醫(yī)學物理實驗課程設置的思考

醫(yī)學物理實驗課程設置的思考

醫(yī)學基礎知識是構(gòu)成科學素質(zhì)的重要組成部分，也是醫(yī)學人員需要的。鑒于醫(yī)用物理學是-門實驗科學,所以教學中的實驗演示與操作顯得必不可少。但是據(jù)各醫(yī)學高校的調(diào)研表明,醫(yī)學物理學這門課程均不同程度地存在著弱化現(xiàn)象,有的甚至連物理實驗室都名存實亡。在實際教學過程中,很難做到所有演示實驗與實驗課程項目的正常開出,給教學帶來的很多不便,學生反響很不好。這是長時間困擾物理教師的一個教學問題。同行們也進行了一些探索和試驗,比如用幻燈片、掛圖、講解板書等等,效果非常有限。隨著計算機技術(shù)的日益完善,各種應用軟件的日益豐富,為解決物理教學現(xiàn)場演示露出了一線希望。通過學習和試用,我們掌握了非浸入式計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù),并積極應用于實踐教學,取得了很好的效果。1非沉浸式虛擬技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality)簡稱VR,是以計算機軟件和硬件為基礎,以相關技術(shù)手段為輔助,通過對己知或未知世界的仿真,使人獲得真實感受的一種先進的計算機應用技術(shù)。具有多感知性、沉浸性、交互性、真實性的特點。最初于1965年由Sutherland提出虛擬現(xiàn)實的概念,到現(xiàn)在為止,虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了四十年的發(fā)展歷史。上世紀八十年代,美國在這方面取得了突破性進展,開發(fā)出了如VEH飛行模擬器等大量實用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),被世人所屬目。目前,虛擬現(xiàn)實技術(shù)已普遍應用于各個領域,如訓練、教學、仿真、娛樂、遙控操作和摸擬預測等方面。具有廣闊的發(fā)展前景。由于這項技術(shù)的諸多優(yōu)點,越來越被教育界所青睞,成為Web課件制作中的一大亮點。隨著計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)也得到了長足的進步,應用范圍越來越廣,但是其成本昂貴的缺點依舊沒有改變。我們在物理教學中無法使用完整的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。但是,基于微機非浸入式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn),為我們提供了良好的解決平臺。根據(jù)非浸入式虛擬現(xiàn)實技術(shù)使用的軟件大致分為:1)對靜態(tài)圖像操作為主的,類似于全景圖像的二維虛擬技術(shù);2)對三維模型進行操作為主的三維虛擬技術(shù);3)對物體進行二維操作為主的Flash虛擬技術(shù)。這其中還有QTVR(QuickTimeVirtualReality)與VRML(VirtualRealityModelLanguage)技術(shù),但可以將其歸類于前面的二維虛擬技術(shù)和三維虛擬技術(shù)。二維虛擬技術(shù)、三維虛擬技術(shù)和Flash虛擬技術(shù)三種技術(shù)各有所長,各有不同的測重面,應用時要根據(jù)實際情況進行選擇應用。2抗癲神的t/pbmFlash是一款風靡全球的動畫軟件,由Macromedia公司開發(fā),被稱為網(wǎng)頁制作三劍客之一,是制作網(wǎng)頁動畫的強有力工具。Flash具有跨平臺、高品質(zhì)的特性,圖像體積小、可嵌入字體與影音文件,有優(yōu)異的互動功能。它創(chuàng)建的動畫采用矢量方式,具有抗鋸齒無限放大的功能,適合于細節(jié)和整體部分的切換展示。Flash的強大之處在于它的action腳本語言,其實,ActionScript并不是一個獨立的編程語言,它是對腳本命令、傳統(tǒng)的FLASH動作和修改的影片屬性進行分類,并可以組合使用到FLASH影片的可編程行為。ActionScript具有強大的面向?qū)ο缶幊烫幚砟芰?是進行各種虛擬效果制作的一件利器。目前,使用FLASH的人越來越多,人們喜歡它的簡捷、強大和良好的互動性,FLASH已經(jīng)成為了網(wǎng)絡時代新的設計平臺。3將跨境電子商務的運用到實驗FLASH的出現(xiàn),為在教學上對物理實驗進行計算機虛擬仿真提供了強有力的軟件支持,用它進行醫(yī)用物理實驗的虛擬演示是再合適不過的了。根據(jù)以往的使用經(jīng)驗,筆者總結(jié)出以下幾條虛擬現(xiàn)實經(jīng)驗:1)用Flash虛擬醫(yī)用物理學演示實驗時,制作者要對實驗的機理有非常透徹的理解,掌握實驗中各部分儀器設備的功能、擺放位置要求及其在實驗中的變化規(guī)律,這是虛擬成功與否的關鍵,也是制作階段的基本要求。2)設計者能清楚地描述出實驗場景與實驗現(xiàn)象,并能在電腦上用Flash再現(xiàn)出來,當然,這可以用數(shù)碼照相機將儀器圖片輸入計算機,用Photoshop來處理后進行使用,最好將所有的儀器制成各類元件保存,這步是桌面再現(xiàn)實驗平臺的過程,是我們后續(xù)編程的必要準備。制作的儀器設備要盡量與原物保持一致,不破壞實驗的視覺效果,給人以真實感。3)對能引起實驗結(jié)果變化的對象都要采用ActionScript語言來編程處理,保證實驗的整體變化和準確性。必要時,對有定量要求的實驗,建立自己的實驗處理模型并根據(jù)FLASH的特點進行相關的模型轉(zhuǎn)換。比如,當電流發(fā)生變化時,并不是數(shù)值發(fā)生變化,而是電流表的指針在發(fā)生變化,這就要求將電流值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞅淼闹羔樒D(zhuǎn)角度。4)虛擬的宗旨是真實、生動、完整、流暢,有完好的操作性、再現(xiàn)性和準確性。這也是非常關鍵的一條原則,不保證這點,整個虛擬過程就是失敗的虛擬。達到這個目的并不簡單,當實驗條件非常復雜,變量因素特別多的時候,矛盾就會突顯出來,此時,要最大限度地排除次要因素的影響,簡化模型,從而簡化虛擬仿真的難度,保證實驗結(jié)果的準確性。5)制作過程中可以結(jié)合其它軟件進行實體建模、運動仿真等必要的聯(lián)合開發(fā)與設計,能夠制作出精致的仿真效果。4制作項目時,知識欠缺或不具備開發(fā)設計基礎和模擬技術(shù)基礎利用進行Flash虛擬仿真開發(fā),對制作者的業(yè)務素質(zhì)有一定的要求,概括起來有以下幾點:1)要求制作者具有一定的抽象思維能力,有創(chuàng)造力、制作能力和構(gòu)圖技巧,能分解實驗元件,并在Flash中成功復原。有的教師在這點上有先天不足,如構(gòu)圖能力差、色彩知識有限、使用計算機繪圖技術(shù)不夠好等,遇有這樣的情況時,可以找人合作來完成開發(fā)設計工作。2)制作者要有專業(yè)學術(shù)能力,能掌握和理解相關的實驗知識,做到心中有數(shù)。再有,制作者應當具有完整的Flashaction腳本語言知識構(gòu)成,有獨立編程能力。這是對我們專業(yè)教師的基本要求,雖然教師可以與他人合作完成自己的作品,但是,別人不如我們了解專業(yè),了解教學,編寫起來很費時費力,溝通理解上也存在很大的障礙,所以,專業(yè)教師具有編程能力是最佳選擇。其實,ActionScript的學習并不困難,我們只要有一門計算機語言的基礎,學習起來相當簡單。3)要求制作者最好是一線教師,這樣與學生有溝通的機會,利于制作技術(shù)的提高和虛擬效果的調(diào)整。教師有機會與學生直接面對面地進行零距離交流,能直接了解學生的反映,知道哪些地方需要改進,哪些地方需要重新設計等等,由此看出,運用Flash虛擬現(xiàn)實技術(shù)對教師的要求還是比較高的。5flash虛擬模擬的制作方法和實例5.1創(chuàng)建實驗儀器組件用FLASH進行虛擬醫(yī)用物理學實驗時要嚴格遵守上面的制作原則,根據(jù)實際情況,大體分為以下步驟:1)充分消化理解實驗內(nèi)容,在正確實現(xiàn)實驗結(jié)果的前提下,分析實驗要點、儀器、數(shù)據(jù)變化和實現(xiàn)現(xiàn)象,創(chuàng)建實驗草圖,把實驗儀器分解成獨立組件,構(gòu)建出虛擬現(xiàn)實的大致步驟和相關數(shù)學模型,為后的制作奠定基礎。2)在Flash中創(chuàng)建相關獨立的實驗儀器組件,使其可以獨立重復使用。3)在主場景中構(gòu)建實驗臺,擺放實驗儀器,做好相關的電路或設備連接。4)分別對相關組件設置action腳本程序,并做相關調(diào)整,滿足實驗感觀要求。5)輸出到操作系統(tǒng)中,獨立進行相關測試,達到要求為止。6)請他人使用和測試,最好是由學生來操作或教師在課堂上直接用于教學,并由學生提出意見,回去后做相關修改,直到滿意為止。5.2系統(tǒng)的虛擬場景創(chuàng)造1)實驗內(nèi)容:用分光計測最小偏向角。2)實驗分析:棱鏡最小偏向角的測量是比較難虛擬仿真的一個實驗,它要體現(xiàn)出具體的操作方法和具有較真實的沉浸感。實驗過程應該包括以下幾個步驟:首先完成棱鏡的放置,然后旋轉(zhuǎn)望遠鏡,尋找到由鈉光燈經(jīng)棱鏡折射的光譜線,找到譜線后,通過向一個方向旋轉(zhuǎn)載物臺,找到棱鏡的最小偏向角,偏向角的特點是當載物臺向某一方向旋轉(zhuǎn)到一定程度時,原先向一側(cè)移動的光譜線開始向反方向移動。這時測量得到的角度為最小偏向角的角度,再將棱望遠鏡回復到水平方向,測出此時的角度。將測得的數(shù)據(jù)代入計算機內(nèi)的公式即可算出棱鏡的最小偏向角。實驗的具體虛擬場景見圖1。3)分光計模型要在3DSMax中創(chuàng)建完成,其中的主要旋轉(zhuǎn)動畫也要在3DSMax中渲染完成。然后在Flash中將動畫部分導入成為組件。創(chuàng)建由望遠鏡中觀察到的所有景象組件,有十字刻線、反射燈影、光譜線和背景等。并在相應的按鈕組件上寫入Action代碼,完成虛擬的全過程。4)創(chuàng)作的虛擬現(xiàn)實仿真動畫,可以代替真實實驗中的分光計測量,由學生自主操作完成各部分的實驗測量,省去了繁瑣的分光計調(diào)節(jié)工作,減輕了實驗教師的工作壓力,同樣能完成教學任務。此動畫文件,可以通過輸出成*.SWF格式單獨使用,也可以在Authorware中使用,當然還可以