虚实结合!这些实验课上,你能像“打游戏”一样模拟环境变化,还能在线“解剖”大脑

作者:项天鸽、张晋川摄影: 视频: 来源:融媒体中心发布时间:2021-03-30

以学生为中心、聚焦内涵发展,复旦一贯高度重视本科教育,将本科教育放在核心地位,致力发挥课堂育人主渠道,打造新时代优质本科课程。今天,让我们走进王祥荣、李文生老师的国家级虚拟仿真实验一流课程。

以虚补实,上一门身临其境的“网游课”

“这是一门‘网游课’。”体验过《环境科学与工程虚拟仿真实验》课后,2017级环境科学与工程系本科生裴璐瑶形容“能在有限的时空间内带来无限的体验”。

这门课是“流域水环境生态安全评估仿真教学实验”项目(以下简称“项目”)中的一环。在完成实验之前的在线学习后,打开电脑,登录网站,键盘操控行动,鼠标调整视角,同学们既可以像“打游戏一样”,按照系统的指引,操控角色完成水样采集等任务,也可以“采取上帝视角”,通过上海市、长江口、海岛等虚拟的区域模型,模拟生态演变等环境变化。

虚拟仿真教学实验采取沉浸式和半沉浸式两种虚拟仿真技术,一方面搭建包括头盔显示器、VR眼镜、3D摄像头在内完整虚拟现实系统的沉浸式实验室,一方面搭建线上虚拟仿真实验平台。由此,一台电脑、一根网线,足不出户,同学们就能完成上课和实验。

城市生态虚拟仿真系统的未来100年海平面上升模拟,展示了商业城市在2118年时温室气体增量1%的海平面上升情况

“以虚补实,一台电脑就可以达到身临其境的效果。”教学服务团队负责人、复旦大学环境科学与工程系教授王祥荣介绍,这门课程的特色在于用虚拟仿真弥补传统课堂的不足。

王祥荣希望以此突破传统课堂教学的时空限制,使学生从不同的方向和角度感受认知复杂的环境,但传统课堂往往以知识讲授为主,一旦遇到实验,往往面临成本高、危险性大以及可重复度低的难题:一方面,许多现实的环境灾害案例难以再现;另一方面,实地调研项目则会浪费巨大的财力物力,并伴有不可测的风险。而有了虚拟仿真技术,师生可以随时随地进入虚拟实验室和模拟环境,操作仪器,获得数据。

“这种自由度和可重复性,有利于削弱传统课程的紧张感。”裴璐瑶说。时至今日,她对大一做实验时的种种失误仍然历历在目,而虚拟仿真技术帮助她通过一个个任务熟悉实验流程和原理,终于克服了“实验恐惧”。

实验任务的多样化,得益于平台的完善和优化。项目配有2个子平台、4个子系统,可以实现数据分析、水力模拟、态势推演、应急预警与管理等功能。只要进入网站,同学们不仅可以练习水样的采集、还可以检测海岛的潮起潮落、模拟灾害的发生、推演气候的变化。配合线下的沉浸式实验室,同学们还能参观虚拟的污水处理厂、扑救虚拟实验室的火灾。

河流水库水质监测与水环境生态安全评估三维虚拟仿真在线系统的水动力模拟,图中箭头为水流方向和流速

“学习形式的多样化和趣味化可以满足我们的好奇心,在完成类似于游戏的学习任务的同时,把知识点融会贯通。”在裴璐瑶看来,这种“游戏”一样的课堂拓展了教学的边界,使得课堂变得丰富多彩。而2017级本科生倪壹瑶认为,虚拟仿真实验把之前在传统课堂中学习过的知识,通过可视化的三维模型、动态数据、地图等形式展示出来,使知识更生动形象,有利于加深理解。

“未来的路要从广度和深度两方面走。”团队成员、复旦大学环境科学与工程系博士后方雷总结,从广度上,要进一步扩充系统内的各项要素,提高系统整合度,从而尽可能逼真的模拟现实环境;从深度上,要探索虚拟仿真与慕课、面部识别等技术的结合,提高教学软件的智能化。

在课外,我们也当起了“解剖老师”

戴上医用手套,同学们小心翼翼地将脑标本捧到手术灯下,开始对照着教科书钻研起大脑的结构及其功能分区——这是《系统解剖学》课程实验环节中常见的一幕。这门课是医学教育中最重要的课程之一,课程按照人体的器官功能系统阐述正常人体器官的形态、结构、生理功能及其生长发育规律,在这其中,“人脑”是人体最为复杂的器官,准确掌握人脑各结构的形态、影像和毗邻关系是医学人才培养的重要基础。

但当问到对传统“理论+实验”教学模式的看法时,来自18临床医学八年制的几位同学困扰不少:教材图不够直观,解剖模型展现不到位,实验时间紧张、效率不够高,只能接触到平面切片,静脉未显示在标本中……课后,他们一般会通过查阅医学文献数据库、发帖在超星平台的讨论区、求助解剖模型软件等方式解决学习中的疑惑。“我一般会用3D的模型软件帮助理解,但很多都和我们要考核的知识点重合度不高。”来自2018级临床医学八年制的温雪田坦言。

长期从事《系统解剖学》《局部解剖学》和《实用断层解剖学》教学及科研工作,来自基础医学院解剖与组织胚胎学系的李文生教授也意识到了上述问题。他所负责的“人脑解剖与影像结构虚拟仿真实验教学系统”正是基于这些考量,加入到了《系统解剖学》课程构成中,作为线上教学部分供同学们补充学习。

打开系统网站,可以看到页面上设置了“解剖脑”、“数字脑”和“虚拟脑”三大模块。其中的“解剖脑”与“数字脑”供学生们课后自主学习和评估,学生只需登录网站、下载可执行软件即可。

“解剖脑”呈现了人脑的3D图像,在每个图像上有相关结构的中英文标注与发音

“数字脑”方便学生了解大脑结构在各层面上的形状、位置

李文生介绍,“解剖脑”以志愿者捐献的真实人脑进行3D扫描、建模而成;“数字脑”则在高精度数字的人脑断层解剖、正常人脑的磁共振影像数据的基础上,利用图像分割、三维重建和可视化技术展示大脑结构在各层面上的形状、位置,仿真度高达100%。

由于网站上的模型把每个部位都标注得非常详细,很贴合大家的学习重点,同学们考前一般都会用它复习。“而且网站里给的标本很丰富,扩大了我们的知识面。”温雪田说。“锻炼了我们自己发现问题和解决问题的能力,让我们自己也成为‘解剖老师’了。”来自18级临床医学八年制的于彦泽说。

系统的另一个部分“虚拟脑”,将时下热门的VR技术应用到了医学解剖领域。在人体科学馆的虚拟解剖实验室内,李文生亲自带领学生们熟悉这一功能。在虚拟实验开始前,他先抛出了一个问题:“你们谁来说说看,胼胝体是什么形状的?”

“像海马?”“月牙形?”“是不是字母C这样的?”同学们不敢确定。李文生笑道:“你们说的,更多的是它在某个剖面上的形状,但是胼胝体是立体的。”他形象地打了一个比方:“想象一下螃蟹的钳子。” 

“虚拟脑”为学生们建立起人脑的三维结构提供辅助。学生戴上虚拟头盔后,可通过移动手柄将虚拟场景中人脑结构的各个部位“解剖”出来。利用正常和病变人脑MRI多模态影像建模数据,“虚拟脑”通过图像分割、融合、三维重建和VR技术,360度全方位展示了大脑的外形功能区及内部结构。

极具真实感和沉浸感的训练环境激发了学生们的学习兴趣,加深了学生对相关结构位置及其空间毗邻关系的理解。现场体验了此技术的阿不都拉·阿吉兴奋表示:“比我电脑上装的人体解剖学软件更逼真,更加直观了,有机会的话还想体验一次!”

李文生老师亲自为学生示范

李文生介绍,除了面向医学院的学生,线上平台与线下虚拟实验室也会开放给其他对人脑解剖知识感兴趣的脑科学工作者,为他们也提供一个专业、科普性的学习平台。“‘脑科学’现在是个热潮,但很多研究者可能还不知道 ‘人脑’究竟是什么样子的。在这里,他们可以有一个视觉上的直观体验。”

据悉,虚拟人脑部分内容在2017年4月1日就已在复旦大学人体科学馆内的虚拟解剖实验室内使用,接待参观人数5000余人,激发了同学们和参观者进一步深入了解人脑结构的兴趣。

学生在指导下体验虚拟仿真训练环境

“现在的‘数字脑’还是需要下载、安装软件的,实际上还可以优化,这也是目前我正在探索的。如果能够让‘数字脑’实现在线运行,就能普及到更多人,在使用上也更为便利。”李文生说。而对于“虚拟脑”所呈现的内容,目前国外有更先进的技术,能够呈现出更优质、立体的效果,戴上虚拟头盔,学生甚至可以进入到人脑、心脏等各个器官的内部,被神经元、动脉等“包围”。他希望,虚拟仿真实验教学系统这一新模式,能为学生熟悉掌握解剖知识做出更多的贡献。

(图源:受访者提供)

制图:汪洋实习编辑:边欣月责任编辑:李沁园

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