朱 利 赵 卫
（南方医科大学 公共卫生与热带医学学院病毒研究所，广州 510515）
摘 要：虚拟现实技术因其沉浸感、交互性和构想性而成为现代医学实验教学中的创新性做法。本文介绍了虚拟现实技术的概念、特点和分类，说明虚拟实验室是虚拟现实技术应用于实验教学的良好方式，并进一步阐述了虚拟现实技术应用于教学的常用模式，以及虚拟现实技术应用于教学的不足。
关键词：虚拟现实技术 实验教学 应用
在现代医学教学中，对学生进行创新素质教育的重要手段之一是实验教学。目前，高等医学院校学生人数大幅度增加，然而实验教学经费有限，致使在教学中，有的器材长期处于过饱和使用状态；而一些昂贵的实验（如基因工程学试验）、培训器材，由于受价格和自然条件等的限制无法普及；有的因其他原因无法购买(比如尸体)，大大影响了医学实验教学的质量。为了尽快改善这种状况，整合医学教学资源，使学生获得最好的学习效果，把虚拟现实技术引入医学实验教学，是近年来比较创新且有较好实际效果的做法。
1 虚拟现实技术的概念、特点和分类
虚拟现实（Virtual reality，VR）最早起源于20世纪50年代的美国，发展至今也还处于不断探索阶段。综合来说，VR技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种技术制造逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知系统行为的高级的人机交互技术[1]。虚拟环境通常是由计算机生成并控制的，使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体，通过虚拟现实的三维设备与物体接触，从而真正地实现人机交互。可以说人处在虚拟环境之中跟现实环境是没有差别的。
VR技术的发展始终围绕它的三个特征而前进，即沉浸感、交互性和构想性。这三个重要特征与其相邻近的技术(如多媒体技术、计算机可视化技术等)相区别。沉浸感，是指计算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉，如同进入了一个真实的客观世界；交互性，是指人能够很自然地跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流；构想性，是指虚拟环境可使人沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认识，从而深化概念并萌发新意。因而可以说，虚拟现实可以启发人的创造性思维。
根据VR所倾向的特征的不同，目前虚拟现实系统主要划分为四个层次：即桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式虚拟现实[2]。VR技术的实质是构建一种人能够与之进行自由交互的“世界”，在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追求目标，实现的方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体部位跟踪器，通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。桌面式虚拟现实系统被称为“窗口仿真”，尽管有一定的局限性，但由于成本低廉而仍然得到了广泛应用。增强式虚拟现实系统主要用来为一群戴上立体眼镜的人观察虚拟环境，性能介于以上两者之间，也成为开发的热点之一。网络分布式虚拟现实将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟，合成环境，参与者可自由地进行交互作用。
2 虚拟现实实验室
在实验教学中，应用VR技术最好的体现就是虚拟现实实验室。目前，有关虚拟实验室的定义主要有两种[3]: ①在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所取得的效果。②一个创造和引导模拟实验的交互环境，即实验场所。它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。用户可以通过增加新的物体，建立新的实验并把它们转换成超文本文件来扩充实验室。这两种定义侧重不同方向，但都指出了虚拟实验室本质是一个无墙实验室通过计算机网络系统远程控制与交互系统，学生将不受时空限制，能随时随地进行虚拟实验操作，共享仪器设备共享数据和计算机资源，进行协作或得到远程指导等。
虚拟实验室按使用范围可以划分为局域网内的虚拟实验和Internet网上虚拟实验室[4]。局域网内的虚拟实验室需要有一个小型局域网和多台终端，这样可保证学生多人同时上机操作，共同学习。Internet网上虚拟实验室也称网上仿真实验室，网上虚拟实验室基本模式是基于Web的浏览器/服务器(B/S) 计算模式，Web为网上虚拟实验室的实现提供了一种基础平台，服务器端通过软件技术对各种实验环境进行仿真，并接收来自客户端的实验操作请求，根据客户端不同的实验请求，调整仪器的状态，模拟产生实验的现象，输出对应的实验数据。学习者在客户端进行实验，其中实验过程中的数据和实验结果数据可以放置于服务器端。为了多人合作实验过程保持同步，实验人员可以利用Web途径进行联系，服务器端的后台数据库提供了可以共享的实验数据和实验方法。网上虚拟实验室是一种异构的问题解决环境，它使得处于不同位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验工作。和其他领域相同的是，实验工具和技术是独立于各自领域的，不同之处在于网上虚拟实验室中操纵的并不是真实存在的仪器和设备，而只是以软件仿真来模拟已经存在和使用的设备。虚拟实验室要求实验的参与者共享实验环境和实验规则，这种要求使得它易于在Web上得以实现。
虚拟实验室具有智能化特征，无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室上机操作，完成各种分析测试任务，评价实验者的操作水平与实际能力，不但为实验教学改革提供了条件和技术支持，还可以让学生接触和掌握更多、更新、更好的仪器。虚拟实验室摆脱了传统教育如电视录像、多媒体教室单边的交互功能，真正实现人机对话，紧贴真实仪器操作，从原理介绍、开机操作、违规提示、结果输出分析、网络数据查询和调用等一系列手段，让学生达到操作真实仪器同样的效果。在医学教育领域建立虚拟实验室，并非是取代传统的实验教学，而是作为一项改革和补充。
3 虚拟实验室在实验教学中的应用模式
虚拟现实技术最大的特征便是身临其境的逼真度和随时随意的交互性。因此虚拟现实教学是实践性、创造性很强的教学活动,教学方式十分灵活。目前,常用的教学模式有:情境教学、模拟仿真教学和超现实环境教学[5]。
情境教学法是遵循反映论的原理，充分利用形象，创设生动的场景，激起学生的学习情绪，从而引导他们从整体上理解和运用知识的一种教学法。虚拟现实技术在教学中虚构出一个逼真的实境教室，可以引起学生的亲切感和新鲜感，从而调动大脑皮层中的优势兴奋中心，提供想象与思维的前提，然后通过老师或者问题设置引导学生对问题做层层深入的思考，挖掘学生大脑潜在的能量，使他们能在一种轻松愉快的情绪下保持旺盛的学习热情，最终掌握知识和学会运用知识的能力和方法。这种模式的具体应用有人体解剖模拟训练和外科手术的模拟学习环境[6]。
模拟仿真教学主要是通过虚拟现实技术介绍客观事物各方面的信息，通过软件开发虚拟客观事物的状态、运动方式及过程，使得学生更容易摆脱枯燥的课本说教和计算机屏幕冷冰冰的界面，活生生地处在一个可以由自己控制的环境里。在学习活动中，学生通过虚拟实践将知识转化为技能，使其满足自身的需要。这种模式的具体应用如深圳大学建立的《基因工程学虚拟实验室》[7]。
尽管虚拟实践仍以客观现实性为出发点，但已不再局限于以往实体环境中的劳作经验，而是把人类积累的经验和知识融会到“预设”对象的计划或设想中，经过虚拟实践综合的技术处理，对大量现实素材进行可控的叠加、分解、重组、试探和验证（这个过程足以容纳从概念、判断、推理到归纳、演绎的各种感性、知性和理性的认识形式），来寻找和发现事物各种新的可能性，并展示其接近现实的真实图景。这样，虚实两极就被有机统一起来，进入一个人－机交互的境界。超越型是指现实生活中存在但不能看到的，大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察，彻底打破了空间的限制；幻想型是指在现实中是完全不存在的，如科幻方面等。这种教学模式在医学上应用较少。
4 虚拟现实技术应用于实验教学的不足
仿真虚拟实验快速、方便、简洁,比较真实地模拟了整个实验的过程。但是与实际实验手段相比必然存在一定的差异。虚拟技术的局限性如下: ①缺少“实物感”。例如常用的手术器械、实验设备等，在虚拟实践教学中，学生是“看的到、摸不着的”。②虚拟技术很难完全反映现实生物学的复杂性。如细胞培养过程中遇到的污染问题、手术过程中大出血等，学生难以积累这方面的知识与经验。③在实际实验时,尽管操作正确,但有可能存在不良后果,这些现象在虚拟实验中绝对不会出现。实际实验过程中问题的检查和排除可以锻炼学生自己分析问题、解决问题的能力,使其实践动手能力大大提高
虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，以前所未有的方式将学生和实验仪器联系起来，为学生提供了一种崭新的实验方式。在使用虚拟实验室的过程中，如果能把模拟的与真实的相比较，加强学习者之间的相互合作，并注重激发学习者的兴趣、促使其进行探究，那必将会产生巨大的教育价值。
参考文献：
[1] 王宇飞. 虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].教学与管理.2005，1：88－89
[2] 虚拟现实研究现状及发展趋势http://www./bencandy.php?fid=85&aid=1001
[3] 刘筱兰，张薇，程惠华，等. 虚拟实验室的类型及发展趋势[J]. 计算机应用研究.2004，11：8－10
[4] 石向群，邬亚华. 虚拟实验室在医学实验教学中的运用探索[J].卫生职业教育.2004，22：23－24
[5] 葛萱,王清. 虚拟现实技术在教学中的应用模式探析[J]. 中国医学教育技术.2007，21(3)：198－201
[6] 郭彦铮,岳建华. 谈医学模拟技术的发展[J]. 中国医学教育技术.2005，19(6)：429－431
[7] 张凡,吴燕玲,刘青. 基于3D引擎的虚拟实验室开发与教学应用[J].电化教育研究.2007，171(7）：37-40
