增强现实技术在中医学教育中的应用研究※

王 青刘旭初尹瑞英万倩茹曾凡宇

（1 北京中医药大学，北京 100102；2 河南中医药大学，河南 郑州 450000）

早在2013年，一只类似3D全息投影式呈现的可爱的北极熊风靡全网，以其趣味性、互动性强而深受人们喜爱，实际上这款名为奇幻咔咔的娱乐软件是依托了炫酷的增强现实技术。同年6月，一家专注于增强现实产品开发的Daqrl团队依托虚拟现实技术，开发了一款解剖教学应用软件，使用者可以以一种新的方式观察人体复杂的结构，学习解剖学。我们不由得感叹科技改变生活，从娱乐到医学教育，增强现实技术应用越来越广，在某种程度上我们可以说是打开了一个接受知识新世界的大门。

1 增强现实技术概述

我们熟知的虚拟现实技术 (Virtual reality，VR)，是通过利用计算机核心技术生成逼真的视、听、触等一体化的虚拟环境，用户在使用时借助必要的设备，以自然的方式和虚拟环境中的物体进行互动，从而使用户产生身临其境的感觉和体验[1]。而增强现实技术（Augmented reality，AR）是在虚拟现实技术的基础上发展而来的，这个概念源于P.Milgram和F.Kishino的文章，简单来说，增强现实是一种既包括虚拟世界又有真实世界要素参与的环境，它将计算机生成的虚拟图像信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体同时叠加到一个画面或空间，从而增加用户对现实世界的感知[2]。

就增强现实技术的研究现状来说，国外的高校与科研机构一般将重点放在增强现实技术的核心部分的研究上，如算法、软硬件基础平台、人机交互方式，在这其中比较著名的有业内最早的基于矩形识别标识进行三维空间注册的增强现实引擎——美国的ARToolkit开源项目，瑞士的三维注册算法以及新加坡的人机交互技术研究等，与此同时，有很多技术公司把成熟的核心技术与特定行业需求相结合以进行产品开发[3]。现在，美国一些高校、企业及军方的研究机构(如海军研究室等)均投入巨大的财力物力，目标是将增强现实技术更好地运用到现代工业中，创造更大的工业价值，另外德国、加拿大、奥地利等国的一些研究机构已实现了各自的增强现实技术实验原型系统[4]。相对于国外，国内对增强现实技术的研究起步较晚，研究机构大多以高校为主，北京理工大学、华中科技大学、国防科技大学等在增强现实技术的关键技术及工程应用等方面取得了一些成果，这些研究使增强现实技术的关键技术得到了进一步发展，并越来越多地开始在文化、教育、军事、建筑、医疗、设计、工程、影视、娱乐等领域进行应用。从调查数据可以了解到，目前我国有超过2000个与增强现实技术有关的创业公司和团队，开发者数量在2015年超过了12万人，上升了350%，联想、360等公司也开始涉足该领域[5]。

2 增强现实技术对中医药教育发展的意义

随着“互联网”行动计划的推进及大数据、互联网、物联网、云计算等技术的应用，现代信息技术对完善中医学校教育信息化基础设施建设，促进教育发展成果共享，推动中医药传承创新的革命性影响日趋明显。而且国务院日前印发的《“十三五”国家信息化规划》中也明确提出，要实施在线教育普惠行动，到2020年，基本建成数字教育资源公共服务体系。增强现实技术依托互联网平台，应时顺势而生，它能突破“时、空”限制，借助信息技术与灵活的移动终端，能够在最大限度整合信息资源的基础上为学习者提供更好的体验与学习效果。

中医药博大精深，几千年的历史文化积淀下形成了各家流派，且多以口口相传和古籍摘录的方式传承下来，一方面这是中医的特色，另一方面也正是因其受众的局限性在某些程度上阻碍了它的广泛传播[6]。目前，我国中医药传统的院校教育还是以教师讲，学生被动接受为主，虽然也有过诸如“翻转课堂”、PBL教学、情景模拟之类的新形式的开展，但是由于这些模式会受到各种因素的制约，故在实际教学的实施过程中还是只占据了小部分[7]。曾有大量实验表明：依托增强现实技术将虚拟世界与现实场景巧妙结合，能给使用者带来更易接受的学习体验和更强的视觉冲击力，对于学生和老师而言，这比单纯的现实课堂教学或完全虚拟的场景演示更能让人印象深刻[2]。中医学专业不仅要求学生掌握扎实的理论基础，而且要求他们具有娴熟的实验及操作技能。就以基础课程中药学为例，由于“医药分家”这一尴尬局面的存在，现在好多同学学过之后只是知药而不认药、懂药，有些甚至连用药部位都分不清楚，更谈不上很深刻地理解每一味药材，那么又如何指望他们将来在临床上的灵活运用呢？如果能够在第一遍学习的时候就加入增强现实技术中药饮片的展示，化抽象为具体，那么这样直观性、趣味互动性强的展示方式可以刺激学生联想记忆，拓展学习空间，延伸学习时间[8]。

同时，由于学科的特殊性，担任中医学基础课程的教师大多任务繁重，往往集科研、教学与临床于一身，而且随着近年来中医高等院校的扩招，大班教学，这就无形中给授课教师加大了压力。在医学教育中，实验实训课程往往占据重要分量，但是目前的现状是实验室资源不充足，投入成本高、消耗大，带教老师人手不够，再加上某些医学实验存在危害性大，伦理制约的实际问题。所以，对于高校来说，急需一个能够降低实验成本、减少人力、提高实验成功率、带动学生兴趣的优化方案[9]。倘若能够借助现代化信息技术手段，辅以增强现实技术，形成生动直观的动画、视频资源，再现医学课程中那些不易说明或难以展示的内容，而且恰好能解决上述问题，并能给学生营造一种近乎真实的沉浸式的体验感，定会起到事半功倍的效果。

3 增强现实技术在中医学教育中的研究

李潜等[2]提出在中医药院校课程中，一些实训课程使用了很多模拟人体的设备进行实践教学，虽然成果显著，但是增强现实技术与之相比更具优势，例如中医学、针灸学教育、护理学教育、中医美容方向等，需要大量的操作实践的科目可以应用增强现实技术，此外，临床操作实训、物理化学实验、远程医学教学、远程医疗实践、开发远程医疗援助应用等等，都可以运用增强现实技术。南京中医药大学在野外采药和中药鉴定的实践教学中应用虚拟现实和增强现实技术，对中药资源分布的野外生境、药用植物的形态和特殊繁殖器官以及珍贵药材进行三维建模，使学生在虚拟环境中就可以体验到真实的采药过程[9]。在人体解剖方面，演示人体骨骼结构时，通过摄像头捕捉教师或学习者身体上的标记，在显示屏中除了显示真实的人体之外，还显示与之对应的骨骼，随着身体的运动屏幕中的骨骼也随之运动[10]。Curiscope发布了一款融合了虚拟现实和增强现实技术的应用，用户穿上一件特制的T恤，结合智能手机或者平板电脑就可以让用户一窥人体内部器官，而戴上三星Gear VR，眼睛焦点注视一个特定的器官，通过头部动作还可以随着血流方向进入到这个特定的器官，以细胞的角度去了解人体器官，并配有旁白声音解说相关的知识点，让用户在不一样的体验中学习[11]。滕玮等[12]提出了建立在增强现实技术和针灸专家系统基础上的智能针灸系统，本系统应用双目立体视觉原理，通过表面三维信息重建，可获得具有表面三维信息的真实人体的图像，与已经绘制好的具有穴位的标准虚拟人体立体图像相叠加，获得对应人体各部位的穴位及其相关资料，通过自动控制机械手找到由专家系统确定的需要治疗的腧穴，用激光对人体进行穴位激光投照，进行针灸治疗。滕玮等[13]研究了仿射变换在增强现实智能针灸系统中的应用，提出，传统增强现实技术中的虚实注册依赖于相机定标，存在不精确性和延迟性等局限，而仿射变换理论，通过将真实场景、相机和虚拟物体定义在同一坐标系下，简化虚实注册的复杂度。可以发现上述滕玮等人的智能针灸治疗系统不仅仅能用在临床针灸治疗上，还可以在针灸实验教学中应用此技术。

4 问题与措施

尽管增强现实技术有着良好的发展前景，但目前仍存在着一些问题。

（1）中医基础知识内容多，整理任务繁重。中医基础知识如中药、中医诊断、炮制、经络腧穴等门类繁杂，专业性较强，若要进行增强现实技术立体建模则需要部分中医专业教育者或者中医文化研究者参与其中。

（2）增强现实技术应用软件开发处于起步阶段，技术开发成熟度和社会满意度尚不理想。虽然目前增强现实技术发展迅速，但众多大中小企业在技术开发方面仍存在难度，比如增强现实技术的人机交互问题，较人与智能手机可使用“图形界面和触控”交互方式，增强现实技术设备与人的最优交互方式仍在探寻，另外增强现实技术产品应用推广方面对公众缺乏吸引力，市场占有力不足[14]。尽管国家支持推动中医药信息化发展，但人力、物力、财力、技术、宣传等方面的投入还是面临一定困难。或许只有在增强现实技术软件应用开发发展到一定阶段，攻克各种技术问题，其在中医学教学上才会发挥更大优势。

（3）增强现实技术所依附的智能终端和处理器计算需具备一定条件。新鲜事物不断出现及知识的更新换代要求增强现实技术运行需要强大的数据库支持。面对现实中物体移动和复杂的环境，增强现实技术所依赖的载体需要有精准的识别和速度。而目前智能终端所承载的数据库和处理器运算量难以满足增强现实技术应用的发展[15]。这无疑给未来增强现实技术的应用和发展提出了更高的要求。

5 总结与展望

随着信息技术的发展，增强现实技术的应用充满了机遇和挑战。若未来将增强现实技术应用在中医基础课程教育方面，一则更能激发学生们的学习热情，提高学习效率及教学质量；二则对中医药发展来说，是中医药走向大众一个重要的促进方式，对中医药的继承和发展将会有着促进作用。