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虚拟现实技术在医疗教育上突破的关键技术应用研究-张铸

2021-04-07

1 引言

虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR) 1989年由美国的J. Lamer提出,是利用计算机生成一种三维模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等),通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术,是近年来十分活跃的技术研究领域,与互联网、多媒体技术一起被称为21世纪的三大关键技术。虚拟现实技术能使人产生身临其境的感觉,允许学习者以自然的方式进行交互,这独特的魅力使得其作为一种新型的教学媒体,自20世纪90年代初以来,一直是教育领域研究、开发的热点之二“虚拟现实之父”G.Burden曾指出,虚拟现实具有三个最突出的特征,强烈的身临其境沉浸感、友好亲切的人机交互性和激发人想象的构想性。

虚拟现实技术应用于教育领域的研究最早出现在美国,之后是澳大利亚、英国、西班牙等,我国在这方面的研究最早出现在2011年,相对较晚。虚拟现实技术出现早期主要是针对技术本身的探讨,随后主要是探讨虚拟现实技术在教育中的初步应用,如其在教育中应用的价值、效果、利弊等。随后,研究者开始探讨基于虚拟现实技术环境、场景等的设计,形成与各学科教学相结合的研究趋势。其中,虚拟现实技术在特殊教育中的研究探讨也是今后发展趋势之一。国内已有研究阐述了虚拟现实技术在肢体障碍、听力障碍、视力障碍及其他类型特殊儿童教学、治疗与训练中的应用,并对如何解决存在的问题提出了建议。2014年,美国最新发布的《自闭症谱系障碍儿童、青少年及成人循证实践报告》首次将“技术辅助教学与干预”列为27种实证支持的有效的实践之一,充分肯定了针对自闭症儿童、青少年、成人实施技术辅助教学与干预的有效性。与以往的干预技术相比,现代化技术或更能满足自闭症的需求,更能体现康复训练的优势,其中虚拟现实技术应用于自闭症康复训练及教学。

VR技术在医学方面的需求堪称庞大,而且医学诊疗中面临的众多疑难杂症对VR技术的快速发展则提供了强劲动力。目前,在人体结构数字化、虚拟手术训练、辅助教学冈、远程协作、康复治疗等方面,VR技术已得到成熟及深入的发展应用。其中,虚拟手术训练是VR在医学领域的主流重要应用。将VR与三维可视化系统结合,在交互式虚拟环境中表示各种器官、组织等信息,能够为医学人员提供自主学习和评估的功能。同时,低成本的VR系统在为新手医生锤炼和增强手术技巧方面已成为任何一家医疗机构的不错选择。虚拟手术训练可以辅助医生定制合理的手术方案,减少手术伤害,提高手术成功率。

2 虚拟现实技术在医学康复和教育教学方面的应用

2.1 虚拟现实技术的种类

VR技术是一个接近现实世界的一种虚拟环境,使用者可通过听觉、视觉、嗅觉等感受,还能与其进行交互活动。虚拟现实技术包括以下几类:

2.1.1 桌面式虚拟现实

桌面式虚拟现实系统通过计算机图像技术生成一个模拟3D空间,使用者可通过鼠标与键盘进行人机交互,但是在使用时会受到外界干扰,只能进行简单的选择、旋转与拖拽等操作,与真实环境进行互动还有一定差距。

2.1.2 沉浸式虚拟现实

该技术通过多媒体技术、传感技术与计算机3D图像处理技术,使用者借助虚拟现实手柄、手套、三位位置传感器等输入设备及电脑显示器、耳机、头盔显示器等输出设备与虚拟空间进行交互。与桌面式虚拟现实技术相比,其具有交互性、感知性以及沉浸感较强。

1.2.3增强式虚拟现实

该技术将真实环境与虚拟3D对象相结合,是沉浸式虚拟现实技术的变体。通过头盔显示器与手套等设备加强了使用者的真实感,同时还具备实时性、互动性、虚实结合等特点。

1.2.4分布式虚拟现实

该项技术又被称为数码录像机,也是一种虚拟现实系统,通过网络,将位于不同物理环境的多个虚拟环境或多个使用者相互连接。若多个使用者同时进入一个虚拟现实环境,也可以利用计算机与其他的使用者相互连接并进行信息共享。在分布式虚拟现实系统中,多个使用者可以借助网络在同一个虚拟环境中操作和观察,可达到相互协同工作的目的。可以说,这是一项能够支持多个使用者通过网络进行实时交互的技术,任何一个使用者都能够借助计算机网络,通过虚拟现实环境与他人进行交互并进行信息共享。

2.2 虚拟现实在医疗教育中的应用

虚拟现实技术目前在教育领域尤其是特殊教育领域还处于初步尝试阶段,尚未大规模地引入教育教学。VR技术在医学教学中的优势医学教学的实验对象较为特殊,专业名词较多,结构较复杂,传统的教学多为理论教学结合实验教学,常使用教科书、多媒体课件、教学模型、标本等教学资源,这些只能呈现出二维平面图像,缺乏立体效果,无法满足学生的教学需求,调动不了学生学习的积极性,而虚拟现实技术很好的克服了这些不足之处。通过VR技术,一台计算机就可显示出3D立体效果,既弥补了标本不足的问题,还能让学生更直观、更灵活的掌握知识。其中,在进行基础医学实验时,一些仿真软件能够帮助学生进行实验与操作前的指导工具,模拟实验操作的过程,让学生能够无限制的进行虚拟操作演练,教师从旁指导,不仅能够降低实验风险,还能提高教学质量。

由于其“沉浸性”和“交互性”的特点,能够创设各种各样逼真的学习环境,特别是模拟现实生活中难以接触的事物,所以在自闭症康复训练中具有广泛的应用前景。我国学者分析了国外虚拟现实技术在自闭症干预中的应用,依据自闭症不同的临床特点,认为虚拟现实技术可以应用于自闭症的语言、社会交往、认知、生活技能及自闭症缺陷等方面的康复训练。在总结国外自闭症儿童体感游戏研究现状的基础上,利用体感技术研究聚焦提高自闭症儿童、智力障碍儿童的动作技能、日常生活技能、社会技能等。这些研究的结果显示体感技术作为新的技术手段,对自闭症儿童、智力障碍儿童干预有积极效果。体感游戏自身的游戏性有助于提高自闭症儿童的主动性和参与兴趣,并且可以提供可控制和预测的教学内容,为自闭症儿童创造安全的训练环境,还可根据儿童个别差异实现个性化教学。但是,体感游戏只是对虚拟现实技术的初步尝试,未把虚拟技术的真正优势发挥出来,并且体感游戏侧重于动作训练,对自闭症语言、认知等训练没有充分体现。

2.2.1 语言训练

一些研究者探讨利用虚拟人物可帮助自闭症儿童语言学习的效果,结果发现干预后儿童语言能力所提高,并且儿童对虚拟人物呈积极态度,例如,Bosspip和Massaro开发了一个3D虚拟人物Baldi教自闭症词汇及功能语言,8名7-12岁的自闭症儿童参与实验,结果表明自闭症儿童在单词识别能力上有显著提高,并且在完成实验后1个月能回忆出85%的单词,其中7名儿童对与Baldi一同学习表现出高兴趣。随后,Bosseler和Massaro对其中6名儿童的语言技能的泛化能力进行了评估,结果表明6名儿童都能将语言能力泛化到新刺激、新环境中,如教室,或新的指导者,如教室协助员。

2.2.2 情绪认知

情绪识别以及自我情绪表达障碍影响自闭症儿童的社会交往、沟通等一系列能力的发展。多数研究证明,虚拟现实技术不仅可以提高自闭症儿童对他人的情绪认知,而且可以提高自闭症儿童自我情绪表达,并且经过虚拟现实技术训练的情绪表达更有利于泛化到真实场景中。例如,Lorenzo利用沉浸式虚拟现实技术训练并提高自闭症的情绪表达能力,研究根据自闭症的真实生活中的能力缺陷设计了10个虚拟场景,包括去参加朋友生日聚会、在教室听教师讲故事、参见每年一次的体检、与朋友玩捉迷藏等。这些场景的设计考虑到了自闭症儿童要有高兴、悲伤、害怕、失望等情绪表达。实验选用机器人摄像机记录参与者的表情。实验结果表明,与桌面式虚拟现实相比,沉浸式虚拟环境中自闭症儿童存在更适当的情绪表现。另一方面,在干预训练期间,沉浸式虚拟情景训练组自闭症儿童在真实学校环境中的情绪行为已经得到改善。这就表明沉浸式虚拟现实技术能够使自闭症儿童将虚拟环境中习得的技能泛化到真实环境中。

2.2.3 社会交往技能

已有研究利用各种技术改善自闭症儿童的社交及沟通障碍。利用虚拟现实技术训练的研究结果显示自闭症儿童在接受虚拟现实训练后社会交往能力有了显著提高,同时,也出现了积极的社会行为,该研究还显示自闭症儿童通过协作式虚拟现实训练,从简单游戏到复杂的、协调的游戏,他们的沟通能力也从简单的短语发展到更复杂深刻的话语。近年来,Kandalaft等人采用基于second life开发的VR - SCT虚拟场景先后对高功能自闭症青少年、自闭症儿童在社会认知、社交技能、社会功能方面进行康复训练。研究结果表明,自闭症青少年在社会认知中的心理理论、情绪认知任务中有显著提高,同时,在真实生活中社交技能都有所发展;自闭症儿童在情绪认知、社会归因任务中有显著提高。KeFF等人利用基于虚拟现实的社会交往系统对4名高功能自闭症儿童社会交往与沟通进行干预训练,在干预期间儿童发起会话、问候、回答问题表现上有所提高,并且能够积极地结束会话,在干预结束后儿童的社会理解能力也有所提高。

3 总结

虚拟现实技术是集视、听、触、嗅、运动等感觉于一体的交互式虚拟环境,使用者通过传感、交互、跟踪以及显示设备,可从任意角度与虚拟环境中的人或物体进行交互,其感受真实,仿佛身临其境一般。而医学是实践性极强的一门学科,实验几乎贯穿了整个医学教学过程,但是,实验教学质量却受到一定因素的影响,虚拟现实技术作为一种新型的教学手段应用在医学教育中,受到了教育界的高度重视与关注。该技术能够应用在基础医学教育教学、临床医学教学、中医教学、医学远程教育等教学领域中,不仅能够满足医学教学改革的需要、学生学习的需要、现代社会对教学媒体发展的需要,还能够对发展、探索现代教育思维、提高医学教育技术及水平、改善医学教育实验环境、优化教学过程以及培养具备创新能力与创新意识的人才产生重要的价值。传统的教学方式很难将医学教育中实践性较强、较为抽象的内容直观的展现给学生们,利用虚拟现实技术,将其引入医学教育中,构建医学虚拟教学系统能够弥补这些不足。不仅能够突破空间与时间的限制,将原本抽象的内容变为直观,有助于学生理解,同时,运用虚拟现实技术的交互性,能够将知识与技能有效的传达给学生。

总而言之,在医学教学中应用虚拟现实技术能够弥补传统教学中缺乏实验设备、实验经费以及实验场地等教学资源方面的不足,通过虚拟现实技术,能够让学生亲身体验各种实验,对提高其医学理论知识与实践动手能力有着积极的意义,不仅能够加深其对教学内容的理解,还能提高整体教学质量。此外,虚拟现实技术能够有效避免真实情境中危险,对于一些凶险的、罕见的病症,可反复进行演练,可提高麻醉学、急救医学等临床技能。随着虚拟现实技术的不断发展与完善,该项技术在医学教学中己日渐普及与成熟,将在医学教学领域中得到更广泛的应用。同时,这项技术为医学教育领域注入了新的活力,也将为现代教育带来新的挑战与机遇。