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基于角色和智能体的护理基本技术虚拟仿真教学系统设计与应用

范文

龙艳军吴敏

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?介绍虚拟仿真技术在护理教学中的应用现状，通过引入智能控制技术自主设计与开发护理基本技术虚拟仿真教学软件，利用3ds Max、Unity3d等技术，构建护理虚拟仿真教学情景，模拟典型的临床工作过程和工作任务，学生以角色扮演的方式参与学习，同时应用行为树技术，将场景中的非玩家角色赋予智能。实践表明，该模式可有效地激发学习者的学习兴趣和学习参与度，提高教学质量。

[关 ? ?键 ? 词] ?Unity3d;行为树;护理技术;虚拟仿真

[中图分类号] ?G712 ? ? ? ? [文献标志码] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? [文章编号] ?2096-0603（2019）30-0075-03

随着计算机软硬件技术的飞速发展，使用计算机模拟现实环境成为可能。同时，随着控制理论的发展，智能控制技术正逐步取代传统的控制手段。这些技术的进步解决了早期限制虚拟实验室发展的技术瓶颈，使虚拟实验室开始具备了仿真能力，在普通高校的教学领域得到普及，并一跃成为当前国内外研究的热点。在护理教学领域，学者对虚拟仿真技术应用于教学进行了有益的尝试，如杨文晴等人[1]将洗胃术的虚拟仿真系统应用于临床技能实训教学，对其应用效果进行评价，效果满意。聂立婷等人[2]开发导尿术虚拟仿真教学项目，并将其应用于护理实验教学中，通过将实验组和常规教学组比较，采用虚拟仿真教学能显著提高导尿术操作成绩。廖莹等人[3]将虚拟仿真技术应用到口腔专科医院新入职护士岗位培训中，能提高新入职护士的口腔临床技术操作配合能力，达到了更快地适应临床工作的需求。目前虚拟仿真技术应用于护理教学的教学系统虽然能得到教师和学生的欢迎，但也存在流程固化、应用不够灵活等问题，导致学生学习兴趣不足、参与度不强。为此，本研究借助于游戏开发元素，引入行为树技术，为场景中的角色赋予智能，以期提高学习者的学习兴趣和学习参与度。

一、护理虚拟仿真在护理教学中的重要意义

（一）合理分配实训时间，有效弥补护理技术实践教学条件的不足

在计算机系统中构建护理基本技术实验实训教学平台，按照医院真实环境设计护理基本技术实验实训，以任务情境设计网络虚拟、仿真互动基本护理操作工作过程;以案例情景设计提出工作任务、开展工作过程，在虚拟场景中演练护理基本技术，使每个学生都能反复模拟临床护理岗位工作过程和典型工作任务，获取与临床护理实践一样的实训效果，提高学生的实际操作能力，弥补实践教学条件的不足。

（二）突破时空的限制，可实现反复的、无障碍的情境式教学

根据护理基本技术的教学内容，创设学习情境和以解决问题、完成任务为主的多维互动式教学理念，学生以角色扮演的形式在虚拟的情境中进行探究式学习，使学生处于积极的学习状态。通过应用该系统，可彻底打破时间和空间的限制，可反复组织多次实践教学，还可深入到现实世界无法观察的物体内部进行实验，从不同角度展示任意时间段实验进展情况或实习阶段的场景。

（三）有利于增强实训的安全性，节省实验实训成本，实现“零”消耗

护理基本技术中的许多操作都需要在真人身上练习，如各种注射法、鼻饲法等操作，由于学生相关知识学习及操作熟练程度不够，会不同程度造成用物污染或针刺伤，同时耗材产品质量良莠不齐，可能会让学生存在安全隐患。护理抢救技术中需要借助于高仿真心肺复苏模拟人及心电监护等急救设备，在这些实验设备上让学生反复练习、考试，这些实验实训设备价格昂贵、损耗大、成本高，而计算机网络中的虚拟实验室的仪器设备、原器件或材料只是“概念”上的损耗，可自动修复或产生，因而它们能无限重复使用，在经济上几乎不再需要支出，即可实现“零”消耗，同时避免了实训污染，减少了“医用垃圾”。

（四）有利于提高教学效果，实现教育教学资源的共享

传统的带教式护理基本技术实验实训教学，实验指导教师不能及时有效地对每个学生进行交流与反馈，难以激发学生潜在的学习动机和兴趣，教学效果难以满足临床岗位的需要。虚拟实验实训教学系统创设了生动、直观、动态的学习情境，为学生提供了系统的、更为广阔的学习空间;在护理实训操作中，实训路径的多样性，融入的声音、图片、动画、视频等多媒体，激发学生的学习兴趣，增强自信力，对提高学生分析问题和解决问题的临床思维能力有很大的帮助;可以有效实现教育教学资源共享，节省大量实验设备设施的重复建设，有利于从整体上改善同类专业的办学条件并提高实践教学水平。

二、主要相关技术

（一）Unity3d

Unity3d是由Unity Technologies开发的次世代多平台的交互式引擎，能创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型的互动内容，Unity3d提供了一個功能非常强大的编辑器，可方便地搭建互动内容，该编辑器可运行在Windows和MacOSX下，一次开发，互动内容可发布内容至多种平台。Unity3d支持C#、JavaScript和Python三种编程语言，本文使用C#语言进行虚拟仿真教学系统的设计与开发。

（二）行为树

行为树（Behavior Tree）[4]是一种树型的数据结构，任务是行为树的基本元素，用来描述行为的逻辑。在行为树中，任务也是节点，通常为顺序节点、选择节点、条件节点、行为节点，每个智能体逻辑用一棵行为树表示，执行顺序是从根结点开始，执行每个智能体逻辑，然后遍历执行整个行为树。

通过把行为划分为多个层级，在较低层级的行为能够进行组合，成为较高层级的行为，行为树归属于决策系统。通过行为树，能够非常容易实现智能体执行预想的行为逻辑，相比其他的决策系统（有限状态机），由于行为树的层次分明，容易模块化和进行复用，在实际应用中行为树程序一般都是采用非常方便的图形编辑器来协助开发者简化编程工作，省时、省力且高效。

在Unity3d中，行为树程序一般都是以插件的形式存在于Unity3d编辑器中，比较常用的有React、BD（Behavior Designer）等。

三、护理基本技术仿真教学系统的设计

护理仿真教学系统的设计主要包括人物模型、虚拟医院场景的设计，实现了查肝功能、查血常规、查凝血功能和查血清电解质四个虚拟仿真学习模块。学习者以角色扮演的方式在虚拟的医院场景中进行漫游，在虚拟场景中与相应的智能体（虚拟医生、虚拟病人等）进行交流、对话，对相关仪器、设备进行操作，辅助学习者完成给定有关的学习任务，获取有关信息与资料，进行知识建构。

（一）人物模型的设计

人物模型主要有角色和智能体两个部分，角色主要是指虚拟护士，智能体主要是指虚拟医生、虚拟病人。

人物模型的建模方法是，首先利用3ds Max建模软件，构建出虚拟护士、虚拟医生和虚拟病人的模型，然后利用photoshop软件绘制好护士、医生、病人模型的贴图并贴在模型上，构建出护士、医生和病人的虚拟形象，如图1中左为虚拟护士的模型，右为虚拟护士的贴图。

角色和智能体动画部分的制作是利用3ds Max的bip骨骼功能，通过将模型绑定好bip骨骼，然后就可以移动、旋转角色的相应部分来进行编辑角色的各种动画。其中角色动作编辑的工作量较大，如人物的行走、躺下、哭、笑等动作，编辑起来费时费力，而且容易出错。因此，为了提高动画制作效率，可借助Kinect动作捕捉设备，将绑定好bip骨骼的模型，导入iClone7环境下对虚拟角色的动作进行编辑，通过Kinect捕捉各种动画，修改后再导到Unity3d游戏引擎中进行调用，虚拟的护士即为学习者的虚拟化身，智能体即为虚拟医生、虚拟病人。

（二）虚拟医院场景、医学仪器与设备的设计

虚拟医院、医学仪器与设备的建模，由于涉及的物件较多，而且有些仪器设备模型比较复杂，建模的工作量很大，没有专业的建模团队会严重影响开发的进度。在Unity3d的官网提供了一个资源仓库（Asset Store），包括大量的模型资源，其中就有非常丰富的医学类模型，如虚拟医院、虚拟医疗设备等模型，而且价格也比较便宜，因此本项目中使用到的虚拟医院、虚拟医疗设备的模型采用购买的形式取得，极大地加快了项目的开发进度。

（三）基于行為树的智能体设计

本系统对智能体的研究，主要是仿真虚拟医生、虚拟病人，让智能体能够接受环境信息并做出相应的动作，能和学习者的虚拟化身交互（虚拟护士）等。在Unity3d开发环境中，Unity3d把虚拟环境中的所有事物抽象为统一游戏对象类型，即GameObject（游戏对象）。通过将每一个事物设定为GameObject的一个实例对象，每一个GameObject可以绑定任意一个Component（组件），因此Unity3d组件式的架构能够比较容易地满足虚拟智能体架构的设计需求。

以虚拟病人做凝血功能检查为例，进行智能体的行为树设计图，如图2所示：

四、护理基本技术虚拟仿真教学系统的应用

我们将开发好的护理技术虚拟仿真教学系统在2018级三年制护理专业所有的班级教学中进行应用，系统将真实的医院情景虚拟化，通过模拟典型的工作任务和工作过程，学生以角色扮演（虚拟护士）的形式参与其中，学生在虚拟的环境中探究，完成系统设置的一个个任务和练习，同时虚拟病人具有一定的智能性，能够主动地和角色进行交互，极大地提升了学生的学习兴趣和学习参与度，图3中左图为虚拟病人与角色（用户化身）进行交流对话的过程，右图为学习者（用户）需要完成的与工作任务相关的内容。

本系统利用Unity3d和行为树技术构建3D的虚拟仿真医院情境，为虚拟角色赋予一定的智能，让学习者在学习的过程中不再孤独，采用行为树技术构建智能体，具有较高的智能，使角色与智能体的交互过程中不被预测，有效提升了学习者的学习兴趣和学习参与度。本系统智能体的行为树设计目前还较为简单，可以根据实际工作中的情景丰富行为树的内容，让智能体更加智能，这是本系统今后努力的方向。

参考文献：

[1]杨文晴，周谊霞.洗胃术智能训练系统在护理临床技能实训中的应用[J].护理研究，2018（10）：3252-3255.

[2]聂立婷，殷秀敏，徐奇，等.导尿术虚拟仿真教学项目的开发及应用[J].护理学杂志，2019（1）：66-70.

[3]廖莹，文学锦，黎晔，等.虚拟仿真实训教学模式在口腔专科护士岗前培训中的应用[J].护理学杂志，2017（3）：81-83.

[4]郝运.行为树驱动的人工智能决策模式设计与实现[D].沈阳：中国科学院沈阳计算技术研究所，2018.

◎编辑赵瑞峰

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