虛擬仿真技術(shù)在家畜解剖教學(xué)中的應(yīng)用

李方正++++姜忠玲++++宋學(xué)雄++++高善頌

摘 要： 為了增強(qiáng)農(nóng)業(yè)院校的家畜解剖學(xué)課程教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中是家畜解剖學(xué)教學(xué)改革的新嘗試。本文主要討論虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及家畜解剖學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀和前景。

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真 家畜解剖學(xué) 三維模型

1.引言

家畜解剖學(xué)是農(nóng)業(yè)類高等學(xué)校動(dòng)物醫(yī)學(xué)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，本課程主要講授正常家畜、家禽的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、器官的位置關(guān)系和發(fā)生發(fā)展規(guī)律。本課程的特點(diǎn)是名詞眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于首次接觸動(dòng)物醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難，不知道應(yīng)該怎樣學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)課堂講授方式難以滿足現(xiàn)代化教學(xué)發(fā)展需要，虛擬仿真技術(shù)正逐漸應(yīng)用到各專業(yè)教學(xué)課程中，對(duì)教育行業(yè)產(chǎn)生了巨大影響。

2.虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)是用計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界事物的技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工交互、人工智能和傳感技術(shù)等。具有真實(shí)性、交互性和沉浸性的特點(diǎn)，逐漸成為現(xiàn)代教育技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，應(yīng)用于不同專業(yè)教學(xué)過(guò)程中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在人類醫(yī)學(xué)上得到了廣泛應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)空間和經(jīng)費(fèi)的限制，在充分保證教學(xué)效果的基礎(chǔ)上，不僅節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，而且大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。使學(xué)生通過(guò)虛擬場(chǎng)景的人機(jī)交互，由視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等手段獲取場(chǎng)景的反應(yīng)，通過(guò)學(xué)生自我組織，制訂并執(zhí)行學(xué)習(xí)計(jì)劃，進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，開(kāi)展適應(yīng)式學(xué)習(xí)。很多高校、科研院開(kāi)發(fā)了人體解剖虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、虛擬動(dòng)畫(huà)、三維網(wǎng)絡(luò)課程等應(yīng)用于理論和實(shí)踐教學(xué)，充分發(fā)揮了現(xiàn)代教育技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高了教學(xué)水平。

1989年美國(guó)首先開(kāi)展了“可視虛擬人”的計(jì)劃，并于1994年完成世界第一例男性“虛擬人”數(shù)據(jù)采集，1998年完成女性虛擬人數(shù)據(jù)采集，共采集到56GB的數(shù)據(jù)。隨后，韓國(guó)“可視韓國(guó)人”項(xiàng)目于2000年完成第一例韓國(guó)人標(biāo)本的數(shù)據(jù)采集；2003年，鐘世鎮(zhèn)主持的“虛擬中國(guó)人”項(xiàng)目完成中國(guó)人體數(shù)據(jù)的采集工作。以這些虛擬人數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，對(duì)人體器官進(jìn)行了三維重建，精細(xì)逼真的三維結(jié)構(gòu)為人體解剖學(xué)提供了大量素材。基于虛擬人體數(shù)據(jù)集產(chǎn)生了很多人體解剖三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于人體解剖學(xué)教學(xué)。在仿真平臺(tái)上可以對(duì)人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行任意角度旋轉(zhuǎn)、縮放、標(biāo)注等操作。便于教師教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。2010年10月在上海世博會(huì)期間，瑞典首次向公眾展示了代表先進(jìn)醫(yī)學(xué)虛擬仿真技術(shù)的“虛擬解剖臺(tái)”。此虛擬解剖臺(tái)數(shù)據(jù)來(lái)源于人體的磁共振（MRI）和CT成像數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)處理將這些數(shù)據(jù)從二維平面圖變成真實(shí)感極強(qiáng)的三維模型，將人體內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)完整地展示出來(lái)。這款虛擬解剖臺(tái)可用于人體解剖學(xué)教學(xué)，學(xué)生用手指通過(guò)觸摸屏進(jìn)行人體器官操作，能完整地展示骨骼、血管、肌肉等的不同形態(tài)，還可以移除或添加內(nèi)臟器官、血管、神經(jīng)等結(jié)構(gòu)，從而理解各器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)和相互位置關(guān)系。

3.虛擬仿真技術(shù)在家畜解剖學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀

家畜解剖學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，家畜的器官標(biāo)本、模型等教學(xué)材料在本課學(xué)習(xí)中有重要作用。但是近些年隨著招生規(guī)模擴(kuò)大，一般理論授課時(shí)學(xué)生人數(shù)較多，不能發(fā)揮標(biāo)本、模型的作用，學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)課上觀察標(biāo)本、模型。虛擬仿真技術(shù)在家畜解剖學(xué)中的報(bào)道較少，由于數(shù)字人的數(shù)據(jù)采集方法投資巨大，過(guò)程復(fù)雜，需要多領(lǐng)域?qū)I(yè)人員合作完成，目前還沒(méi)有完整的大家畜（牛、馬等）虛擬解剖系統(tǒng)。很多科研機(jī)構(gòu)利用數(shù)字人的數(shù)據(jù)采集方法對(duì)豬、兔、小鼠、大鼠等動(dòng)物進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和虛擬仿真工作。Maierl等在1999年報(bào)道了第一例“可視化狗”，但其數(shù)據(jù)不完整，沒(méi)有四肢部分的結(jié)構(gòu)，而且圖像不精細(xì)。2005年9月，重慶理工大學(xué)、第三軍醫(yī)大學(xué)和重慶市畜牧科學(xué)研究院共同完成了世界第一例“數(shù)字可視化豬”數(shù)據(jù)集的采集工作，圖像質(zhì)量比較高，能夠清晰顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1]。2014年，連國(guó)云[2]采集完成了“數(shù)字化新西蘭兔”的數(shù)據(jù)集。但是對(duì)于家畜解剖學(xué)重點(diǎn)講授的牛、馬等大家畜，還沒(méi)有虛擬解剖數(shù)據(jù)集的報(bào)道。主要原因是牛、馬的體型比較龐大，采用數(shù)字人運(yùn)用的冷凍銑削設(shè)備無(wú)法完成銑削，牛、馬等動(dòng)物只能采用其他方法建立三維模型，雖然這些模型不如冰銑削得到的數(shù)據(jù)精確，但是仍然能夠在家畜解剖學(xué)教學(xué)中發(fā)揮巨大作用。蘇楊生[3]等報(bào)道了通過(guò)3D Max軟件建立了牛的椎骨模型，并建立了交互程序，學(xué)生可隨時(shí)隨地進(jìn)入程序觀察解剖標(biāo)本。張蕾[4]等采用Photoscan軟件對(duì)動(dòng)物頭骨進(jìn)行了三維重建。付大鵬等[5]采用三維激光掃描儀獲得了動(dòng)物股骨的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維重建，得到了股骨的三維模型。以上研究成果為虛擬仿真技術(shù)在家畜解剖學(xué)中的應(yīng)用提供了思路和教學(xué)資源。

4.虛擬仿真技術(shù)在家畜解剖學(xué)的應(yīng)用前景

虛擬仿真技術(shù)在家畜解剖學(xué)及相關(guān)專業(yè)有著非常廣闊的應(yīng)用前景。三維模型能夠形象清晰地展示動(dòng)物的解剖結(jié)構(gòu)和器官的相互位置關(guān)系。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⒗碚撌谡n中教師采用圖片、照片等素材難以描述清楚的概念、結(jié)構(gòu)給學(xué)生以感性認(rèn)識(shí)，能夠加深學(xué)生的理解程度，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和記憶。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⒊橄蟮慕Y(jié)構(gòu)變具體，使枯燥的概念形象生動(dòng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，突破傳統(tǒng)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)空間和時(shí)間的限制，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自由地學(xué)習(xí)，方便自學(xué)。綜上所述，虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)⒓倚蠼馄蕦W(xué)的抽象教學(xué)內(nèi)容形象地展示出來(lái)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，極大增強(qiáng)家畜解剖學(xué)教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建勛，徐凱，邱宗國(guó).世界首個(gè)三維可視化的數(shù)字豬.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，（03）：69-73.

[2]連國(guó)云.數(shù)字化新西蘭家兔的三維結(jié)構(gòu)重建研究.計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用，2014，（12）：24-26.

[3]蘇楊生，宋斯偉，李穎，等.牛骨骼模型三維數(shù)字化重建.黑龍江畜牧獸醫(yī)，2015，（09）：249-250.

[4]張蕾.動(dòng)物骨骼三維重建的探索.四川文物，2014，（06）：81-83.

[5]付大鵬，樊海燕.基于反求工程的動(dòng)物腿骨三維實(shí)體重建與分析.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，（18）：49-51.

基金項(xiàng)目：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色名校建設(shè)工程教學(xué)研究項(xiàng)目（XJG2013056）。