張麗 四川托普信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院

V-Learning下的教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)分析

張麗 四川托普信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院

教育信息化是現(xiàn)代教育發(fā)展的必然趨勢。V-learning視角下，基于VR技術(shù)的教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)運用廣泛。本文簡要分析了教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的概念、開發(fā)方式，并以消化內(nèi)鏡手術(shù)模擬器這一虛擬現(xiàn)實教育系統(tǒng)的開發(fā)為實例進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

V-learning 教育 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

近年來，在以學(xué)生為主體的教育觀念的指導(dǎo)下，越來越多的借助現(xiàn)代化信息技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)的手段被應(yīng)用，其中以E-learning，M-learning的應(yīng)用最為廣泛，并進(jìn)而出現(xiàn)了慕課、微課等新形勢下的教學(xué)模式?，F(xiàn)階段以VR技術(shù)為核心的V-learning教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)，為計算機(jī)輔助教育提供了更加廣闊的前景。

1 V-learning下的教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

所謂V-learning就是借助虛擬現(xiàn)實與可視化技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)建可以真實體驗的與現(xiàn)實世界相似的環(huán)境，調(diào)動人的視覺、聽覺等感官，達(dá)到與虛擬環(huán)境交互的目標(biāo)。它能夠有效改善教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。國內(nèi)外針對虛擬現(xiàn)實在教育方面的應(yīng)用展開了多項研究。比較有代表性的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)院的內(nèi)、外科手術(shù)教學(xué)中。以消化內(nèi)鏡手術(shù)為例，醫(yī)學(xué)院學(xué)生通常通過教師理論指導(dǎo)、手術(shù)觀摩以及模擬操作來進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生的實體感官比較弱。因此可以借助VR技術(shù)形成消化內(nèi)鏡手術(shù)模擬器，幫助學(xué)生模擬真實手術(shù)環(huán)境下的操作過程。

2 教育虛擬現(xiàn)實的開發(fā)方式

教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用是信息化教育革命發(fā)展的必然方向，它以學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)為前提進(jìn)行創(chuàng)設(shè)且開發(fā)受構(gòu)建目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)的約束。教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)主要運用三個關(guān)鍵技術(shù)，分別是動態(tài)環(huán)境建模、3D立體圖像生成以及立體現(xiàn)象和傳感技術(shù)，從而構(gòu)成具有交互能力的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用技術(shù)及硬件的性能，決定教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的體驗效果。一般開發(fā)流程如下：首先要求收集平臺開發(fā)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行整體規(guī)劃和布局，包括系統(tǒng)中應(yīng)使用的圖片、規(guī)劃圖、解說詞等內(nèi)容，以方便后期的成像、實景制作。為了方便操作和應(yīng)用，系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)以分模塊建設(shè)為主。其次，運用3D建模軟件進(jìn)行三維場景建設(shè)，根據(jù)場景需求利用2D圖形繪制軟件制作相應(yīng)的貼圖素材，并按照位置進(jìn)行貼圖調(diào)整，測試光照等效果，使場景具備實感。最后為虛擬交互階段，也就是對前期設(shè)計和素材進(jìn)行編制的過程，導(dǎo)入動畫角色、攝像路徑等，并配合模型、按鈕進(jìn)行鏈接，從而到達(dá)虛擬場景程序與器械實體的統(tǒng)一聯(lián)動。

3 教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)實例分析

醫(yī)學(xué)臨床教學(xué)是最常運用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的教學(xué)科目，目前已經(jīng)開發(fā)的包括眼科手術(shù)模擬器、消化內(nèi)科手術(shù)模擬器等。以消化內(nèi)科手術(shù)模擬器（虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)）為例，進(jìn)行開發(fā)分析。

3.1 教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)需求分析

教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)是以為學(xué)生提供實操體驗為前提的。因此在進(jìn)行消化內(nèi)科手術(shù)模擬器開發(fā)時，要求達(dá)到器械真實、操作手感與臨床手術(shù)感相同，可以在模擬器上進(jìn)行超聲胃鏡、乙狀結(jié)腸鏡檢查及相關(guān)手術(shù)操作。且所有的三維立體形象必須以真實病人的解剖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，包括病變、津液分布等模擬實際情況。同時要求所運用的模擬器械必須為真實的內(nèi)窺鏡手術(shù)專用器械，產(chǎn)生真實的力反饋。另外，為學(xué)生提供足夠多的實操案例，且案例的難度應(yīng)由簡入難，達(dá)到有層次許梿的效果。系統(tǒng)應(yīng)具備輔助指導(dǎo)功能、智能評價功能以及管理功能，以便在規(guī)范學(xué)生操作和評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。除此之外，系統(tǒng)應(yīng)具備可拓展性，要求所有的模塊庫、病例庫可根據(jù)實際需求進(jìn)行升級和拓展。

3.2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件部分主要以體驗實感消化內(nèi)科手術(shù)的模擬器械：如液晶觸摸屏監(jiān)視器、上下消化道鏡頭、導(dǎo)絲及手術(shù)器械等；適用于大教室教學(xué)的外接視接口及設(shè)備；獲得接觸實感的力學(xué)反饋器、腳踏板等；提供穩(wěn)定電源的電源回路。

3.3 訓(xùn)練模塊開發(fā)

根據(jù)消化內(nèi)科手術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)，要求學(xué)生能夠熟練掌握乙狀結(jié)腸鏡檢查、消化內(nèi)鏡朝圣檢查，上下消化道內(nèi)窺鏡檢查以及急性緊急出血情況的操作。因此，在訓(xùn)練模塊開發(fā)時，應(yīng)分別針對上述學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計相應(yīng)的實操情境，從而達(dá)到學(xué)生手眼協(xié)調(diào)，并熟練使用器械進(jìn)行鏡頭定位、上下左右調(diào)轉(zhuǎn)。操作過程中，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)選擇一臺手術(shù)進(jìn)行模擬訓(xùn)練。在系統(tǒng)中調(diào)取該并人的病例，要求學(xué)生在查看病例后，進(jìn)行相應(yīng)診斷，通過錄像功能，記錄學(xué)生的診斷過程。學(xué)生根據(jù)知識判斷選擇合適窺鏡，插入后根據(jù)顯示屏上的模擬影像選擇配套工具開展治療工作。要求學(xué)生對窺鏡操作中發(fā)現(xiàn)的病變部位進(jìn)行拍照記錄，并根據(jù)記錄及操作結(jié)果形成課后反饋。系統(tǒng)設(shè)有互動圖和立體圖兩種成像方式，互動圖為學(xué)生提供實時的窺鏡位置顯示，從而方便學(xué)生快速的掌握窺鏡的定位和調(diào)動技巧。立體圖則能夠使學(xué)生從外圍查看整個消化道的結(jié)構(gòu)，從而能夠在真實解剖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行處置和診斷。另外，當(dāng)學(xué)生操作不當(dāng)時，虛擬病人會模擬真實情景發(fā)出叫聲或不適動作，系統(tǒng)同時向?qū)W生發(fā)出告警信號，并指出學(xué)生錯誤操作的問題，提出合理的解決辦法。系統(tǒng)保留學(xué)生的練習(xí)記錄，指導(dǎo)教師可以通過系統(tǒng)管理模塊調(diào)取學(xué)生的訓(xùn)練影像、成績記錄等，以方便為學(xué)生提供針對性的指導(dǎo)訓(xùn)練。

3.4 教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

與普通的實操教學(xué)相比，教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢：一是教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有極強(qiáng)的真實感和動態(tài)感。也就是說，它能夠?qū)⒃境橄蠛蛷?fù)雜的理論知識內(nèi)容通過真實場景再現(xiàn)的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，使學(xué)生通過眼觀、耳聽、手觸的方式獲得真正的反饋，具有強(qiáng)烈的沉浸感。例如通過消化內(nèi)鏡模擬器學(xué)生可以解釋的掌握窺鏡鏡頭與人體器官的合理間距，當(dāng)出現(xiàn)誤操作時，也可獲得來自虛擬病人的實時反饋。并且基于真實情景模擬時，場景具有動態(tài)性，既虛擬病人的反饋、動態(tài)及病情會根據(jù)檢查、手術(shù)等的時間發(fā)生變化，產(chǎn)生諸如出血、穿孔等動態(tài)性變化病癥。

二是教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以進(jìn)行重復(fù)性的訓(xùn)練，具有高容錯性。一般來講，醫(yī)學(xué)上的臨床練習(xí)是針對真實病人的，但是由于學(xué)生的操作生疏，且可能發(fā)生錯誤，會對病患造成劇烈的身體負(fù)擔(dān)，存在醫(yī)療風(fēng)險。而虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供虛擬病人，并可進(jìn)行反復(fù)的容錯訓(xùn)練，以提升學(xué)生的反應(yīng)速度。

三是教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠有效節(jié)約教育成本，提升教育速率。從一般經(jīng)濟(jì)成本上來講，基于V-learning的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)需要耗費較大的資金，但是從人才養(yǎng)成角度來講，它能夠同時為多名學(xué)生提供實操訓(xùn)練，節(jié)約了時間成本，且有效縮短學(xué)習(xí)曲線，通過一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以完成多個科目的訓(xùn)練，因此從價值比上來說，教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。

基于VR技術(shù)的教育虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，帶來了教學(xué)領(lǐng)域的革命。以消化內(nèi)鏡模擬器為例，它全程實現(xiàn)了可視化的真實場景模擬，為學(xué)生提供了一個安全的教學(xué)環(huán)境。它以學(xué)生的基礎(chǔ)知識水平為前提，學(xué)生全程參與到消化內(nèi)科窺鏡操作、止血訓(xùn)練、病變處理的場景中，是一種可容錯的臨床練習(xí)，免除了醫(yī)療風(fēng)險。除此之外，虛擬現(xiàn)實教育系統(tǒng)已經(jīng)成功運用在導(dǎo)游、工商管理等專業(yè)的實操訓(xùn)練中，且取得了理想的效果。

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張麗，女（1981.9-），四川宜賓人，漢族，碩士研究生，講師，研究方向：圖形圖像，計算機(jī)應(yīng)用。