龔璐璐 史晗溪 張成偉 郭洋洋 劉新蕾

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?虛擬現(xiàn)實技術(shù)已逐漸被引入課堂與實踐教學(xué)中。在原有教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為驅(qū)動，利用先進信息化技術(shù)，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立虛擬仿真實驗室，搭建醫(yī)學(xué)圖像三維重建教學(xué)輔助系統(tǒng)，以改革教學(xué)模式和創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式為宗旨，在生命科學(xué)相關(guān)課程計算機輔助醫(yī)學(xué)中進行了創(chuàng)新實踐。結(jié)果表明，新教學(xué)模式有效解決了該類課程面臨的教學(xué)內(nèi)容陳舊和與社會對創(chuàng)新人才需求不匹配的問題，顯著激發(fā)了學(xué)生了解和探索生命規(guī)律的興趣，為交叉學(xué)科課程建設(shè)提供了新思路。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?“互聯(lián)網(wǎng)+”;虛擬現(xiàn)實技術(shù);醫(yī)學(xué)圖像;計算機輔助醫(yī)學(xué);教學(xué)輔助系統(tǒng)

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2021）06-0062-02

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)越來越多地應(yīng)用到高校教學(xué)中，推進了高校教育向“互聯(lián)網(wǎng)+”模型轉(zhuǎn)變，從而進一步提高了學(xué)生的社會責(zé)任感，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)能力。但該技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)尚未形成完整的理論體系和具有良好可操作性的模式，實施過程中會有一定的問題出現(xiàn)，如學(xué)生由于知識結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗缺失導(dǎo)致的強烈挫敗感，學(xué)生知識體系不系統(tǒng)，教師主導(dǎo)地位嚴重缺失等。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)外教育領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）又稱為人工現(xiàn)實，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也叫作臨境技術(shù)，由美國VPL Reacher公司的Jason Lanier于20世紀50年代提出，主要是運用計算機及其高端技術(shù)產(chǎn)生一種虛擬環(huán)境，并借助輸入設(shè)備進入虛擬環(huán)境，以再現(xiàn)事物的真實細節(jié)和展示事物的生動性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是綜合利用圖形圖像學(xué)、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種技術(shù)制造出一種具有多種感官刺激的、實時的模擬環(huán)境，使用戶可以身臨其境地感知和操作虛擬世界中的對象[1，2]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)已從美國逐漸拓展到英國、日本等國家，日本還開發(fā)出了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姿勢識別系統(tǒng)[2]。美國弗吉尼亞大學(xué)則在1989年提出了虛擬實驗室這一概念[3]。我國于20世紀80年代開始研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)[4]。部分高校也投入大量的人力、物力建設(shè)了虛擬仿真實驗中心，如廈門大學(xué)于2004年建立了虛擬現(xiàn)實實驗室，探索了虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)[3]。重慶師范大學(xué)采用Quick Time VR技術(shù)建立了虛擬仿真實驗室，從而實現(xiàn)了對一畸形胎兒標本的全方位觀察[5]?？哲娽t(yī)科大學(xué)將數(shù)字化虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)引入胚胎學(xué)教學(xué)中，解決了胚胎學(xué)平面教學(xué)講解難度大的問題，提高了學(xué)生的實踐能力[6]。中南大學(xué)已應(yīng)用Unity 3D等軟件建立了虛擬仿真實驗室，設(shè)計了光柵光譜虛擬仿真實驗系統(tǒng)，節(jié)約了成本，提高了實驗教學(xué)的效率[7]。

綜上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和教育的融合已經(jīng)成為高校教學(xué)的一個重要趨勢。利用信息化技術(shù)進行教學(xué)改革以培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)新型人才仍處于探索階段。本項目擬在原有的教學(xué)經(jīng)驗和人才培養(yǎng)模式的基礎(chǔ)上，進行教學(xué)模式的改革，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于構(gòu)建醫(yī)學(xué)圖像三維重建教學(xué)輔助系統(tǒng)。本文總結(jié)了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建計算機輔助醫(yī)學(xué)圖像三維重建教學(xué)輔助系統(tǒng)的實踐效果。

二、應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建醫(yī)學(xué)圖像三維重建教學(xué)輔助系統(tǒng)的教學(xué)模式的優(yōu)勢

（一）將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像虛擬仿真教學(xué)輔助系統(tǒng)的搭建

以往醫(yī)學(xué)圖像3D建模的教學(xué)是以學(xué)生各自分別建立三維模型為主，其結(jié)果是模型都是孤立存在的，學(xué)生之間沒有交互，學(xué)生之間的模型也沒有通用性。本項目擬利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性等優(yōu)點，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像3D建模的教學(xué)中，建立教學(xué)輔助系統(tǒng)，能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

（二）基于建構(gòu)主義理論，學(xué)生分組構(gòu)建3D場景的人體模型，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性

傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師對學(xué)生3D建模過程給予過多指導(dǎo)，很容易讓學(xué)生產(chǎn)生依賴感，因此建模的結(jié)果往往不盡如人意。而在建構(gòu)主義模式下，學(xué)生是任務(wù)完成的主體，不僅3D模型的建立需要依靠自己的努力，而且知識體系的構(gòu)建也是學(xué)生自主學(xué)習(xí)完成的，因此可以顯著地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性。

（三）用VR實現(xiàn)對人體3D模型的拆卸和裝配，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)能力

目前部分虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是以學(xué)生進入虛擬環(huán)境多角度觀察為主，并不能過多地操作。本教學(xué)模式讓學(xué)生上傳自己建立的3D模型到虛擬仿真教學(xué)輔助系統(tǒng)中，并且自主裝配系統(tǒng)中原有的模型和學(xué)生自己建立的模型，讓學(xué)生體驗了模型的真實感及建模過程的參與感，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)能力。

三、應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建醫(yī)學(xué)圖像三維重建教學(xué)輔助系統(tǒng)的教學(xué)模式

（一）搭建醫(yī)學(xué)圖像虛擬仿真教學(xué)輔助系統(tǒng)

本教學(xué)模式選用國內(nèi)外主流的Unity 3D和3D Max作為開發(fā)軟件搭建醫(yī)學(xué)圖像虛擬仿真教學(xué)輔助系統(tǒng)，該類技術(shù)具有自身提供腳本語言支持以及能快速簡潔地生成對話式的3D作品的特點。

虛擬仿真教學(xué)輔助系統(tǒng)包括3D人體模型學(xué)習(xí)模塊和虛擬仿真模型模塊兩部分。其中，3D人體模型學(xué)習(xí)模塊包括讓學(xué)生自主獨立學(xué)習(xí)的視頻、文本、教學(xué)文件等;虛擬仿真模型模塊可以讓學(xué)生上傳3D模型，選用系統(tǒng)中原有的模型，進行拆卸和裝配等操作。

（二）實施學(xué)生分組構(gòu)建3D場景的人體三維模型的教學(xué)模式

本教學(xué)模式將一個整體項目分解成幾個小任務(wù)（模塊），讓學(xué)生分小組完成某一具體任務(wù)，完成圖像處理或三維模型構(gòu)建。

以大腦灰質(zhì)和白質(zhì)三維建模為例，按三個階段來進行：①構(gòu)思和分析階段：學(xué)生需對圖像進行分析，即采用何種情景最有利于建立三維模型，圖像邊界是否清晰，是否需要手動分割等;②任務(wù)實施階段：學(xué)生進行圖像的分割和三維重建，創(chuàng)建3D場景，導(dǎo)入模型，對模型進行烘培、紋理貼圖等設(shè)置，使模型達到真實逼真的效果;③反饋、評價和總結(jié)階段：任務(wù)完成后，小組內(nèi)部要對項目進行總結(jié)和反饋，各小組之間還要把三維模型展示出來，由其他小組對三維重建結(jié)果及模型通用性和可操作性等進行評價。

（三）以VR技術(shù)實現(xiàn)學(xué)生對人體模型的全方位觀察和操作

教學(xué)過程中讓學(xué)生在虛擬環(huán)境下處理醫(yī)學(xué)圖像，建立人體組織器官三維模型，以及將模型各零部件拆卸或裝配，學(xué)生可以立體直觀地觀察人體器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)和位置毗鄰關(guān)系，還可以按照自己的想法對人體組織器官三維模型進行自主控制、旋轉(zhuǎn)、拆卸和組裝。學(xué)生可以通過鼠標控制模型的移動以及進行裝配，實現(xiàn)如同現(xiàn)實世界的模型裝配。學(xué)習(xí)不僅局限于學(xué)校課堂，學(xué)生在校外也可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)對模型進行查看和操作，實現(xiàn)移動學(xué)習(xí)。教師讓學(xué)生對先進的“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下的信息技術(shù)充滿好奇，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，這也是當(dāng)今社會多元智能的發(fā)展趨勢。

（四）搭建個性化教學(xué)反饋子系統(tǒng) ——運用“互聯(lián)網(wǎng)+”、微信群建立快速反饋機制

教學(xué)中以學(xué)生實際需求為中心，結(jié)合學(xué)生常用的網(wǎng)絡(luò)社交方式，搭建微信群教學(xué)反饋子系統(tǒng)，進行師生互動。充分利用微信群使用方便的特點，學(xué)生可提出問題、想法和建議，教師對學(xué)生提出的問題及時進行解答回復(fù)，其他同學(xué)也可以分享問題和答復(fù)結(jié)果。本教學(xué)模式以學(xué)生為教學(xué)過程的中心，授課教師成為組織者和引路人。

四、應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機輔助醫(yī)學(xué)課程中實施的效果及評價

本教學(xué)模式實施后，學(xué)生可以獨立進行醫(yī)學(xué)圖像處理，如圖1，經(jīng)過均衡化處理得到更加清晰的圖像。

該課程的成績評定采用“總評成績=平時成績×40%+期末成績×60%”的計算公式。期末考核時，學(xué)生以PPT形式對實踐結(jié)果進行匯報，其本人自評及其他同學(xué)根據(jù)該同學(xué)PPT匯報進行評價占期末成績的50%，任課教師對每個同學(xué)實踐結(jié)果完成情況進行評定占期末成績的50%。此外，部分選修本課程的同學(xué)也積極申請并完成了同濟大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實踐訓(xùn)練計劃（Students Innovation Training Program， SITP）。

在計算機輔助醫(yī)學(xué)課程中實施本教學(xué)模式后，調(diào)查反饋表顯示80%學(xué)生喜歡該教學(xué)模式，并對課程進一步改進提出了建設(shè)性的建議。

五、總結(jié)與討論

基于VR技術(shù)的虛擬仿真平臺在教學(xué)中靈活性大，有助于培養(yǎng)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。用VR模擬代替3D打印實物的模型，還能很好地解決3D打印設(shè)備有限、打印時間長的問題，節(jié)約教學(xué)成本。該技術(shù)引入高校教學(xué)中還處在起步階段，目前問題主要集中在高校教學(xué)體系中VR技術(shù)的功能沒有得到全面的應(yīng)用。該教學(xué)模式實施的優(yōu)勢在于，教學(xué)過程中將虛擬現(xiàn)實引入課堂，引導(dǎo)學(xué)生以小組討論和分工合作實踐的形式完成學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的想象力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，使學(xué)生進行了創(chuàng)意構(gòu)思，完成了實體模型的創(chuàng)作，實現(xiàn)了理論的可視化。本研究的教學(xué)模式幫助學(xué)生更好地形成和完善自己的知識體系，培養(yǎng)了學(xué)生獨特的創(chuàng)新思維，促進了創(chuàng)新型人才的成長，建議在同類課程中進行推廣。

參考文獻：

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[7]劉釗，徐富新.基于Unity 3D的光譜實驗教學(xué)系統(tǒng)研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2019（6）：1-7.

編輯 李 爭

①基金項目：2019—2020年同濟大學(xué)教學(xué)改革研究與建設(shè)項目——子項目“應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建醫(yī)學(xué)圖像三維重建教學(xué)輔助系統(tǒng)”;同濟大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實踐訓(xùn)練計劃（SITP）“應(yīng)用遺傳算法基于CT圖像尺骨冠狀突骨折快速三維重建及3D打印”;同濟大學(xué)SITP大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“應(yīng)用遺傳算法進行醫(yī)學(xué)圖像分割的研究”及“應(yīng)用聚類算法進行腦核磁共振圖像分割的研究”。

通訊作者：龔璐璐（1975—），女，漢族，四川安岳人，博士，同濟大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：生物力學(xué)。