基础医学实体教学模型三维虚拟化的初步实践

黄启川 王金花 马卓飞等

摘 要：文章简单阐述了实体教学模型虚拟数字化应用于基础医学教学的实践意义和实现基本途径，并结合实例介绍实现实体教学模型的仿真效果，以及制作产品整合展示的专题网站，从而达到在信息教学环境下方便师生课内外浏览，通过虚拟教学模型促进学生了解人体或人体器官的结构、形状和特征。

关键词：基础医学；教学模型；3D模型

中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2015）12-0082-03

一、引言

民族医学院校基础医学教学传统的媒体教学方式多以文字、图片、声音或视频资料出现，必要时加以课堂展示医学实体模型，满足教育课堂的需要。而传统的教学模型具有价高、易损、不便携带、不能修改、同规格模型数量少等不足，应用计算机软件结合多媒体技术建立基于三维技术的虚拟模型资源，则可以克服传统教具的一些缺点。因为实体模型虚拟化采用了三维数字化技术、高分辨显示的科学可视化技术，能够在常见的显示器屏幕呈现逼真的虚拟场景，并能使用户与场景进行实时交互，感知和操作虚拟对象，成为现有教学模型较好的辅助资源新形式，使学校的实体教学模型分别存在于现实世界和虚拟世界，实现虚实的有机融合[1]，互为补充，各自发挥优势。我们进行初步研究和探索的教具涉及基础医学的多门课程，包括人体解剖学、组织学与胚胎学、病理学、口腔组织病理学、民族民间医疗技法，在此简要介绍教学模型三维虚拟化的必要性、一些实例和做法，希望有一定的借鉴作用。

二、教学模型资源三维虚拟数字化实践意义

首先，可以在教学使用中部分取代实物模型，从而消除了实物模型因体积或重量造成的携带不便的缺点。另一方面，传统的实物教学模型随着时间推移而逐渐老化、变色并且不能够修改，把这些实物模型仿真现实数字化是科技时代不断进步的需要。虚拟模型还可以起到保存部分稀缺资源的作用，如人体胚胎发育标本，当前购买的途径越来越少，通过三维虚拟处理可以延续发挥其应有的作用。

其次，医学教学虚拟模型可以载入网络，改变以往课本上只是平面图片模型图的单一学习媒体，弥补传统教学模型的局限，扩展模型教育活动空间，对提高学生分析问题、解决问题的能力和自学能力有很大的帮助。虚拟模型有生动的三维表现能力、更强大的交互能力，可以极大地促进学生自主学习的兴趣，从而为场景式教学、任务驱动式教学等教学改革提供一个非常好的教学内容展示形式[2]。

再次，结合民族医学院校的教育条件，开展教学模型资源三维虚拟数字化实践，进行教育资源本地化建设，挖掘本土潜力，更好发挥本土资源优势也是很有意义的。3D技术是近十几年来兴起的新媒体资源，尚未十分普及，学校的技术环境滞后于时代，因此，我们开展教学模型资源三维虚拟数字化的实践与应用，有利于扩展学生的技术视野与经验， 接触逼真体验和基于自然的人机交互，有益于他们未来对现有基础的超越与创新，也为今后教育技术研究工作做些有益的探索。

三、教学模型资源三维虚拟建模技术实例设计与建设

随着计算机技术的发展，目前应用于教学模型的三维虚拟场景可视化制作技术逐渐增多，最终主要有WRL、FLASH等格式和JAVA环境应用格式，这些格式都很方便在网络中应用共享。

而虚拟现实三维建模技术中，主要有基于几何模型的三维建模技术和基于图像的三维建模技术两种。基于几何模型的建模技术是以计算机图形学为基础，用多边形构造虚拟对象三维几何模型，然后进行纹理映射、模型的可见消隐和控制参数的设定等。基于图像的建模技术是利用照相机采集的静态图像或摄像机采集的动态图像作基础数据，经过图像处理生成仿真的三维模型。此建模方法需要高性能的照相与摄影装备，比较适合于真实自然场景的仿真[3]。

案例一

利用三维建模软件3DMAX和VRML语言完成虚拟胎儿期（人体发生第4～8周）圆柱体胚体的设计实例，其交互性及沉浸性有利于学生从各个角度观察和学习。具体的设计方法和实现途径如下：

（1）利用3DMAX制作管状体3个，为使它们能互相包含，注意各个管状体的内径和外径高度的设置输入数值有机衔接，分别输出为WRL格式的三维部件。

（2）在VrmlPad编辑软件中引用调入上一步生成的WRL格式部件，并调整好三者的位置关系。

（3）在VRML编辑工具中找到中小管状体，分别增加PlaneSensor节点，结合translation_changed事件，调整并测试对应管状体，用鼠标拖拽被感应的管状体时的移动范围，最终形成整体结构和操作具有一定教学内容意义的模型（见图1）。

案例二

基于图像的建模技术生成WRL格式的虚拟场景。由于实际的教学实体模型很多是非对称结构的，需要综合应用一些3D建模软件开发制作。

（1）使用数码相机抓拍物体、人物或场景，利用类似PhotoModerler Pro之类软件将照片转换成初步的三维模型（见图2）。

（2）在对模型有了整体的了解之后，借助强大的3DMAX进行修改整合完成模型的建设（见图3）。注意灵活运用3DMAX中的基本几何体建模、扩展几何体建模等三维建模技术[4]。

（3）把制作的3D模型载入三维浏览器中（普通浏览器安装如Cortona或BS contact程序插件，或在PPT中的控件工具箱点选BScontactVRML control对象），即可体验生动的三维表现能力和强大的交互能力（见图4）。

四、实体教学模型虚拟化建设与整合

教师在针对教与学制定教学设计、选择教学资源方面很有发言权，所以我们与一线教师主动联系，让他们提供课堂上常用的教学模型，由我们制作成三维虚拟模型后再交给教师应用于实际课堂辅助教学，学生反应较好，这也提高了教师的积极主动性，更多的教师参与到项目建设工作上来，让项目建设得以有效持续开展。另外，整合已经建设的三维模型形成一个专题网站，网站放在学校中心机房服务器，方便师生的浏览与调用，成为师生教学的辅助资源，也成为教师参加各级教学课件、软件比赛交流和撰写教研论文的特色资源。

例如在整合三维模型网站环节，我们结合360°可环视FLASH技术，制作成“实体教学模型虚拟馆”的新颖虚拟样式，突出网站虚拟特点，用户可以自由操纵场景位置并点击模型图案进入所选模型的三维展示页面（见图5）。

五、总结与展望

虚拟3D模型良好的拟实性可以弥补传统实体教学模型的一些不足，用户可以通过IE浏览器与场景进行实时交互，感知和操作虚拟对象，逼真感受到这些数字模型教具的存在。通过虚拟场景向学生提供更为丰富的信息，为学生营造出形象逼真的学习环境，活跃思维，增强教学的趣味性和启发性，形成有利于知识意义构造的学习情境，使课堂得到优化。

目前本项目的部分成果已初步构建原创微3D网站（http：//210.36.228.39/wei3d），以供用户通过网络随时在线调用，还分别置入基础医学的多门精品课程，并发放给基础医学多个教研室的教师近百个三维模型供实际教学使用，在相应内容课件里嵌入项目相应的教学模型虚拟场景，实现师生对实体属性的感受性需求[5]，深受教师和学生的喜爱。但距离满足师生对虚拟现实世界的要求还很远，还有许多关键性的技术需要我们深入学习和探讨。

参考文献：

[1]张立新.两种世界两个课堂[J].中国电化教育，2009（6）：7-9.

[2]刘洁，解继胜，王金花，等.虚拟3D胚胎模型在胚胎学教学中的应用[J].解剖学杂志，2012，35（3）：405-407.

[3]邓敏，陈海波，黄启川，等.虚拟3D牙体模型在牙体解剖学教学中的探索与实现[J].解剖学杂志，2012，35（5）：696-698.

[4]姚念近.机械制图课程的虚拟三维教学模型库制作[J].计算机光盘软件与应用，2013（4）：297-298.

[5]马卓飞，林艳明，蒙缜之，等.民族医学网络课程的设计与应用实践[J].中华医学教育杂志，2013，33（5）：729-731.

（编辑：鲁利瑞）