虚拟现实技术在动物组织胚胎学实验教学中的探索与实践

张虹亮 ， 王水莲 ， 段德勇 ， 屠 迪 ， 刘进辉

(湖南农业大学动物医学院 ， 湖南 长沙 410128)

动物组织胚胎学是畜牧兽医专业必修课程，属于专业基础课。该课程是一门形态学课程，教学主要包括理论课和实验课2部分。其中，实验课主要是通过验证理论课所学知识，使学生进一步巩固和加强理论课所学内容，加深他们对理论知识的理解和记忆，同时培养学生理论联系实际、抽象联系具体及动手观察能力。动物组织胚胎学实验课的传统教学模式是学生们结合理论课所学的组织和器官微观结构特点，通过显微镜观察教学切片中的细胞、组织和器官微观形态，并在当堂课上绘制组织切片图，最终通过实验操作考试评价学生的学习情况。因此，学生能否正确理解和掌握动物组织形态结构，是本实验课教学效果评价的核心部分。通过一线教学我们发现，通常实验课前很多学生对于理论课所学的知识点都会有不同程度的遗忘，这在一定程度上影响了实验课的教学效果，降低了学生对实验课的积极性和热情，如何让学生在实验课开始前复习回想起理论课所学的内容，对于一些重点的组织结构能先有一个整体的认识，是动物组织胚胎学实验教学中需要重点解决的问题。

近年来随着科学技术的发展，虚拟现实(Virtual reality，VR)技术正作为一项新技术被应用于教育教学工作中，并逐渐受到大家的关注和认可[1-2]。与此同时，它也为包括动物组织胚胎学在内的形态学课程提供了新的教学手段。将VR技术引入动物组织胚胎学实验课可弥补传统实验课教学中的不足，使学生在实验课开始前就能对本堂课所要观察的组织微观结构有整体的认识，提高学生的学习效率，激发学生的学习兴趣。本课题组通过设计新的教学模式，尝试将VR技术引入到动物组织胚胎学实验教学过程中，随后观察学生课堂学习、绘图作业及实验课课程考试情况，并结合学生的问卷调查反馈结果，确定VR技术在动物组织胚胎学实验教学中的应用是可行且有效的。

1 虚拟现实技术的概述

虚拟现实(VR)是近几年被广泛应用于各个领域的一种高新技术，又被称为人工现实、人工环境或灵境技术[3]。VR技术产生于20世纪60年代，但直到20世纪90年代，这项技术才真正兴起[4]。其主要是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟环境，并借助输入设备进入虚拟环境进行自主交互操作，使体验者产生仿佛在真实场景中的感觉，并能够及时、无限制地观察三维空间内的虚拟现实幻景与事物[5]。它主要通过2种形式开展，一种是通过佩戴特殊头盔、眼镜和传感手套等外部设备，以头的转动、身体的移动等与计算机生成的虚拟世界中的对象进行交互操作，产生如同在真实环境中的感受和体验；另一种则是通过计算机桌面，利用鼠标和键盘等输入设备进入虚拟空间，进行实时交互操作[6]。VR技术主要具有沉浸感、交互性和想象性3个特点，使用者在虚拟环境中可同时获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，可增强学习者对学习内容的感知程度、认知程度、提高感性和理性认识[7-8]。

虚拟现实技术的应用领域非常广泛，如模拟飞机、船舶、车辆驾驶训练；虚拟战场环境，虚拟现实作战指挥；虚拟现实建筑物的展示与参观；虚拟现实影视艺术等方面[9]。如今VR技术也已经开始进入教学领域[1-2]。通过VR技术的应用可把教学中的抽象概念、原理、真实的实验过程等形象生动地展现出来，帮助学生获得知识，理解概念和原理，提高学生掌握知识和技能的效率，优化教学过程。美国是VR技术最先进也是最早将VR技术与教学相结合的国家[10]，例如卡耐基·梅隆大学、密歇根州立大学、麻省理工学院等高校都开发了虚拟实验室及教学平台，以多样化的教学技术丰富课堂学习，提高学生的学习参与度[11]。虽然VR技术在我国开展的时间比较晚，但其在教育方面的发展却越来越受到关注，例如清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；大连理工大学研发了一套化学虚拟实验系统；北京航天航空大学和哈尔滨工业大学利用VR技术分别在分布式飞行模拟和人机交互技术方面进行深入研究，并获得一定成果[1,12]。此外，一些高校也开设了以虚拟现实技术作为辅助教学工具的计算机、建筑学等有关课程[7]。本单位湖南农业大学动物医学院也已将VR技术引入外科手术实验教学中，从观察学生学习和课后实践情况可以确定，VR技术在兽医临床实验教学中的应用是有效的。但目前为止还没有将VR技术应用到动物组织胚胎学教学的实例，笔者所在的动物组织胚胎学教研室通过设计，将VR技术引入到动物组织胚胎学实验课教学课堂中，并取得了良好的教学效果。

2 VR技术在动物组织胚胎学实验教学中的应用设计

2.1 数字切片的制作 组织切片的数字化主要通过3D HISTECH(Pannoramic 250/MIDI，匈牙利)扫描仪扫描教学组织切片，通过Caseviewer 2.0软件进行图像预览及保存。Caseviewer 2.0浏览软件可真正脱离显微镜视野的阅片途径，实现全景扫描观察，具有1～40倍无损放大，不漏视野，清晰度高，方便注释标记和导出图片的优点。本课题组将实验课中所涉及的组织切片通过上述方法将其转变成数字化切片，做好详细标注后导出备用(中插彩版图1)。

2.2 VR设备的设计与使用 将扫描好的组织全景图片应用智能手机“VR Gallery”应用软件导入，按如下步骤将手机与VR眼镜结合并观察。具体操作方法如下：(1)打开手机VR应用软件“VR Gallery”，并导入全景扫描组织切片图(中插彩版图2)。(2)手机安装入VR眼镜中：手持VR眼镜按压防滑点，向外打开手机夹，保持手机屏幕中线对准VR眼镜对中标识，将手机向下放入固定支撑板或活动支撑板。通过细微调整手机位置，使手机屏幕水平居中后，合上手机夹持件(图3)。(3)VR眼镜的佩戴与调节：将VR眼镜带到头上后，学生可根据自身视力的不同，旋转物距调节旋钮(图3)，使图像清晰度达到最大；根据自身瞳距的不同，微调瞳距调节按钮至左右视野图像自然重合，以获得最佳的视觉效果。随后，学生们就可以通过头部的转动观察不同视野下的组织结构。

图3 VR眼镜的构造A:头带拆卸按钮； B:物距调节按钮； C:对中标识； D:活动支撑板； E:手机夹持件； F:防滑点

2.3 VR技术在动物组织胚胎学实验教学中的应用 本课题组随机选取湖南农业大学动物医学专业2017级2个自然班进行动物组织胚胎学实验课教学，其中1个班级作为试验班应用VR技术结合传统教学模式，另1个班级作为对照班只应用传统教学模式。试验班的具体教学模式为首先由教师通过传统多媒体PPT介绍本次实验课的教学目的、仪器设备及教学内容等，随后预留10 min时间组织学生应用VR眼镜和智能手机观察本次实验课的全景组织切片图，剩余时间学生操作显微镜观察实物教学组织切片和完成生物绘图作业，期间允许学生们在观察显微镜的过程中继续利用VR眼镜观察全景组织切片图。对照组班级则按照传统教学模式开展教学，不设置VR眼镜观察组织切片图环节。

3 VR技术应用于动物组织胚胎学实验教学效果评价

待学期课程结束后，通过学生动物组织胚胎学实验课期末总评成绩(30%平时作业成绩+70%实验考试成绩)和问卷调查2个方面评价VR技术在动物组织胚胎学实验教学中的效果，结果采用SPSS 17.0软件进行数据分析，数据以“平均值±标准差”表示，采用t检验比较两组间差异，以P<0.05为差异有统计学意义。结果表明，试验组班级学生期末总评平均成绩为(76.72±2.12)分，而对照组班级期末总评平均成绩为(67.70±1.39)分，试验组成绩与对照组成绩相比显著提高(P<0.05)。调查问卷结果显示，有84.62%的学生认为这种新教学模式进课堂可以让上课更有趣，并对他们学习动物组织胚胎学课程有帮助；有88.50%的学生认为VR技术应用到动物组织胚胎学实验课中能够辅助显微镜观察组织切片，使他们能够更好的学习和理解组织微观结构。

4 讨论

通过此教学试验的开展，提示VR技术应用到动物组织胚胎学实验课的教学中可以显著弥补传统实验课教学模式的不足，增加学生的学习兴趣与热情，能够有效的提高学生的学习成绩。但是，这种教学模式目前还存在一些缺陷：(1)本试验所使用的VR眼镜设备还比较低端，学生通过这个设备所看到的图像还不是高清图像，并且有些学生在观看过程中会出现眩晕情况，影响观感；(2)数字切片的多样性还不足；(3)学生可能会形成依赖性，使他们在显微镜下独立阅片的能力下降等。这些问题可以通过进一步开发、升级软件和设备，采购和制备更多的数字切片，合理分配实验教学中显微镜的使用时间及次数等来解决。相信随着科技的不断进步和教学改革的不断深化，VR技术在动物组织胚胎学实验课中的应用一定能够得到大范围的推广并达到理想的效果。