基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實體教學(xué)模型三維虛擬化的初步實踐

黃啟川 王金花 馬卓飛等

摘 要：文章簡單闡述了實體教學(xué)模型虛擬數(shù)字化應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)的實踐意義和實現(xiàn)基本途徑，并結(jié)合實例介紹實現(xiàn)實體教學(xué)模型的仿真效果，以及制作產(chǎn)品整合展示的專題網(wǎng)站，從而達到在信息教學(xué)環(huán)境下方便師生課內(nèi)外瀏覽，通過虛擬教學(xué)模型促進學(xué)生了解人體或人體器官的結(jié)構(gòu)、形狀和特征。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)；教學(xué)模型；3D模型

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1673-8454（2015）12-0082-03

一、引言

民族醫(yī)學(xué)院?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)傳統(tǒng)的媒體教學(xué)方式多以文字、圖片、聲音或視頻資料出現(xiàn)，必要時加以課堂展示醫(yī)學(xué)實體模型，滿足教育課堂的需要。而傳統(tǒng)的教學(xué)模型具有價高、易損、不便攜帶、不能修改、同規(guī)格模型數(shù)量少等不足，應(yīng)用計算機軟件結(jié)合多媒體技術(shù)建立基于三維技術(shù)的虛擬模型資源，則可以克服傳統(tǒng)教具的一些缺點。因為實體模型虛擬化采用了三維數(shù)字化技術(shù)、高分辨顯示的科學(xué)可視化技術(shù)，能夠在常見的顯示器屏幕呈現(xiàn)逼真的虛擬場景，并能使用戶與場景進行實時交互，感知和操作虛擬對象，成為現(xiàn)有教學(xué)模型較好的輔助資源新形式，使學(xué)校的實體教學(xué)模型分別存在于現(xiàn)實世界和虛擬世界，實現(xiàn)虛實的有機融合[1]，互為補充，各自發(fā)揮優(yōu)勢。我們進行初步研究和探索的教具涉及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的多門課程，包括人體解剖學(xué)、組織學(xué)與胚胎學(xué)、病理學(xué)、口腔組織病理學(xué)、民族民間醫(yī)療技法，在此簡要介紹教學(xué)模型三維虛擬化的必要性、一些實例和做法，希望有一定的借鑒作用。

二、教學(xué)模型資源三維虛擬數(shù)字化實踐意義

首先，可以在教學(xué)使用中部分取代實物模型，從而消除了實物模型因體積或重量造成的攜帶不便的缺點。另一方面，傳統(tǒng)的實物教學(xué)模型隨著時間推移而逐漸老化、變色并且不能夠修改，把這些實物模型仿真現(xiàn)實數(shù)字化是科技時代不斷進步的需要。虛擬模型還可以起到保存部分稀缺資源的作用，如人體胚胎發(fā)育標(biāo)本，當(dāng)前購買的途徑越來越少，通過三維虛擬處理可以延續(xù)發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

其次，醫(yī)學(xué)教學(xué)虛擬模型可以載入網(wǎng)絡(luò)，改變以往課本上只是平面圖片模型圖的單一學(xué)習(xí)媒體，彌補傳統(tǒng)教學(xué)模型的局限，擴展模型教育活動空間，對提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和自學(xué)能力有很大的幫助。虛擬模型有生動的三維表現(xiàn)能力、更強大的交互能力，可以極大地促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，從而為場景式教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)等教學(xué)改革提供一個非常好的教學(xué)內(nèi)容展示形式[2]。

再次，結(jié)合民族醫(yī)學(xué)院校的教育條件，開展教學(xué)模型資源三維虛擬數(shù)字化實踐，進行教育資源本地化建設(shè)，挖掘本土潛力，更好發(fā)揮本土資源優(yōu)勢也是很有意義的。3D技術(shù)是近十幾年來興起的新媒體資源，尚未十分普及，學(xué)校的技術(shù)環(huán)境滯后于時代，因此，我們開展教學(xué)模型資源三維虛擬數(shù)字化的實踐與應(yīng)用，有利于擴展學(xué)生的技術(shù)視野與經(jīng)驗， 接觸逼真體驗和基于自然的人機交互，有益于他們未來對現(xiàn)有基礎(chǔ)的超越與創(chuàng)新，也為今后教育技術(shù)研究工作做些有益的探索。

三、教學(xué)模型資源三維虛擬建模技術(shù)實例設(shè)計與建設(shè)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，目前應(yīng)用于教學(xué)模型的三維虛擬場景可視化制作技術(shù)逐漸增多，最終主要有WRL、FLASH等格式和JAVA環(huán)境應(yīng)用格式，這些格式都很方便在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用共享。

而虛擬現(xiàn)實三維建模技術(shù)中，主要有基于幾何模型的三維建模技術(shù)和基于圖像的三維建模技術(shù)兩種?；趲缀文Ｐ偷慕＜夹g(shù)是以計算機圖形學(xué)為基礎(chǔ)，用多邊形構(gòu)造虛擬對象三維幾何模型，然后進行紋理映射、模型的可見消隱和控制參數(shù)的設(shè)定等?；趫D像的建模技術(shù)是利用照相機采集的靜態(tài)圖像或攝像機采集的動態(tài)圖像作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像處理生成仿真的三維模型。此建模方法需要高性能的照相與攝影裝備，比較適合于真實自然場景的仿真[3]。

案例一

利用三維建模軟件3DMAX和VRML語言完成虛擬胎兒期（人體發(fā)生第4～8周）圓柱體胚體的設(shè)計實例，其交互性及沉浸性有利于學(xué)生從各個角度觀察和學(xué)習(xí)。具體的設(shè)計方法和實現(xiàn)途徑如下：

（1）利用3DMAX制作管狀體3個，為使它們能互相包含，注意各個管狀體的內(nèi)徑和外徑高度的設(shè)置輸入數(shù)值有機銜接，分別輸出為WRL格式的三維部件。

（2）在VrmlPad編輯軟件中引用調(diào)入上一步生成的WRL格式部件，并調(diào)整好三者的位置關(guān)系。

（3）在VRML編輯工具中找到中小管狀體，分別增加PlaneSensor節(jié)點，結(jié)合translation_changed事件，調(diào)整并測試對應(yīng)管狀體，用鼠標(biāo)拖拽被感應(yīng)的管狀體時的移動范圍，最終形成整體結(jié)構(gòu)和操作具有一定教學(xué)內(nèi)容意義的模型（見圖1）。

案例二

基于圖像的建模技術(shù)生成WRL格式的虛擬場景。由于實際的教學(xué)實體模型很多是非對稱結(jié)構(gòu)的，需要綜合應(yīng)用一些3D建模軟件開發(fā)制作。

（1）使用數(shù)碼相機抓拍物體、人物或場景，利用類似PhotoModerler Pro之類軟件將照片轉(zhuǎn)換成初步的三維模型（見圖2）。

（2）在對模型有了整體的了解之后，借助強大的3DMAX進行修改整合完成模型的建設(shè)（見圖3）。注意靈活運用3DMAX中的基本幾何體建模、擴展幾何體建模等三維建模技術(shù)[4]。

（3）把制作的3D模型載入三維瀏覽器中（普通瀏覽器安裝如Cortona或BS contact程序插件，或在PPT中的控件工具箱點選BScontactVRML control對象），即可體驗生動的三維表現(xiàn)能力和強大的交互能力（見圖4）。

四、實體教學(xué)模型虛擬化建設(shè)與整合

教師在針對教與學(xué)制定教學(xué)設(shè)計、選擇教學(xué)資源方面很有發(fā)言權(quán)，所以我們與一線教師主動聯(lián)系，讓他們提供課堂上常用的教學(xué)模型，由我們制作成三維虛擬模型后再交給教師應(yīng)用于實際課堂輔助教學(xué)，學(xué)生反應(yīng)較好，這也提高了教師的積極主動性，更多的教師參與到項目建設(shè)工作上來，讓項目建設(shè)得以有效持續(xù)開展。另外，整合已經(jīng)建設(shè)的三維模型形成一個專題網(wǎng)站，網(wǎng)站放在學(xué)校中心機房服務(wù)器，方便師生的瀏覽與調(diào)用，成為師生教學(xué)的輔助資源，也成為教師參加各級教學(xué)課件、軟件比賽交流和撰寫教研論文的特色資源。

例如在整合三維模型網(wǎng)站環(huán)節(jié)，我們結(jié)合360°可環(huán)視FLASH技術(shù)，制作成“實體教學(xué)模型虛擬館”的新穎虛擬樣式，突出網(wǎng)站虛擬特點，用戶可以自由操縱場景位置并點擊模型圖案進入所選模型的三維展示頁面（見圖5）。

五、總結(jié)與展望

虛擬3D模型良好的擬實性可以彌補傳統(tǒng)實體教學(xué)模型的一些不足，用戶可以通過IE瀏覽器與場景進行實時交互，感知和操作虛擬對象，逼真感受到這些數(shù)字模型教具的存在。通過虛擬場景向?qū)W生提供更為豐富的信息，為學(xué)生營造出形象逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，活躍思維，增強教學(xué)的趣味性和啟發(fā)性，形成有利于知識意義構(gòu)造的學(xué)習(xí)情境，使課堂得到優(yōu)化。

目前本項目的部分成果已初步構(gòu)建原創(chuàng)微3D網(wǎng)站（http：//210.36.228.39/wei3d），以供用戶通過網(wǎng)絡(luò)隨時在線調(diào)用，還分別置入基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的多門精品課程，并發(fā)放給基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)多個教研室的教師近百個三維模型供實際教學(xué)使用，在相應(yīng)內(nèi)容課件里嵌入項目相應(yīng)的教學(xué)模型虛擬場景，實現(xiàn)師生對實體屬性的感受性需求[5]，深受教師和學(xué)生的喜愛。但距離滿足師生對虛擬現(xiàn)實世界的要求還很遠，還有許多關(guān)鍵性的技術(shù)需要我們深入學(xué)習(xí)和探討。

參考文獻：

[1]張立新.兩種世界兩個課堂[J].中國電化教育，2009（6）：7-9.

[2]劉潔，解繼勝，王金花，等.虛擬3D胚胎模型在胚胎學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].解剖學(xué)雜志，2012，35（3）：405-407.

[3]鄧敏，陳海波，黃啟川，等.虛擬3D牙體模型在牙體解剖學(xué)教學(xué)中的探索與實現(xiàn)[J].解剖學(xué)雜志，2012，35（5）：696-698.

[4]姚念近.機械制圖課程的虛擬三維教學(xué)模型庫制作[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，2013（4）：297-298.

[5]馬卓飛，林艷明，蒙縝之，等.民族醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程的設(shè)計與應(yīng)用實踐[J].中華醫(yī)學(xué)教育雜志，2013，33（5）：729-731.

（編輯：魯利瑞）