)實(shí)體教學(xué)模型的仿真效果，以及制作產(chǎn)品整合展示的專題網(wǎng)站，從而達(dá)到在信息教學(xué)環(huán)境下方便師生課內(nèi)外瀏覽，通過虛擬教學(xué)模型促進(jìn)學(xué)生了解人體或人體器官的結(jié)構(gòu)、形狀和特征。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)；教學(xué)模型；3D模型

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1673-8454（2015）12-0082-03

一、引言

民族醫(yī)學(xué)院?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)傳統(tǒng)的媒體教學(xué)方式多以文字、圖片、聲音或視頻資料出現(xiàn)，必要時加以課堂展示醫(yī)學(xué)實(shí)體模型，滿足教育課堂的需要。而傳統(tǒng)的教學(xué)模型具有價高、易損、不便攜帶、不能修改、同規(guī)格模型數(shù)量少等不足，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合多媒體技術(shù)建立基于三維技術(shù)的虛擬模型資源，則可以克服傳統(tǒng)教具的一些缺點(diǎn)。因?yàn)閷?shí)體模型虛擬化采用了三維數(shù)字化技術(shù)、高分辨顯示的科學(xué)可視化技術(shù)，能夠在常見的顯示器屏幕呈現(xiàn)逼真的虛擬場景，并能使用戶與場景進(jìn)行實(shí)時交互，感知和操作虛擬對象，成為現(xiàn)有教學(xué)模型較好的輔助資源新形式，使學(xué)校的實(shí)體教學(xué)模型分別存在于現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)的有機(jī)融合[1]，互為補(bǔ)充，各自發(fā)揮優(yōu)勢。我們進(jìn)行初步研究和探索的教具涉及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的多門課程，包括人體解剖學(xué)、組織學(xué)與胚胎學(xué)、病理學(xué)、口腔組織病理學(xué)、民族民間醫(yī)療技法，在此簡要介紹教學(xué)模型三維虛擬化的必要性、一些實(shí)例和做法，希望有一定的借鑒作用。

二、教學(xué)模型資源三維虛擬數(shù)字化實(shí)踐意義

首先，可以在教學(xué)使用中部分取代實(shí)物模型，從而消除了實(shí)物模型因體積或重量造成的攜帶不便的缺點(diǎn)。另一方面，傳統(tǒng)的實(shí)物教學(xué)模型隨著時間推移而逐漸老化、變色并且不能夠修改，把這些實(shí)物模型仿真現(xiàn)實(shí)數(shù)字化是科技時代不斷進(jìn)步的需要。虛擬模型還可以起到保存部分稀缺資源的作用，如人體胚胎發(fā)育標(biāo)本，當(dāng)前購買的途徑越來越少，通過三維虛擬處理可以延續(xù)發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

其次，醫(yī)學(xué)教學(xué)虛擬模型可以載入網(wǎng)絡(luò)，改變以往課本上只是平面圖片模型圖的單一學(xué)習(xí)媒體，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模型的局限，擴(kuò)展模型教育活動空間，對提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和自學(xué)能力有很大的幫助。虛擬模型有生動的三維表現(xiàn)能力、更強(qiáng)大的交互能力，可以極大地促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，從而為場景式教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)等教學(xué)改革提供一個非常好的教學(xué)內(nèi)容展示形式[2]。

再次，結(jié)合民族醫(yī)學(xué)院校的教育條件，開展教學(xué)模型資源三維虛擬數(shù)字化實(shí)踐，進(jìn)行教育資源本地化建設(shè)，挖掘本土潛力，更好發(fā)揮本土資源優(yōu)勢也是很有意義的。3D技術(shù)是近十幾年來興起的新媒體資源，尚未十分普及，學(xué)校的技術(shù)環(huán)境滯后于時代，因此，我們開展教學(xué)模型資源三維虛擬數(shù)字化的實(shí)踐與應(yīng)用，有利于擴(kuò)展學(xué)生的技術(shù)視野與經(jīng)驗(yàn)， 接觸逼真體驗(yàn)和基于自然的人機(jī)交互，有益于他們未來對現(xiàn)有基礎(chǔ)的超越與創(chuàng)新，也為今后教育技術(shù)研究工作做些有益的探索。

三、教學(xué)模型資源三維虛擬建模技術(shù)實(shí)例設(shè)計(jì)與建設(shè)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前應(yīng)用于教學(xué)模型的三維虛擬場景可視化制作技術(shù)逐漸增多，最終主要有WRL、FLASH等格式和JAVA環(huán)境應(yīng)用格式，這些格式都很方便在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用共享。

而虛擬現(xiàn)實(shí)三維建模技術(shù)中，主要有基于幾何模型的三維建模技術(shù)和基于圖像的三維建模技術(shù)兩種。基于幾何模型的建模技術(shù)是以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)，用多邊形構(gòu)造虛擬對象三維幾何模型，然后進(jìn)行紋理映射、模型的可見消隱和控制參數(shù)的設(shè)定等?；趫D像的建模技術(shù)是利用照相機(jī)采集的靜態(tài)圖像或攝像機(jī)采集的動態(tài)圖像作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像處理生成仿真的三維模型。此建模方法需要高性能的照相與攝影裝備，比較適合于真實(shí)自然場景的仿真[3]。

案例一

利用三維建模軟件3DMAX和VRML語言完成虛擬胎兒期（人體發(fā)生第4～8周）圓柱體胚體的設(shè)計(jì)實(shí)例，其交互性及沉浸性有利于學(xué)生從各個角度觀察和學(xué)習(xí)。具體的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)途徑如下：

（1）利用3DMAX制作管狀體3個，為使它們能互相包含，注意各個管狀體的內(nèi)徑和外徑高度的設(shè)置輸入數(shù)值有機(jī)銜接，分別輸出為WRL格式的三維部件。

（2）在VrmlPad編輯軟件中引用調(diào)入上一步生成的WRL格式部件，并調(diào)整好三者的位置關(guān)系。

（3）在VRML編輯工具中找到中小管狀體，分別增加PlaneSensor節(jié)點(diǎn)，結(jié)合translation_changed事件，調(diào)整并測試對應(yīng)管狀體，用鼠標(biāo)拖拽被感應(yīng)的管狀體時的移動范圍，最終形成整體結(jié)構(gòu)和操作具有一定教學(xué)內(nèi)容意義的模型（見圖1）。

案例二

基于圖像的建模技術(shù)生成WRL格式的虛擬場景。由于實(shí)際的教學(xué)實(shí)體模型很多是非對稱結(jié)構(gòu)的，需要綜合應(yīng)用一些3D建模軟件開發(fā)制作。

（1）使用數(shù)碼相機(jī)抓拍物體、人物或場景，利用類似PhotoModerler Pro之類軟件將照片轉(zhuǎn)換成初步的三維模型（見圖2）。

（2）在對模型有了整體的了解之后，借助強(qiáng)大的3DMAX進(jìn)行修改整合完成模型的建設(shè)（見圖3）。注意靈活運(yùn)用3DMAX中的基本幾何體建模、擴(kuò)展幾何體建模等三維建模技術(shù)[4]。

（3）把制作的3D模型載入三維瀏覽器中（普通瀏覽器安裝如Cortona或BS contact程序插件，或在PPT中的控件工具箱點(diǎn)選BScontactVRML control對象），即可體驗(yàn)生動的三維表現(xiàn)能力和強(qiáng)大的交互能力（見圖4）。

四、實(shí)體教學(xué)模型虛擬化建設(shè)與整合

教師在針對教與學(xué)制定教學(xué)設(shè)計(jì)、選擇教學(xué)資源方面很有發(fā)言權(quán)，所以我們與一線教師主動聯(lián)系，讓他們提供課堂上常用的教學(xué)模型，由我們制作成三維虛擬模型后再交給教師應(yīng)用于實(shí)際課堂輔助教學(xué)，學(xué)生反應(yīng)較好，這也提高了教師的積極主動性，更多的教師參與到項(xiàng)目建設(shè)工作上來，讓項(xiàng)目建設(shè)得以有效持續(xù)開展。另外，整合已經(jīng)建設(shè)的三維模型形成一個專題網(wǎng)站，網(wǎng)站放在學(xué)校中心機(jī)房服務(wù)器，方便師生的瀏覽與調(diào)用，成為師生教學(xué)的輔助資源，也成為教師參加各級教學(xué)課件、軟件比賽交流和撰寫教研論文的特色資源。

例如在整合三維模型網(wǎng)站環(huán)節(jié)，我們結(jié)合360°可環(huán)視FLASH技術(shù)，制作成“實(shí)體教學(xué)模型虛擬館”的新穎虛擬樣式，突出網(wǎng)站虛擬特點(diǎn)，用戶可以自由操縱場景位置并點(diǎn)擊模型圖案進(jìn)入所選模型的三維展示頁面（見圖5）。

五、總結(jié)與展望

虛擬3D模型良好的擬實(shí)性可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)體教學(xué)模型的一些不足，用戶可以通過IE瀏覽器與場景進(jìn)行實(shí)時交互，感知和操作虛擬對象，逼真感受到這些數(shù)字模型教具的存在。通過虛擬場景向?qū)W生提供更為豐富的信息，為學(xué)生營造出形象逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，活躍思維，增強(qiáng)教學(xué)的趣味性和啟發(fā)性，形成有利于知識意義構(gòu)造的學(xué)習(xí)情境，使課堂得到優(yōu)化。

目前本項(xiàng)目的部分成果已初步構(gòu)建原創(chuàng)微3D網(wǎng)站（http：//210.36.228.39/wei3d），以供用戶通過網(wǎng)絡(luò)隨時在線調(diào)用，還分別置入基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的多門精品課程，并發(fā)放給基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)多個教研室的教師近百個三維模型供實(shí)際教學(xué)使用，在相應(yīng)內(nèi)容課件里嵌入項(xiàng)目相應(yīng)的教學(xué)模型虛擬場景，實(shí)現(xiàn)師生對實(shí)體屬性的感受性需求[5]，深受教師和學(xué)生的喜愛。但距離滿足師生對虛擬現(xiàn)實(shí)世界的要求還很遠(yuǎn)，還有許多關(guān)鍵性的技術(shù)需要我們深入學(xué)習(xí)和探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]張立新.兩種世界兩個課堂[J].中國電化教育，2009（6）：7-9.

[2]劉潔，解繼勝，王金花，等.虛擬3D胚胎模型在胚胎學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].解剖學(xué)雜志，2012，35（3）：405-407.

[3]鄧敏，陳海波，黃啟川，等.虛擬3D牙體模型在牙體解剖學(xué)教學(xué)中的探索與實(shí)現(xiàn)[J].解剖學(xué)雜志，2012，35（5）：696-698.

[4]姚念近.機(jī)械制圖課程的虛擬三維教學(xué)模型庫制作[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013（4）：297-298.

[5]馬卓飛，林艷明，蒙縝之，等.民族醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)踐[J].中華醫(yī)學(xué)教育雜志，2013，33（5）：729-731.

（編輯：魯利瑞）