浅析3D技术的应用

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摘 要：体育运动是人们业余生活主要内容之一，近年来随着人们健康意识的提高参与体育运动的热情也与日俱增，同时在运动过程中，也相应的暴露了一些问题。比如对运动损伤的认识不到位、运动过程中方法不科学等等。在此，将以运动过程中常见的踝关节外侧韧带扭伤为例，并结合当前炙手可热的计算机3d技术，制作出虚拟解剖实验室。提出一种新的多媒体教学方式，旨在维护参与体育运动的人们的身心健康.

关键词：运动 3D 显示平台 踝关节 教学方式

一、绪论

1.论文的选题背景及意义

人们参与体育运动的激情很高涨，伴随而来是一系列的运动损伤问题，就以踝关节扭伤为例，首先，我们得知道一些起码的解剖知识，但是很多时候我们对踝关节扭伤认识不到位。过去包括现在对于一些踝关节外侧扭伤的教学和学习，主要是老师讲解和看一些相关教学视频，条件允许的学校还可以做一些实物实验。

针对上述问题，我们要把3D技术充分应用在踝关节外侧扭伤原理的教学中。具体来说，3D技术有效的模拟人在外界环境中的视觉、听觉等行为，是利用人类感知能力和操作能力的新方法，通过感官、声音和手势等比较自然的方式进行，实验者所看到的是逼真的三维立体景象，可以感受到虚拟环境反馈给他的作用力，这是一种“完全的”身临其境的感觉[1]。

2.3D技术在教学领域的应用及国内外发展动态

美国和欧洲一些国家在这方面的研究已经有近20年的历史，研究成果颇丰。美国开发可供全国使用的虚拟校园、虚拟实验室和虚拟演播室等大量虚拟现实方面的研究成果，如乔治梅森大学研制出一套动态虚拟环境中流体实时仿真系统，在一个分布式交互仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性[2]。

3D虚拟技术在教学中的应用研究国内和国外的差距很大，中国的3D虚拟仿真技术在教学领域的应用研究只有十年左右。最早在1996年，天津大学最早开发了虚拟校园算是开启了虚拟仿真在我国教育领域的应用序幕。

二、 相关技术介绍

1.什么是3D技术

3D技术简单的说就是虚拟三维技术。它是利用计算机的运算达到视觉、听觉等方面立体效果的一种技术。从图像学的角度来看三维不再是平面，而改为立体的。利用3D技术直接做出的是3D影像是非实体。3d技术的应用范围极其广泛。无论从军事、教育、生产、娱乐、科研，还是医学、航空、学术等等众多领域都会涉及到3d技术。

1.1什么是3D动画

3D动画是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一新兴技术。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。三维动画技术模拟真实物体的方式使其成为一个有用的工具。由于3D技术的精确性、真实性和无限的可操作性，被广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域。

1.2 什么是虚拟实验室

虚拟实验室是一种基于Web技术、虚拟仿真技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化[3]。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验，或实验案例，这一点是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要特征。在虚拟实验室中，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。虚拟实验室可以说是未来实验室建设的发展方向。

三、与传统的教学方式对比

1 解剖学教学现状

教学方法目前人体解剖学教学方式仍以板书、挂图、标本、模型为主，部分内容辅助以幻灯、投影及录像，虽然在一定程度上改进了教学，但是由于人体结构立体空间毗邻关系的复杂性，平面、静止的教学方法，学生难以理解和记忆有关学习内容[4]。同时每学期损坏和消耗许多模型、标本及尸体材料，添置需耗时、耗力、耗经费，随着招生规模的扩大和尸体材料来源的匮乏，许多院校的局部解剖学实验得不到保证，严重影响了教学质量。

1.1传统实验教学模式的弊端

实验课一直被大家认为是理论课的附属品，因此重视不够，虽然经过很多年的改革，依然未彻底摆脱传统实验教学模式的束缚。实验多是单一性、演示性、验证性的实验，体现不出实验的连贯性、系统性、综合性、新颖性，难以激发学生的实验兴趣，难以充分发挥学生的积极主动性，不利于培养学生的实验能力和创新思维能力[5]；总之一句话，学生处于被动接受的地位，不能按照自己的设想进行探索实验，实验效果较差。另外，实验仪器设备不能及时更新，信息技术的发展飞速，各种高科技信息设备更是层出不穷，而一般高校实验室设备老化陈旧，更新换代周期又比较长。

1.2传统实验室管理的问题

实验室都配有肌肉、血管、神经及静脉淋巴的全身大体标本。平时存放于标本箱内，使用时抬出示教，课间用浸有尸体保存液的多层纱布和塑料布包裹好。在使用过程中注意保护血管、神经，不过分牵拉，一旦损坏及时修补连接，保证大体标本的完整性。同时不能频繁的抬上抬下，这种损伤比教学时损伤更严重。对于散装小件标本要求按系统或部位用纱布包裹成一包放于标本桶内，用时整包拿出，即避免了小件标本的丢失又避免了取标本时牵拉标本而使标本损伤。

2. 虚拟实验室的教学应用

虚拟实验室应用于实验教学模式的改革。要想提高实验教学质量，必须从实验内容、方法、考核等一系列问题进行教学改革。在虚拟实验室里，仪器即软件，可以根据需要随意开发。由于仪器缺乏而无法开设的实验项目，可利用虚拟实验室进行仿真，同样能达到学生对相关知识的掌握。另外在现实生活中，有些系统并不存在，不可能在原型上做实验，或者即使实际中存在这些系统，往往在这些原型系统上做实验太昂贵、太危险，或是可能发生严重的破坏，虚拟实验室能够较好地解决这些现实中比较棘手的问题。

虚拟实验室将应用于提高实验室的开放程度。开放实验室，应该是全方位的开放，包括仪器设备的开放、元器件的开放、实验内容的开放等，但由于种种客观原因，高校实验室的开放程度还不够，主要原因是学生对开放实验室的仪器设备、实验内容等均不是很清楚，因此兴趣不是很大。将虚拟实验室和开放实验室有机结合在一起，可以调动学生主动学习的兴趣，提高实验室的利用率和实验效率[6]。

2.2.1 虚拟实验室的特点

多感知性：所谓多感知性就是说除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、视觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。

交互性：交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。

真实性：虽然物体是虚拟制作出来的，但是对现实的指导作用是真实可靠的。

2.3 虚拟实验室的优点

能够完成实拍不能完成的镜头；制作不受天气季节等因素影响；对制作人员的技术要求较高；可修改性较强，质量要求更易受到控制；实拍成本过高的镜头可通过三维动画实现以降低成本；实拍有危险性的镜头可通过三维动画完成；无法重现的镜头可通过三维动画来模拟，能够对所表现的产品起到美化作用，画面表现力没有摄影设备的物理限制，可以将三维动画虚拟世界中的摄影机看作是理想的电影摄影机，而制作人员相当于导演、摄影师、灯光师、美工、布景，其最终画面效果的好坏与否仅取决于制作人员的水平、经验和艺术修养，以及三维动画软件及硬件的技术局限。

四、 结论

在一些课程的实际应用，可以发现基于软件的虚拟实验室能够很好满足当前课程的实验要求，对于课程中的实验都能起到很好的演示作用，可以做到将实验结果实时展示，提高了学生的学习兴趣和老师的上课效率。在实验课，学生可以根据自己的思路，搭建设计自己的实验平台，通过直观的实验结果展示，立刻能了解自己的设计是否正确。同时因为电路的组装和拆卸都是通过软件实现，学生可以不断改变自己的设计思路，完善自己的设计，对于培养学生的动手能力以及创新能力大有裨益。

在当今教学中，我们要不断的探索新的解剖教学方式，充分的利用一些新的技术来提高我们的教学质量，从而更好的为我们的教学服务，只有这我们才能更好的跟上时代的步伐，才能培养出更好的质量更高的人才。

参考文献

[1]郑和平，关夷，张发惠.人体解剖学多媒体课件辅助教学效果的初步评估 [J].中国高等医学教育， 1999，11（1）：51-52.

[2]贺生，胡庆甫.多媒体在解剖教学中使用效果调查与分析[J]解剖学杂志，2004，12（1）：13-14

[3]张巍，张春仙.网络虚拟实验室的研究[J].计算机工程与计，2007，28（11） ：2717-2719.

[4]胡声宇.运动解剖学[M].北京：人民体育出版社，2000，6

[5]杨武.构建基于网络的解剖学实验室新模式，培养创新医学人才.四川解剖学杂志2003，11（4）：64-65.

[6]杨 丽，顾邦军，蒋雪明.基于WEB的多媒体计算机虚拟实验室的架构与实现[J].《教育与职业》，2010，28-35.