中国高校远程与继续教育优秀案例展示 | 上海交通大学继续教育学院:虚拟现实技术在动物解剖学中的应用
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虚拟现实技术在动物解剖学中的应用

上海交通大学继续教育学院

摘要
虚拟解剖是继续教育学院与动物医学学院联合开发的一款综合性教学平台。是一种基于虚拟现实技术的一种新型实验教学手段。它是利用多媒体、数据库、网络以及仿真虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代传统试验各操作环节的相关软硬件操作环境,在这个环境里,实验者可以非常有效的利用网络上分布的各种数据、信息、仪器设备等资源,可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目,所取得的实验效果等同于在真实环境中取得的效果。虚拟解剖虽然建立在一个虚拟的仿真平台上,但注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。

案例亮点
虚拟解剖平台可以跨多个平台使用(如:网页、体感设备、移动设备等),让学生通过网络等多个平台自主的体验整个实验过程,从而激发学生的学习兴趣。当然,该虚拟解剖平台不紧节约了实验成本,在学生学习的过程中也避免了病菌感染以及实验过程中可能会出现的危险。同时更好的揭示动物各系统器官的形态和结构特征。

一、开发背景

动物解剖是随着社会的发展,在实验教学中占有重要地位。在理论课上,老师对于繁多的内容只能蜻蜓点水、重点讲解;在实验课上,老师也只能利用简短的解剖学教学录像或者通过教学标本把解剖学的实验内容再复习一遍,并且还存在很多实验安全风险(例如:布病等病菌感染)。传统老旧的解剖学教学模式有着诸多弊端,主要体现在实验成本高、资源利用率低不能满足现代高素质人才的素质教育和创新教育指导方针。所以我们继续教育学院与动物医学学院联合开发了这一款综合性教学平台。

虚拟解剖是一种基于虚拟现实技术的一种新型实验教学手段。它是利用多媒体、数据库、网络以及仿真虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代传统试验各操作环节的相关软硬件操作环境,在这个环境里,实验者可以非常有效的利用网络上分布的各种数据、信息、仪器设备等资源,可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目,所取得的实验效果等同于在真实环境中取得的效果。虚拟解剖虽然建立在一个虚拟的仿真平台上,但注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。

二、应用技术

网络动物虚拟解剖平台是利用多媒体技术、虚拟现实技术和数据库技术,在一定的软、硬件支持下,模拟动物解剖过程。在动物虚拟解剖平台系统建设中,动物的骨骼、肌肉、内脏等器官组织是动物虚拟解剖平台的基本要素。通过动物医学院提供给我们动物骨骼、肌肉和内脏等器官组织,以及位置和结构如何在平台上准确显示的开发技术有:

2.1三维扫描仪

三维扫描仪是将侦测到的真实动物骨骼、内脏等数据传输到计算机中进行三维图像重建,在计算机中通过软件显示出重建的动物的骨骼、内脏等数字模型。

2.2 Unity3D引擎

Unity3D是可跨多平台的综合型游戏开发引擎。利用c#语言在Unity3D中建立各种虚拟的组件,通过对空间各种事件的编程,将所需模型、文字与其它组件之间的关系及所应具有的功能。最终我们可将虚拟解剖平台发布到网络上,也可以发布到Windows、iPhone和Android等平台上。

三、研发过程

1、调研、分析各个模块的功能,以便编写代码和测试,作为整个虚拟解剖平台的设计参考。

2、模型采集,将东北农业大学动物医学院提供的动物骨骼、内脏等器官组织,通过三维扫描仪生成点阵,利用虚拟软件逐一转变为数字化三维模型,并且通过3dMax模型软件对模型进行优化处理,虚拟解剖平台要运行流畅、给人以逼真的感觉同时,必须控制模型的面数大小,才能确保程序发布到网络或其他平台上运行顺畅。

3、纹理贴图,采集模型的同时也要对动物骨骼、内脏等器官组织摄像采集材质纹理贴图,通过PhotoShop图像处理软件来修改调整纹理以便适用于各个平台。

4、功能研发,将处理好的模型、材质贴图导入到Unity3D中构建虚拟解剖平台,在Unity3D平台图形界面、插件、灯光设置渲染等制作所需组件设置,编写交互代码(不同平台代码会有所不同),实现对虚拟解剖系统的功能、性能、接口等方面要求,从而协调整体虚拟系统的工作和运转。

5、测试,确保虚拟解剖平台中每个功能是否都能正常运行,如果又问问题可以及时修改调整。

6、平台发布,根据平台需求选择相应的发布设置(例如:网页、Windows、手机等其他平台)。整体开发流程如下图1所示:

四、虚拟解剖平台的优势

虚拟现实作为社会发展前沿技术,虚拟解剖我们可以搭建虚拟解剖场景与实验室,虚拟现实可以搭载虚拟头盔、重力控制、体感触控器等设备。逼真地模拟现实世界事物,人工交互、人工智能和传感技术等。虚拟解剖平台具有真实性、交互性和沉浸性的特点,会成为现代教育技术领域的热点,逐渐应用于专业教学过程中。

1、开放性

虚拟解剖平台可跨多个平台,供学生自主选择,可在PC端使用、网页上浏览、用体感设备体验、移动终端(如:手机、平板电脑)查看学习等。做到课前预习实验解剖内容,课后重复模拟解剖试验操作,不受时间和地点的限制。

2、交互性

学生通过虚拟场景的人机交互,由视觉、听觉、触觉等手段获取场景的反应,能够身临其境的观察试验现象,进行高度仿真操作,有助于培养学生的自主学习能力,提高实践教学效果和教学质量。

3、安全性

虚拟解剖平台充分发挥了现代教育技术的优势,提高了教学水平该技术不仅有效解决了不杀或者少杀动物,降低试验经费,节约教学成本,减少标本浸泡液(福尔马林)对师生身体的伤害和病菌感染的危险,减少尸体掩埋和环境污染问题。

五、功能介绍

5.1角色控制

通过鼠标和键盘交替操作,控制角色的视角和行进的方向在虚拟的动物医学院学院的教学楼内行走,到达相应的实验室门口(羊解剖实验室)便可通过鼠标点击进入到虚拟实验场景。

5.2实验操作

进入到虚拟实验室之后,可通过操作鼠标可查看动物的皮毛、内脏、骨骼等位置结构信息,也可以通过鼠标移动旋放、缩放物体,以及查看详细说明。

5.3吸附功能

在虚拟解剖平台中将模型拆散后,通过用户的操作可以将打散的部位逐一吸附到一起。

5.4触控追踪

通过外接设备Leap motion通过手势感应器,用手掌和手指在虚拟解剖平台中与三维数字模型进行互动。

5.5虚拟试戴

虚拟解剖平台还将开发试戴功能,如佩戴虚拟现实头盔,利用人的左右眼屏幕分别显示左右眼的图像,人眼获取这种带差异的因袭后再脑海中将实验模型、设备立体化,同时头盔把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来,产生一种身在虚拟环境中的错觉从而让用户得到更真实更好的体验虚拟实验室的操作过程。

六、应用启示

6.1传统教学

由于传统解剖学的形态学特性,教师通过大量图片、文字、视频、模型以及标本来配合使用,讲解虚拟解剖的全部过程,使得传统教学效率低、效果差。这样会增加成本,资源再利用能力降低,引发安全隐患。虚拟解剖平台整合了传统解剖学的教学资源,内容丰富,使知识变得简单易懂,学生可以从中全方位的对所学内容进行强化理解和教师也可以通过虚拟解剖平台对教学进一步优化。

6.2网络教学

网络教学存在诸多限制性,硬件需求过大,学生对于解剖知识的消化、吸收、转化效率较低,网络教学不能让学生通过触摸、感知、观察各种类型的标本(湿标本、冻干标本、铸型标本、塑化标本、纸浆标本等)、模型来了解动物组织器官的形态结构和相互位置关系,由此可见,就目前的教学模式已不能完全适应当前动物医学发展和社会对专业型兽医人才的要求,极大阻碍了动物医学专业人才的培养,需要虚拟解剖平台来改善教学效果。

6.3实体教学

在传统的教学中由于动物解剖学的结构复杂、名词繁多,教师如果要操作多媒体设备或者用模型讲解时,就必须回到讲台上操作讲解,具有一定的局限性。使用手机或者平板电脑操作细腻解剖平台进行教学讲解和模型展示,增进师生之间的互动。也可以让学生自通过手机操作动物虚拟解剖平台,激发学生的学习兴趣,也提高教学效果。

6.4在线考核

虚拟解剖平台不仅能在教学与学习上提供帮助,还可以在应用在考试当中。学生根据自身来选择是使用计算机,还是移动设备访问虚拟解剖平台中的在线考核系统巩固课堂学习,增加课后练习,还可以通过在线考核系统进行考试。提高了教师的工作效率、节约了大量的人力、物力与财力,还可以提高学生的自主学习意识。

七、拟解剖平台在解剖学的应用前景

虚拟解剖平台在解剖学及相关专业有着非常广阔的应用前景。三维模型能够形象清晰地展示动物的解剖结构和器官的相互位置关系。虚拟仿真技术的应用能够将理论授课中教师采用图片、照片等素材难以描述清楚的概念、结构给学生以感性认识,能够加深学生的理解程度,帮助学生学习和记忆。虚拟解剖平台的应用能够将抽象的结构变具体,使枯燥的概念形象生动,提高学生的学习兴趣和主动性,突破传统解剖学实验空间和时间的限制,学生可以通过网络自由地学习,方便自学。综上所述,虚拟解剖平台能够将解剖学的抽象教学内容形象地展示出来,提高学生的学习积极性,使学生由被动接受转变为主动学习,极大增强解剖学教学效果。

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