基于VR技術(shù)的中藥資源學(xué)智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

任萌，魏巍，莫梅，李佳，徐凱勇，劉珊

（1.山東中醫(yī)藥大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室管理處，山東 濟(jì)南；2.山東中醫(yī)藥大學(xué) 管理學(xué)院，山東 濟(jì)南；3.山東中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，山東 濟(jì)南）

一 引言

Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR，中文的意思就是虛擬現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算機(jī)軟件硬件技術(shù)、人工智能、機(jī)器人技術(shù)及傳感技術(shù)等科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的結(jié)果，是多媒體技術(shù)的最終應(yīng)用模式。高速計(jì)算與并行計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)、三維實(shí)時(shí)圖形顯示、觸覺(jué)傳感技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的推廣與應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的到來(lái)將會(huì)給人們的工作、學(xué)習(xí)、生活帶來(lái)翻天覆地的變化。當(dāng)人們戴上立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等特制的傳感設(shè)備時(shí)，將會(huì)面臨一種三維的模擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，并且可以通過(guò)相應(yīng)的設(shè)施和人的自然機(jī)能實(shí)現(xiàn)人與這種環(huán)境的信息交流和互動(dòng)，使人們感覺(jué)到自己仿佛身處在一個(gè)具有三維的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)甚至嗅覺(jué)的感覺(jué)世界，從而獲得身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和感受。VR技術(shù)應(yīng)用于高等教育教學(xué)，尤其是醫(yī)學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，顯現(xiàn)出無(wú)比的優(yōu)越性和實(shí)用性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)充實(shí)了醫(yī)學(xué)教育的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)手段，豐富了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，緩解了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足與醫(yī)學(xué)教育日益增長(zhǎng)的需求之間的矛盾，通過(guò)優(yōu)化升級(jí)系統(tǒng)相關(guān)軟件，可節(jié)省大量的教育教學(xué)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源，使真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中遇到的各種危險(xiǎn)得以避免，不受時(shí)空限制，積極推動(dòng)了醫(yī)學(xué)教育事業(yè)的發(fā)展，它的出現(xiàn)和應(yīng)用解決了過(guò)去醫(yī)學(xué)教育很多不能解決的實(shí)際問(wèn)題[1-3]。

二 VR實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)意義

山東中醫(yī)藥大學(xué)中藥資源學(xué)智慧實(shí)驗(yàn)室采用了VR技術(shù)手段，建設(shè)了約500平方米的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中心，可以滿足立體教學(xué)、交互式教學(xué)的需求。學(xué)生佩戴3D立體眼鏡進(jìn)行學(xué)習(xí)，教師通過(guò)數(shù)據(jù)手柄來(lái)操作虛擬內(nèi)容，并可同步支持多媒體資源的播放，如視頻、ppt、音頻等，整體教學(xué)內(nèi)容豐富立體，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣更高，針對(duì)醫(yī)學(xué)知識(shí)的理解更加深入和直觀；具備完全沉浸式的操作體驗(yàn)，學(xué)生可進(jìn)入1:1真實(shí)模擬的場(chǎng)景完成相應(yīng)的操作，同時(shí)相互之間可以看到，從而有步驟、有計(jì)劃地完成特定項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)。進(jìn)入該平臺(tái)實(shí)際操作的學(xué)生，具備第一視角的直接體驗(yàn)，同時(shí)在教學(xué)平臺(tái)中，可同步多人的綜合視角，由老師進(jìn)行控制，其余學(xué)生完成觀摩學(xué)習(xí)。學(xué)校打造的該項(xiàng)目突破了傳統(tǒng)教學(xué)的桎梏，融教學(xué)、實(shí)訓(xùn)為一體，同時(shí)嵌入傳統(tǒng)的教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了新的教學(xué)模式，對(duì)人才培養(yǎng)，學(xué)生綜合素質(zhì)的提升具有重要的意義[4]。

（一） 減少實(shí)物資源投入，安全性好

相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最大優(yōu)勢(shì)在于硬件建設(shè)無(wú)需大量投入，減少了設(shè)備更新?lián)Q代的頻率及設(shè)備的損耗問(wèn)題。如許多大型設(shè)備，購(gòu)置價(jià)格高，購(gòu)置周期長(zhǎng)，需求與購(gòu)置脫節(jié)，維護(hù)成本高，且學(xué)生上手機(jī)會(huì)較少，很難達(dá)到理想的教學(xué)效果[5]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為核心技術(shù)與學(xué)校重點(diǎn)專業(yè)的實(shí)踐相結(jié)合，將復(fù)雜實(shí)物虛擬化，突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)操作方式，同時(shí)可以避免一些操作事故，讓學(xué)生在安全的情況下多次模擬危險(xiǎn)操作，從而降低教學(xué)成本，提高了實(shí)驗(yàn)的便捷性和安全性[6]。

（二） 教學(xué)方法靈活，教學(xué)效果良好

VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)可顯示真實(shí)的應(yīng)用情景，學(xué)生更有代入感，且規(guī)避了常規(guī)實(shí)訓(xùn)無(wú)法上手、擔(dān)心錯(cuò)誤操作的缺點(diǎn)，讓學(xué)生可以真正自主地進(jìn)行探索式學(xué)習(xí)，同時(shí)將一些不可逆的實(shí)驗(yàn)反復(fù)操作，更好地將所學(xué)知識(shí)與實(shí)訓(xùn)實(shí)踐相映照，達(dá)到學(xué)以致用、以練促學(xué)的目的[7]。關(guān)于對(duì)VR實(shí)訓(xùn)室的管理和維護(hù)情況，只需要升級(jí)相關(guān)的虛擬仿真軟件就可以更新教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和升級(jí)最新功能，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革相比，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的優(yōu)化及內(nèi)容拓展更加方便、智能、快捷和低成本，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)效率的提高和教學(xué)效果的提升[8]。

（三） 教師授課更輕松

VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)可節(jié)省老師的備課時(shí)間，把老師從繁重、重復(fù)的課堂講解中解脫出來(lái)，減輕了教學(xué)負(fù)擔(dān)，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)可以利用軟件進(jìn)行演示、講解、操作，將難點(diǎn)教學(xué)直觀化，提升課堂教學(xué)效率。同時(shí)學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況來(lái)選擇相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，老師在課堂上集中講解后，可對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行答疑，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式實(shí)現(xiàn)了從一對(duì)多到一對(duì)一（一人一機(jī)）的轉(zhuǎn)變[9]。通過(guò)這種專門化的學(xué)習(xí)方式，老師會(huì)更加了解每一個(gè)學(xué)生，同時(shí)根據(jù)每個(gè)學(xué)生的性格特點(diǎn)、思維方式、學(xué)習(xí)模式等方面，有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)，也更容易發(fā)現(xiàn)個(gè)體學(xué)生的學(xué)習(xí)短板，做到因材施教。

（四） 技術(shù)先進(jìn)，輻射效應(yīng)未來(lái)可期

建設(shè)方案提出了交互（Interaction）、資源（Sources）、體驗(yàn)（Experience）以及拓展（Expending）四大概念，即按照“I see”的建設(shè)要求，建設(shè)中醫(yī)藥學(xué)教學(xué)及實(shí)訓(xùn)一體化平臺(tái)。將成熟的VR實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)驗(yàn)引入課堂，必將成為醫(yī)療學(xué)科建設(shè)的重要組成部分，是探索新型人才培養(yǎng)模式，信息化綜合實(shí)踐的典型代表；先進(jìn)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，為學(xué)生就業(yè)、提高學(xué)校學(xué)科建設(shè)水平提供更多助力，同時(shí)具備良好的輻射效應(yīng)，為醫(yī)學(xué)類學(xué)校相關(guān)專業(yè)、企事業(yè)醫(yī)療人才培養(yǎng)提供學(xué)習(xí)和示范，對(duì)提高中醫(yī)藥人才培養(yǎng)質(zhì)量有重要意義。

三 設(shè)計(jì)原則

VR實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)堅(jiān)持先進(jìn)性、實(shí)用性、集成性、擴(kuò)展性、靈活性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的原則，將VR技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)盡可能完美結(jié)合[10]。

1.先進(jìn)性：系統(tǒng)應(yīng)用成熟，達(dá)到國(guó)內(nèi)外最新標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，符合計(jì)算機(jī)、圖形圖像處理、視頻監(jiān)控等技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)[11]；

2.實(shí)用性：系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用靈活便捷，容易掌握；根據(jù)實(shí)際使用特點(diǎn)，管理方式多樣化；系統(tǒng)功能符合常規(guī)化應(yīng)用；

3.集成性：集成性高，使用安裝簡(jiǎn)單，可接入其他相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)一體化協(xié)作；

4.擴(kuò)展性：有著充分的擴(kuò)充空間，隨著新技術(shù)的發(fā)展，定期更新新功能，滿足科技需求；

5.靈活性：提供符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的軟件、硬件、通訊、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等方面的接口和工具，使系統(tǒng)具有良好的靈活性；

6.可靠性：具有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和特定條件下滿足用戶個(gè)性化需求的能力，可以保證持續(xù)、穩(wěn)定工作；

7.經(jīng)濟(jì)性：綜合、全面考慮系統(tǒng)的性能、價(jià)格，使其在同類系統(tǒng)和條件下性價(jià)比達(dá)到最優(yōu)。

四 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

（一） 架構(gòu)

通過(guò)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從藥用植物識(shí)別和野外采藥實(shí)踐等兩大方面進(jìn)行中藥資源虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)中藥學(xué)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行藥用植物的認(rèn)知及虛擬野外采藥實(shí)踐。

采藥模塊：通過(guò)建模技術(shù)模擬出真實(shí)的藥物生長(zhǎng)環(huán)境，如林下、濕地、溝谷、草地、山坡等，學(xué)生通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的使用模擬野外采藥實(shí)習(xí)過(guò)程，了解藥用植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)，熟悉不同種類中藥采集方式等知識(shí)。

藥用植物識(shí)別：通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，首批建立28種中藥植物的三維模型，可查看不同植物在我國(guó)地圖上的不同分布，可對(duì)植株形態(tài)進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)查看。此外，對(duì)每種藥用植株提供介紹、藥材基源鑒定、性狀鑒定、顯微鑒定、理化鑒定相關(guān)的鑒定信息及資料，供學(xué)生隨時(shí)查閱。

（二） 系統(tǒng)功能

1.系統(tǒng)開(kāi)啟。需進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證，符合登錄要求的賬戶才能進(jìn)入使用系統(tǒng)。進(jìn)入系統(tǒng)后，可看到整個(gè)系統(tǒng)分為兩大模塊，即采藥模塊和藥用植物識(shí)別模塊。每個(gè)模塊都有對(duì)應(yīng)的內(nèi)容用于練習(xí)和操作，用戶可在功能模塊界面選擇自己想訓(xùn)練的內(nèi)容進(jìn)入實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。

2.區(qū)域選擇。中醫(yī)藥學(xué)是中國(guó)古代科學(xué)的瑰寶，也是打開(kāi)中華文明寶庫(kù)的鑰匙，祖國(guó)大地上廣泛分布著中藥植被，各個(gè)地方由于海拔不同、氣候不同都會(huì)出產(chǎn)不同種類的中藥材[12]。在真實(shí)的教學(xué)過(guò)程中，老師帶著學(xué)生走遍全國(guó)去觀察不同氣候不同地形地貌產(chǎn)出的各類中藥材是一件不現(xiàn)實(shí)的事情。可是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，則可以花較小的代價(jià)去實(shí)現(xiàn)較高的教學(xué)成果[13]。學(xué)生進(jìn)入采藥模擬模塊，即可看到界面上有一個(gè)三維的中國(guó)地圖，地圖上會(huì)對(duì)每個(gè)省市進(jìn)行標(biāo)注，點(diǎn)擊標(biāo)注點(diǎn)，即可顯示該省市的氣候特征、地理特征，在其省內(nèi)生長(zhǎng)的各類中藥植株的種類及分布情況的介紹。學(xué)生可通過(guò)該模塊了解國(guó)內(nèi)各省市中藥植株的生長(zhǎng)環(huán)境及其分布情況，當(dāng)學(xué)生選擇好采藥模擬所在的生長(zhǎng)環(huán)境后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所選擇的項(xiàng)去匹配相應(yīng)的場(chǎng)景模型，并動(dòng)態(tài)載入到系統(tǒng)中[14]。當(dāng)場(chǎng)景載入后，學(xué)生即可在系統(tǒng)中看到高精度還原的三維地理環(huán)境了。此外，學(xué)生也可選擇漫游視角，以第一人稱視角，在整個(gè)場(chǎng)景中漫游，近距離查看整個(gè)虛擬環(huán)境，了解植株的分布情況。

3.藥用植物識(shí)別。首批制作了28種中藥：川貝母、冬蟲(chóng)夏草、百合、白芷、半夏、草麻黃、黨參、丹參、甘草、栝樓、紅柴胡等，后期還將根據(jù)需求定制開(kāi)發(fā)更多的中藥品種。學(xué)生可在找到目標(biāo)植株后，系統(tǒng)在三維中國(guó)地圖上，顯示該植株的生長(zhǎng)分布情況，選擇植物后，可進(jìn)入查看植物的三維形態(tài)，可縮放查看，可360度旋轉(zhuǎn)操作；可通過(guò)三維的形式對(duì)中藥植株進(jìn)行形狀鑒別和真?zhèn)舞b別，以幫助學(xué)生更好地掌握中藥植株的特性知識(shí)[15-16]。

4.基源鑒定。系統(tǒng)提供“基源鑒定”按鈕，彈出該藥材的基源鑒定圖文信息，如植物科+植物名（含拉丁名）+用藥部位+采收加工方式等；圖片素材為藥材原植物、動(dòng)物、礦物等（除成方制劑）。

5.性狀鑒定。系統(tǒng)提供“性狀鑒定”按鈕，彈出該藥材的性狀鑒定圖文信息，“用手摸、口感和氣味的辨別”等均用文字進(jìn)行描述，“外觀特征、水試法和火試法”等均附試驗(yàn)的特征圖片和文字進(jìn)行描述。

6.顯微鑒定。系統(tǒng)提供“顯微鑒定”，彈出該藥材的顯微鑒定圖文信息，圖文描述信息包括藥材粉末鑒定和藥材橫切面鑒定圖片及文字解說(shuō)。

7.理化鑒定。系統(tǒng)提供“理化鑒定”按鈕，彈出該藥材的理化鑒定圖文信息，用戶可查看到該藥物相關(guān)的理化鑒定曲線圖及相關(guān)的文字解說(shuō)。

五 預(yù)期效果

利用VR技術(shù)與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)專業(yè)相結(jié)合，有效解決了專業(yè)教學(xué)中實(shí)踐實(shí)習(xí)難以涵蓋各個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題，在專業(yè)課程教學(xué)過(guò)程中，難以在課堂全景再現(xiàn)形象地向?qū)W生介紹各個(gè)環(huán)節(jié)，即便通過(guò)實(shí)踐實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，也無(wú)法涵蓋整個(gè)過(guò)程。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)中心提供的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，同時(shí)借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸性、構(gòu)想性、交互性三大主要特性，可以全景形象再現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生易于掌握專業(yè)知識(shí)，創(chuàng)新了課堂教學(xué)手段，提高了教學(xué)效率，有效提高教師課程教學(xué)水平，教學(xué)效果也得以提升，從而達(dá)到創(chuàng)新的教學(xué)模式、體驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性明顯增強(qiáng)。智慧醫(yī)學(xué)中心采用仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的教學(xué)方法，為學(xué)生提供交互共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，其“沉浸性”“構(gòu)想性”“交互性”的特點(diǎn)不僅提升了教學(xué)效果，創(chuàng)新了教學(xué)模式，更重要的是學(xué)生通過(guò)自主虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，極大地激發(fā)了學(xué)生的科學(xué)探究興趣、自主學(xué)習(xí)興趣，明顯增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)操作能力和動(dòng)手能力，鍛煉了創(chuàng)新思維能力，學(xué)生能積極主動(dòng)地參與各項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生創(chuàng)新能力普遍提高。同時(shí)學(xué)生的工作適應(yīng)能力也明顯增強(qiáng)。

智慧醫(yī)學(xué)中心的教學(xué)資源面向全校師生開(kāi)放，對(duì)專業(yè)改革、教學(xué)內(nèi)容和課程體系的教學(xué)改革以及實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)與改革起到了良好的示范和推動(dòng)作用，為全校學(xué)生開(kāi)展科技創(chuàng)新訓(xùn)練和虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)提供了一個(gè)重要基地。