关于卫生职教个性化教学实验虚拟平台建模方法

2019-09-25 版权声明 举报文章

关于卫生职教个性化教学实验虚拟平台建模方法

论文关键词:卫生职教 个性化教学 虚拟现实技术 现代教育技术

论文摘要:虚拟现实作为一项前沿技术应用于教学,能为学习者提供逼真的临场感和自然的交互,从而提高其思雏认知。分析职业教育个性化教学实验的需求,论述将桌面型虚拟现实技术应用于卫生职教的可行性和现实意义,阐述卫生职教虚拟教学模型的具体建模方案以及在现代教育技术领域的拓展与升级。

1虚拟现实技术应用现状及前景

1.1技术简介

虚拟现实技术(vR)是以计算机技术为依托,综合多媒体技术、传感器技术、人工智能、人机接 口技术、实时计算、工程仿真技术等多学科为一体的前沿技术,它能生成逼真的视、听、触觉一体化的人工虚拟环境,用户能以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互【l1。它具有 3个特征:逼真的临场感、自然的交互、提高学习者思维认知。vR突破了人类认识的时空限制,大大拓宽了人类对现实世界及未知世界的感觉和认识 ,为人们的实践活动提供了崭新的环境和手段。在军事、制造、医学、设计、艺术、娱乐等领域,vR都有广阔的应用前景。

1.2教育颔域应用现状及前墨

对教育领域而言,运用 VR能够通过计算机将三维空间或实物模型的意念清楚地表示出来,能使学习者直接 、自然地与虚拟环境中的各种对象进行交互,并通过多种形式参与事件的发展变化过程,从而获得最大的控制、操作整个环境的自由度[21。这种呈现多维度信息的虚拟学习和培训环境,以最直观、最有意义的方式为学习者掌握一门新知识、新技能提供崭新途径。 普遍意义上讲,完整的 vR系统需要高级计算机、头盔式显示器、数据手套、洞穴式投影等昂贵的硬件支持设备 ,这对于大多数教育教学单位都是难以承受的,从而严重制约了VR系统在教育教学中的推广应用。但在科技多样化发展的今天,VR系统也呈现出多样化的发展趋势,vR系统配置可以根据目标需求而定。设备投资大、开发周期长的复杂VR系统,一般应用于高校或航天军事等高端技术工作领域。而桌面型vR系统仅使用电脑单机,显示器是学习者观察虚拟环境的一个窗口,学习者可通过使用简单的外设(如鼠标、立体眼镜等)来驾驭虚拟环境和操纵虚拟物体,虽缺乏完全沉浸功能,但其结构简单、硬件成本低的特点非常适合在我国的普教、职教领域推广应用。

2 VR在职教个性化教学实验中应用的可行性

2.1 职教学情现状

在各类职业学校中,普遍存在的问题是学生学习兴趣不高,特别是在枯燥、乏味的理论知识学习中,这一问题尤为突出。但学生对于新颖事物具有强烈的好奇心和较高的动手愿望 ,因此, 在讲授理论知识时,辅以演示、实验、实训 ,并使人人都能动手参与,将会激发学生学习兴趣,从而提高教学质量。但这种教学方法存在一些问题:模型、设备、实验、实训条件有限,特别是一些价格昂贵的设备 ,不可能人人都能动手操作;盲 目操作会导致设备损坏,需要一定维修费用;在同一个地方完成理论、实践教学并不现实。

2.2 个性化学习

个性化学习是一种新的学习观,是伴随近年来教育改革发展,针对传统教育大统一的弊端提出来的。它是以学生原有的知识经验和个性特征为基础 ,以学生内在需求为核心 。以每个学生学习能力与个性的自由、充分、和谐发展为目标而实施的学习活动_l1。个性化学习中,师生处于分离或准分离状态,教师由传统教育中的主导者变为可利用的教育资源,成为教学资源中的一个组合因素,而学生也从被动接受教育的对象变为教育资源的选择者和利用者。由此可见,最为简单、易行的个性化学习载体就是基于web的学习动手实践,B/S模式、互动操作,可激发学生兴趣,从而自定义完成学习、实践任务。

2.3虚拟教学模型在个性化教学实验中的应用价值

就教师而言,实现了从传统讲授一简单图文课件讲授一简单图文课件+虚拟教学模型讲授的转变。既充实了教学内容,又丰富了教学手段和形式。同时,虚拟教学模型是使用计算机模拟出的实物形态,其使用同课件一样方便,既能达到直观教学的效果,也能使师生获得临场感,增强师生互动。

就学生而言,在计算机屏幕上观察到的是用vR技术数字化后的实物,只要有网络环境或在家登陆学校的模型web服务器,学生就可动手操作,同时有了直观模型的临场体验后,学生在面对实物操作时也易上手,杜绝了盲目操作。学生也可以通过协作探究解决问题。此外,卫生职业院校还承担着成人教育的培训任务 ,对于一些短训班或远程教学,在授课时演示或在web上一些虚拟教学模型,可帮助学员理解知识,并在一定程度上解决实验课中存在的问题。

虚拟教学模型可以通过编程定制、更新内容 ,节省了教学成本,有利于职教事业的可持续发展。另外,虚拟教学模型还可虚拟出一些新型的装备用于教研活动,体现出教学的前瞻性和创新性,如虚拟科学实验室、虚拟校园、特殊教育、仿真实验、专业实训等。

3卫生职教虚拟平台建模方案

针对卫生职教的教学特点,可以开发 4类桌面型虚拟现实应用 :模型演示、过程仿真、场景展示、仪器操作。为满足个性化教学需求,均采用B/S的模式。

3.1模型演示(人体解剖学、口腔解剖学教学)

功能需求 :虚拟口腔模型、器官模型在屏幕中三维立体显示 ,可用鼠标进行任意角度的调整观察 ,配合讲解,使学生获取最近乎于真实的感受。

可行性技术方案:Java Applet、Java 3D技术配合使用 3D模型辅助设计软件 (设计需导出 VRML2.0或 OBJ格式文件 ,如3D SMAX)。

论证:由需求可知,这种三维设计是基于图形建模的,可选用 VRML和 Java 3D技术在 web上 3D图像 。与传统VRML相比,Java 3D的功能和可编程性更强,具有 Java丰富类库的支持和良好的跨平台性,考虑构建 3D简单模型,并配合专业 3D模型设计软件构建复杂模型。客户端提供用户实验的环境主要采用 Java Applet来实现,使用 Java Applet编写图形用户界面,仿真计算任务由浏览器的 Java Applet完成 ,使用 Jav3D实现虚拟实验场景的3D显示,两者嵌入 HTML文件网页构成用户的前台操作界面,支持 web方式。

3.2 过程仿真(虚拟化学实验、虚拟口腔设备操作与维修)

功能需求:用户可直接操作 web中虚拟的化学实验装置和化学药品,完成实验。

可行性技术方案:同 3.1,但需考虑场景和复杂的操作交互 ,其程序编制较 3.1复杂。

3.3场舞展示(口腔诊所布局、ICU布局)

功能需求:真实再现室内环境格局、设备布局 ,可由鼠标控制,转动到任意视角浏览 ,用户有临场感。

可行性技术方案 :超广角镜头转台摄影+静态图象 360。全景拼合显示技术(QTVR或 Java编程)。

论证:由需求可知 ,最简便的方法是基于静态图象进行建模。QTVR运用相机拍摄的真实全景图像来构建虚拟现实空间与计算机图形设计或其他 VR技术相比,其制作相对简单、制作周期缩短、成本低廉、且由于照片清晰度高,细节不会被遗漏观察场景时有身临其境感觉。由于数据量小 ,观察起来也非常流畅。另有使用 Java编程来实现静态全景拼接的方式,需Jav虚拟机支持。

3.4仪器操作(心电监护仪操作、心电擞据教学)

功能需求:心电监护仪器功能与实物一致,但数据不是现场实测,而是调用专家库中的临床教学心电数据资料,学生能通过鼠标点击虚拟心电监护仪相应按钮,得到相应结果,从而熟悉仪器操作,掌握相关临床知识。

可行技术方案:Windows平台下的 Lab View 8.0虚拟仪器软件设计(无须数据采集卡)。 论证:美国 NI公司的 Lab View图形化程序设计语言(G语言)是专门用于设计虚拟仪器的。它是用框图连线来替代传统的代码编写,而且内置 了丰富的仪器仪表控件(表盘、开关、旋钮、波形现实等),可在虚拟前面板上根据需要自由组合D1。另外,它的数学分析、信号处理函数库功能强大,能够轻松完成临床教学心电数据的分析、处理、显示,并可根据所需功能对仪器快速原型化 。Lab View 8.0的Remote Panel功能支持 web方式。

4拓展、开发和意义

4.1 拓展、开发

(1)建立和累积可定期更新的开放型医学数据专家库。如心电临床数据、医学影像数据、口腔临床数据、设备维修数据等。依托网络通讯平台,实现教学素材的群体共享,为开展优质的教学工作做好充分的知识储备。

(2)建立和累积可定期更新的开放型教师评价专家库。广泛收集教师群体智慧、经验 ,将评价依据收纳到计算机教师评价专家库中,变教师个体评价为群体评判,这种评价更具客观性和综合性,而且依托网络通信平台,将教学评价机制进行共享,可提升教学质量 ,并为教学创新带来巨大益处。

(3)基于医学数据专家库、教师评价专家库 ,引入并应用人工智能技术,对于学生提交的实践作业 ,采用计算机自动评分一方面保证了评价的综合性、客观性;另一方面使学生成绩得到最快的反馈,进而及时进行自我调节,提高学习效果。

4.2 意义

(1)变经验重复型教研组织形式为经验研究型。这种基于智能专家库的架构大幅降低了教师的工作强度,取消了其重复劳动,教师可以充分利用教研时间,专注研究那些计算机无法得出结论的学生个性实例或计算机提取的学生共性、典型实例,从而不断更新、完善专家库内容,类似问题可在下次计算机评判中得以解决。

(2)为电子学档体系服务。电子学档(ELP)是指在信息技术环境下,学习者运用信息手段表现和展示学习者在学习过程中关于学习目的、学习活动、学习成果、学习业绩、学习付出、学业进步以及学习过程和学习结果进行反思的有关学习的一种集合体,主要用于现代学习活动中对学习和知识的管理、评价、讨论、设计等 。智能专家库评价体系是依托先进的计算机和网络技术构建的,能与电子学档建立数据交换接口,从而为教研评价分析积累充足的资料、为电子学档体系服务,对目前尚处于起步阶段的电子学档体系的完善和发展起到极大的推动作用。

(3)可进一步增强虚拟教学模型的网络协同实验功能。

参考文献:

【1】何克抗.教育技术学.北京:北京师范大学出版社,2007.

【2】汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用【M】.北京:科学出版社,2007.

【3】杨乐平,李海涛,杨磊.LabView程序设计与应用【M】.北京:电子工业出版社。2005.

【4】张艳,牛明,王卫东.基于 LabView的心电信号采集系统.中国医学装备,2005,12:50~52.

【5】吴初平,钟志贤.远程学习中电子学档的创建【J】.现代远程教育研究,2007,5:62-65.A

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