医学机能学虚拟实验教学系统设计研究

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1、医学机能学虚拟实验教学系统设计研究庄文献1，杨雪1，周玉霞2，程丕显3（1.吉林大学高等教育研究所，吉林长春130012；2.渭南师范学院传媒工程系，陕西渭南714000；3.吉林大学白求恩医学院，吉林长春130012）【摘要】对高校医学机能学实验教学调查发现，存在教学方式和手段落后、教学资源不足等问题，结合虚拟现实技术的特点，提出了设计、开发机能学虚拟实验教学系统的构想，并详细阐述了该系统的总体设计、功能设计及系统的优势。【关键词】机能学实验；虚拟现实；虚拟教学系统【中图分类号】G420【文献标识码】A1引言实验教学对培养学生观察能力、动手能力和创新能力起着

2、至关重要的作用。医学机能学实验的对象是动物或具有生理活性的离体器官、组织标本，实验操作复杂精细，实验难度大；使用示教实验，由于大型仪器数量有限，学生人数多，实验教学效果差；由于实验条件限制，学生没有充足的预习和复习机能学实验的原理、手术操作技术及各种仪器设备的机会[1]。为了解决医学机能实验教学的这些难题，进一步丰富和发展医学机能学实验教学的教学形式和教学手段，提高教学效果，本研究拟设计一个医学机能学虚拟实验教学系统，实现实验教学的多媒体化、微机化，创建激励学生创新的实验教学环境，以期对促进医学机能学虚拟教学方式和手段的改革提供支持。2医学机能学实验教学现状医

3、学机能学实验是一门将生理学实验、病理生理学实验、药理学实验三者有机地结合在一起的实验性学科，它是以实验动物为主要研究对象，通过观察实验动物的基本生理生化反应，研究疾病发生的病理生理学机制，分析其干扰因素的影响或药物作用与效应，学习和验证生命活动的基本规律。[2]调查发现，目前医学机能学实验教学存在着教学方式和手段落后，教学经费紧张等问题。2.1教学方法和教学手段落后医学是一门实践性很强的学科，经过几百年的积累和沉淀，已经形成了较完备的课程体系，但也导致了医学教育手段和教学方法大多还是沿用传统的讲授和演示等。目前，实验课教学大部分以看瓶外标本为主(约占总课程量的

4、60%～70%)，观察瓶装标本和图谱挂图为辅。[3]调查还发现，医学专业教师大都没有接受过师范教育，对教学理论和教学方法了解较少。人本主义思潮的兴起，建构主义理论和后现代课程观被教育界所认同，以学生为主体的接受式学习和探究性学习方式已经逐步代替了教师为主的填鸭式教学方式，现代教学媒体的应用已经引起了教学手段的深刻变革。但是，在医学教育领域，现代教学媒体的应用还处于非常低的层次，使用较多的是多媒体辅助教学。2.2教学资源不足，资源利用率低医学教育招生规模扩大后，由于经费不足、教学资源相对匮乏等因素的限制，造成“实验动物由大变小，实验小组由小变大”的缩水现象，导致

5、学生实践时间和动手机会较少，从而成为制约医学机能学教学效果的瓶颈。动物实验是机能学科教学和科研的重要手段，而一些需要学生观察和理解的机能学实验，由于缺乏理想的教学手段和方法，仅结合标本和挂图又不能使学生产生直观印象，使用动物进行的实验大都是一次性使用，造成浪费。3机能学实验虚拟教学系统的设计针对医学机能学实验教学存在的问题，本研究拟设计一个医学机能学虚拟实验系统，使学生能够在自己计算机上随时可以体验逼真的机能学实验环境，通过观看教师精细复杂的手术操作以及各种高难度的插管技术，解决因学生人数多而造成的示教难、示教效果差的弊端。3.1虚拟现实技术及其在医学领域应用

6、概述虚拟现实（VirtualReality），是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般。桌面虚拟现实是基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统。在桌面虚拟现实系统中，计算机的屏幕是参观者观察虚拟境界的一个窗口，使用者可以在仿真过程中体验各种环境。桌面虚拟现实系统虽然缺乏完全沉浸式效果，但是由于其成本低、具备了投入型虚拟现实系统的技术要求等原因使用仍然比较普遍。医疗上，虚拟现实应用主要有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型使学生更容易了解人体的构造和功能。另一类是虚拟手术系统，可

7、用于指导手术的进行。[4]有研究表明，通过虚拟实验培养的操作技能可以迁移到真实实验中。中国工程院院士钟世镇教授通过使用高效数码相机和扫描仪拍照，然后转化成数据输入电脑中，最后合成三维的立体人类生理结构。但是这种薄片三维重建技术需要非常大的工作量。国外也有一些研究机构和商业公司对虚拟现实技术应用于医学展开了广泛的研究和实践，如美国斯坦福国际研究所等。[5]但是，目前开发的解剖学软件大多以二维、无交互为主，教学性、可操作性较差。3.2医学机能学虚拟实验教学系统功能模块设计本研究设计的医学机能学虚拟教学系统采用MAYA三维建模技术、Virtools交互控制技术和We

8、b开发框架技术，设计开发基于个人计算机