| 标题 | 陆军军医大学基于VR和AR技术的虚拟仿真实验教学中心建设初探 |
| 范文 | 凌冠华 李云 陈自强 郑然 刘国祥 摘要：研究背景：依据教育部国家级虚拟仿真实验教学中心标准要求，结合陆军军医大学实验教学现有条件。必要性：考虑战场环境模拟和高危实验教学等需要，为达到开放共享的虚拟仿真实验教学平台的建设目标，分析了中心涉及的管理、教学、实训、科研和创新创业等功能模块，详细阐述了展示中心、教学中心和创作中心建设所需硬件条件，研究构设了满足自主学习要求的医学虚拟仿真实训与考核软件资源体系。制度机制：明确建章立制要求，提出资源共享、虚实结合和多方合作的建议，促进中心建设取得实效。 Abstract： Research background： according to standard and requirement of Ministry of Education's National Virtual Simulation Experimental Teaching Center， combine the existing conditions of experimental teaching in Army Medical University. Necessity： considering the needs of battlefield environment simulation and high risk experimental teaching，in order to achieve the construction goal of virtual simulation experimental teaching platform， analyzes the center referred function module of management， teaching， training， scientific research and innovation and entrepreneurship， elaborates on hardware conditions that Exhibition Center， Teaching Center and Creation Center need， researches and designs medical virtual simulation training and assessment software resource system that meets the requirements of independent learning. Institutional mechanisms： defines and puts forward the requirement of establishing rules and regulations， puts forward suggestions such as resource sharing， combination of function and reality and multi-party cooperation， to promote achieve actual effects by the construction of the center. 關键词：虚拟现实；增强现实；虚拟；实验；中心 Key words： virtual reality；augmented reality；virtual；experiment；center 中图分类号：R-1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0252-03 0 引言 医学教育是精英教育，在现代科技飞速发展的形势背景下，生物医学和应用技术紧密结合，医学教育涉及学科不断增多，教育的范围更加扩大，医学将向综合化和专业化发展，更加注重学生的独立判断能力、逻辑思维能力和临床问题处理能力，对实验室操作和临床实践要求更加严格。医学教育往往必须经历大量的验证性实验，提高实验教学效果[1]。陆军军医大学高度重视实验条件建设，实验室和实验教学作为大学创新型人才培养的重要基地和重要环节，需要虚拟仿真实验教学项目，作为临床模拟训练的有效补充；而通过虚拟现实、增强现实等技术，可完成一些高成本、不可逆的实验，破除时间和空间的限制，不断丰富、拓展和完善医学实验教学体系，提升医学人才培养质量。 1 建设背景 为贯彻落实习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示和全国高校思想政治工作会议精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》和《2017年教育信息化工作要点》等相关要求，教育部自2013年开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，军队和地方各高校积极响应，围绕立德树人根本任务，结合实际广泛开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，以现代信息技术为依托，以相关专业类急需的实验教学信息化内容为指向，以完整的实验教学项目为基础，不断探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式。陆军军医大学结合鲜明的军事医学办学特色优势，已建成以基础医学实验教学中心为主干，以学科专业实验室为补充的实验教学体系，软硬件配套完善，传统医学实验教学成效显著。伴随VR（Virtual Reality，即虚拟现实）和AR（Augmented Reality，增强现实）技术的出现，基于VR和AR技术的虚拟仿真教学将医学实验教学环境带入一个全新的领域：VR技术通过计算机模拟真实感的图像、声音和气味等，从而复制出一个真实或者假想的场景，具有沉浸感、假想性和交互性，可以有视觉上、力觉上、听觉上和其他感官上的回馈来增加训练真实性；AR技术通过直接或间接地观察真实场景，计算机生成的图像、声音、视频或其他信息被增强，具有现场感、增强性和相关性。依托VR、AR和人工智能等先进技术，筹建军医大学校级虚拟仿真实验教学中心，可对现有实验教学手段进行有效补充，推进多媒体化、模拟化、网络化实验教学改革，实现硬件条件统建共享，丰富完善信息化实验教学资源。 2 必要性 2.1 战场环境模拟需要 应实战化教学训练需要，卫勤训练需模拟直升机、舰船、救护车等不同转运平台，及高原、海洋、山地、平原等复杂地理环境，创造一流的实战化模拟环境，增强参训人员对野战环境下开展手术和处理复杂伤情的适应能力。 2.2 高危实验教学需要 涉及特殊病毒、放射性物质等危险程度高的实验、核化生损伤及医学救援等不可逆的实验教学需要，对实验教学的严谨性和规范性提出了更高、更准确的要求。 2.3 操作难度大的实验需要 神经外科、心包穿刺等侵入性实验操作难度大的实验，无法在患者身体练习，亟需仿真操作场景的真实再现，通过多人实时共揽和课后复盘，提高了实验教学的精细化程度，解决了常规模拟实验无法触及的医学领域，并能够为学生提供更加精确的智能反馈。 2.4 实验资源节约需要 受制于经费和动物伦理学的实验项目，实验标本紧缺、实验成本较高，具有重复性实验需要，通过基于VR或AR技术的虚拟仿真实验，可实现多次重复练习学习，既保证了实验教学质量，又减少了实验耗材消耗。 3 建设目标 按国家级虚拟仿真实验教学中心的要求，搭建硬件资源集中共享的虚拟仿真实验平台环境，引入各学科专业VR/AR实训资源，建设开放共享的虚拟仿真实验教学平台，建成“三中心、一平台”：即VR/AR的展示中心、教学中心、创作中心和创新平台（含丰富的信息化教学资源），为全校提供优质实验教学资源，推进知识协作共享和产学研创新，推动跨学科资源整合、师生创新实践和成果转化，培养输出与时俱进的高质量复合型医学人才。 4 功能模块 校级虚拟仿真实验教学平台涵盖管理、教学、实训、科研和创新创业等模块，具体内容见图1。 5 建设内容和布局 平台建设内容包括硬件环境建设和软件系统资源构建。硬件环境可一次性搭建完成，满足长远建设发展需要，软件系统资源根据专业特点作模块化设计，分期分步组织实施： 5.1 硬件环境 5.1.1 搭建VR/AR展示中心，形成协同工作平台： 一是部署CAVE沉浸式投影或支持3D显示的LED系统，突出展示更加完整、层次感突出的画面，提供沉浸式交互体验； 二是部署红外光学位置追踪交互系统，能实时准确地捕捉目标物体多自由度姿态详细信息，可作为虚拟现实人机交互的外设，进行护理操作、手术动作的精确捕捉，通过部署半实物仿真设备，实现姿态捕捉和运动实物的空间位置实时获取。 三是搭建高性能图像生成及处理系统，融合复杂图形变换和视频图像捕获，在普通PC终端实现视频工作站功能。 5.1.2 建设VR/AR教学中心，集教学、演示及实际操作于一体： 一是建设异地多人协同的虚拟现实教学平台，将高性能计算与先进的可视化管理相结合，做好VR资源共享与信息沟通，实现多人异地协同沟通和“教、学、考、练”环节的全覆盖教学。 二是部署头戴式虚拟现实交互系统，支持多人在同一个虚拟现实场景中的人机交互任务，实现数据协同和实时同步，大大增强即时互动感。基于三维虚拟现实环境变化，做好人-机-环境定量数据（如眼动、脑波、呼吸、温湿度等）同步采集，开展分析评价，为科学研究提供客观数据支撑。 5.1.3 建设VR/AR创作中心，实现模型课件制作和新型材料研究： 一是建設虚拟现实应用开发平台，通过先进的虚拟现实开发引擎，实现零编程基础的程序内容开发应用。 二是建设数字化教学系统，实现基于VR/AR的创作资源的分类上传和分享，方便师生共享已有资源，提高自主化教学能力。 5.2 信息资源建设 根据医学专业教学特点，将各实验室的分散虚拟训练资源基于统一的数据中心，进行资源整合，搭建校级医学虚拟仿真实训与考核资源体系，实现统一身份认证和统一管理，平台要易于扩展，由机能学、临床综合技能、人体形态学、卫生防疫防护、军人作战心理学、检验医学等模块组成，充分应用自主学习及考试系统，开设虚拟实验教学项目，满足PBL教学需要。 5.2.1 机能实验学虚拟训练 为解决实时动物实验操作限制，对实验对象和实验器械建模，进行人机交互的虚拟操作，结合VR环境，方便学生深入实验对象内部，反映动物体内结构信息，同时进行人机交互的虚拟操作，提升学生个性化的自主学习和探究式学习水平[2]。 5.2.2 临床综合技能训练 通过高仿真模拟人与标准化患者结合，依托AR技术，提高临床技能操作训练熟练度和反馈效果。开设临床综合穿刺虚拟教学实验，训练医学生的操作熟练程度，真实体验操作流程，强化操作技能。建立腔镜虚拟仿真教学项目，提供逼真的腔镜训练模式，熟练掌握腔镜基本技巧训练、缝合打结等技巧操作。 5.2.3 人体形态学教学资源 提供基于虚拟现实技术的人体形态学教学资源，全方位观察人体结构，通过控制摄像机进入人体器官内部观察，获得沉浸式3D体验，从宏观到微观、从整体到局部多维度展示人体解剖结构，建立形态认识规律到实践操作的一体化教学。 5.2.4 卫生防疫防护虚拟仿真训练 结合核化生事故医学救援流程，通过对各种军事行动、野外驻训及突发灾害现场和过程的模拟仿真，构建逼真的现场情境，促进训练情境与应急处置紧密结合，改变以往理论与应用脱节、训练与实战脱节的实际问题，实现人机互动、分级处理和考核评估等功能。 5.2.5 军人作战心理素质虚拟现实训练 构建包含聪慧、忠诚、勇敢等模块的刺激库，搭建唤醒度高、反应敏捷、效果逼真的心理刺激场景，实时采集参试者生理指标信息，实现受训者行为记录智能分析、面部表情实时捕捉采集，训练学员对灾害或创伤的应激反应，学习涵盖记忆、心理学、行为生物学等相关救援技能[3]，极大提高战场心理救治训练的科学性。 5.2.6 检验医学仪器虚拟操作 为确保实际操作效果，构建类似真实的实验室场景，依托VR技术模拟逼真的3D仪器设备，仿真操作学习血细胞分析流水线、大型自动生化仪的相关知识，包括仪器质量控制、校准、样本检测等功能，达到熟练掌握仪器的目标[4]。 6 制度机制 6.1 完善规章制度 为促进校级虚拟仿真实验教学中心安全高效运行，按照体系配套、精简管用原则，建立健全项目申报、过程监管、质量管控、验收管理等系列制度，完善监察、保障、维护、开放共享等措施办法，实现科学化、精细化和规范化管理。 6.2 建立资源长效共享机制 依托陆军军医大学智慧校园工程，面向全校师生共享开放，深入应用于学历教育、任职教育和科学研究，对接军队网络体系，满足基层官兵远程访问和学习需求，促进医学人才和基层医务人员培养水平的提高。 6.3 虚拟仿真与实训结合 虚拟仿真教学主要起到传统医学实验的补充、拓展作用，要堅持“以虚补实、虚实结合”的实验教学原则，构建现代化虚拟实验教学环境，建设自主可控的医学信息资源及学习考试系统，加深受训者对医学实际操作问题的理解认识，在反复实践中发现和解决问题，培养学员综合创新能力。 6.4 建立校-企-部队合作机制 围绕虚拟仿真实验教学手段，借助与企业合作开展装备研制、与部队合作进行信息化训练系统建设之机，推进院校-企业-部队多方合作，完善激励共赢机制，根本上提高基层部队战救训练水平，成为战斗力生成转化条件，建成军民融合发展的典型示范[5]。 参考文献： [1]刘卓慧，龙瑞清.新时期医学教育时代特征和主要特点及发展趋势[J].课程教育研究，2017（45）：241. [2]袁艺标，周红，高兴亚，戚晓红.机能实验学基本操作虚拟平台的建设[J].中国病理生理杂志，2013（10）：1914. [3]卢长伟，郭继卫，吴昊，吴强，郭海涛，汪鹏，黄河清.国家级灾害医学虚拟仿真实验教学中心的构建[J].中华医院管理杂志，2016（4）：305-309. [4]亓涛，童晓文，张继瑜，李海侠，裘宇容，王前，郑磊.虚拟仿真教学在医学检验技术教学中的应用[J].中华检验医学杂志，2015（10）：716-718. [5]黄坪，邓峰美，冯军，潘克俭.利用虚拟仿真实验促进本科教学[J].重庆医学，2016（19）：2720-2722. |
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