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应用虚拟现实技术构建医学图像三维重建教学辅助系统

2021-08-06  |  点击:  |  栏目:论文中心

  [摘           要]  虚拟现实技术已逐渐被引入课堂与实践教学中。在原有教学资源的基础上,以“互联网+”为驱动,利用先进信息化技术,基于虚拟现实技术,建立虚拟仿真实验室,搭建医学图像三维重建教学辅助系统,以改革教学模式和创新人才培养模式为宗旨,在生命科学相关课程计算机辅助医学中进行了创新实践。结果表明,新教学模式有效解决了该类课程面临的教学内容陈旧和与社会对创新人才需求不匹配的问题,显著激发了学生了解和探索生命规律的兴趣,为交叉学科课程建设提供了新思路。
  [关    键   词]  “互联网+”;虚拟现实技术;医学图像;计算机辅助医学;教学辅助系统
  [中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A                    [文章编号]  2096-0603(2021)06-0062-02
   随着信息技术的发展,虚拟现实技术越来越多地应用到高校教学中,推进了高校教育向“互联网+”模型转变,从而进一步提高了学生的社会责任感,培养了学生的创新精神和创业能力。但该技术应用于课堂教学尚未形成完整的理论体系和具有良好可操作性的模式,实施过程中会有一定的问题出现,如学生由于知识结构和经验缺失导致的强烈挫败感,学生知识体系不系统,教师主导地位严重缺失等。
   一、虚拟现实技术在国内外教育领域的应用
   虚拟现实(Virtual Reality, VR)又称为人工现实,虚拟现实技术也叫作临境技术,由美国VPL Reacher公司的Jason Lanier于20世纪50年代提出,主要是运用计算机及其高端技术产生一种虚拟环境,并借助输入设备进入虚拟环境,以再现事物的真实细节和展示事物的生动性。虚拟现实技术是综合利用图形图像学、智能接口技术、人工智能技术等多种技术制造出一种具有多种感官刺激的、实时的模拟环境,使用户可以身临其境地感知和操作虚拟世界中的对象[1,2]。
   虚拟现实技术已从美国逐渐拓展到英国、日本等国家,日本还开发出了一套神经网络姿势识别系统[2]。美国弗吉尼亚大学则在1989年提出了虚拟实验室这一概念[3]。我国于20世纪80年代开始研究虚拟现实技术[4]。部分高校也投入大量的人力、物力建设了虚拟仿真实验中心,如厦门大学于2004年建立了虚拟现实实验室,探索了虚拟仿真实验教学技术[3]。重庆师范大学采用Quick Time VR技术建立了虚拟仿真实验室,从而实现了对一畸形胎儿标本的全方位观察[5]。空军医科大学将数字化虚拟仿真教学系统引入胚胎学教学中,解决了胚胎学平面教学讲解难度大的问题,提高了学生的实践能力[6]。中南大学已应用Unity 3D等软件建立了虚拟仿真实验室,设计了光栅光谱虚拟仿真实验系统,节约了成本,提高了实验教学的效率[7]。
   综上,虚拟现实技术和教育的融合已经成为高校教学的一个重要趋势。利用信息化技术进行教学改革以培养创新创业新型人才仍处于探索阶段。本项目拟在原有的教学经验和人才培养模式的基础上,进行教学模式的改革,将虚拟现实技术应用于构建医学图像三维重建教学辅助系统。本文总结了基于虚拟现实技术构建计算机辅助医学图像三维重建教学辅助系统的实践效果。
   二、应用虚拟现实技术构建医学图像三维重建教学辅助系统的教学模式的优势
   (一)将虚拟现实技术应用于医学图像虚拟仿真教学辅助系统的搭建
   以往医学图像3D建模的教学是以学生各自分别建立三维模型为主,其结果是模型都是孤立存在的,学生之间没有交互,学生之间的模型也没有通用性。本项目拟利用虚拟现实技术的沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性等优点,将虚拟现实技术应用于医学图像3D建模的教学中,建立教学辅助系统,能极大地提高学生的学习热情和兴趣。
   (二)基于建构主义理论,学生分组构建3D场景的人体模型,充分发挥学生的创造性
   传统教学模式中,教师对学生3D建模过程给予过多指导,很容易让学生产生依赖感,因此建模的结果往往不尽如人意。而在建构主义模式下,学生是任务完成的主体,不仅3D模型的建立需要依靠自己的努力,,而且知识体系的构建也是学生自主学习完成的,因此可以显著地提高学生学习的主动性,充分发挥学生的创造性。
   (三)用VR实现对人体3D模型的拆卸和装配,培养学生的创新精神和创业能力
   目前部分虚拟仿真教学系统是以学生进入虚拟环境多角度观察为主,并不能过多地操作。本教学模式让学生上传自己建立的3D模型到虚拟仿真教学辅助系统中,并且自主装配系统中原有的模型和学生自己建立的模型,让学生体验了模型的真实感及建模过程的参与感,培养了学生的创新思维和创业能力。
   三、应用虚拟现实技术构建医学图像三维重建教学辅助系统的教学模式
   (一)搭建医学图像虚拟仿真教学辅助系统
   本教学模式选用国内外主流的Unity 3D和3D Max作为开发软件搭建医学图像虚拟仿真教学辅助系统,该类技术具有自身提供脚本语言支持以及能快速简洁地生成对话式的3D作品的特点。
   虚拟仿真教学辅助系统包括3D人体模型學习模块和虚拟仿真模型模块两部分。其中,3D人体模型学习模块包括让学生自主独立学习的视频、文本、教学文件等;虚拟仿真模型模块可以让学生上传3D模型,选用系统中原有的模型,进行拆卸和装配等操作。
   (二)实施学生分组构建3D场景的人体三维模型的教学模式

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