中药鉴定VR教学软件的设计与实现

中药鉴定VR教学软件的设计与实现作者：吴潼林启泉林世姚张怡标甘祖儿蓝天悦
来源：《现代信息科技》2023年第17期
摘要：文章通過分析中药鉴定虚拟仿真软件的现状，调研中药类相关专业对中药鉴定VR 教学软件的使用需求，发现：国内有关中药仿真类项目数量较少，且现有软件功能不完善，同时支持PC端和移动端的软件更是少见；大部分学生认为中药鉴定虚拟仿真软件对自己学习能力和中药鉴定能力起到积极的影响作用。

基于此，综合了虚拟现实、云计算、大数据等技术，采用分层架构思想设计和开发了一款跨终端的中药鉴定VR教学软件，可帮助解决中药鉴定教育教学和培训中存在的“找药难、查询难、分辨难”等难题，进一步提升中药鉴定教学培训效果。

关键词：中药材鉴定；虚拟仿真；软件设计与开发
中图分类号：TP311；G434 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）17-0102-07
Design and Implementation of VR Teaching Software for Traditional Chinese Medicine Identification
WU Tong1， LIN Qiquan1， LIN Shiyao1， ZHANG Yibiao1， GAN Zuer1， LAN Tianyue2
（1.School of Software， Guangdong Food and Drug Vocational College， Guangzhou 510520， China;
2.School of Traditional Chinese Medicine， Guangdong Food and Drug Vocational College，Guangzhou 510520， China）
Abstract： By analyzing the current situation of virtual simulation software for traditional Chinese medicine identification and investigating the using demand for VR teaching software for traditional Chinese medicine identification by relevant majors in the field of traditional Chinese medicine， the paper finds that： firstly， there are a few domestic simulation projects related to traditional Chinese medicine， and the existing software functions are not perfect， and software that supports both PC and mobile terminals is even less common. Secondly， most students believe that virtual simulation software for traditional Chinese medicine identification has a positive impact on their learning ability and traditional Chinese medicine identification ability. Based on this，combining virtual reality， cloud computing， big data， and other technologies， a cross terminal
VR teaching software for traditional Chinese medicine identification has been designed and developed by using a layered architecture idea， which can help solve the “difficult to find， query， and distinguish” problems in traditional Chinese medicine identification education and training， and further improve the effectiveness of traditional Chinese medicine identification teaching and training.
Keywords： identification of traditional Chinese medicine; virtual simulation; software design and development
0 引言
中药是我国延续千年且行之有效的药物，为人类医学发展和促进人类健康做出了突出的贡献。

中药鉴定学是鉴定和研究中药的品种和质量，制定中药标准，寻找和扩大新药源的应用学科，在中药学的专业培养上占有重要地位[1]。

传统中药鉴定课程教学过程中也存在着“典型中药材难以寻找、真假药材难以对比、药材数量难以满足每个学生动手需求”等棘手问题。

现有中药鉴定教学使用的VR软件，存在中药材三维模型数量有限、功能不够完善、界面不够友好等问题。

因此，亟需开发一款集3D中药鉴别、中药识别等功能于一体的中药鉴定VR教学软件，以解决中药鉴定教学与培训中存在的“找药难、查询难、分辨难”三难问题，同时还可帮助用户不受药材种类及数量、时间、场地、人员限制，随时随地开展相关的中药鉴别学习，提升中药鉴定教学培训效果。

随着新一代信息技术的发展以及与教育教学的融合应用，特别是虚拟现实（Virtual Reality， VR）技术，为面向学校的中药鉴定教育教学和面向社会公众的中药鉴定科普培训，提供了新的解决方案和技术实现路径。

文章尝试设计一款基于3D建模、VR引擎开发等技术，集3D中药鉴定、中药识别、中药百科（即药典查询）、趣味辨中药等功能于一体，可满足中药鉴定教学和培训的VR软件。

1 国内中药类虚拟仿真软件现状及需求分析
1.1 平台数据分析
通过对“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台”的虚拟仿真实验项目进行分析，发现平台上共有3 307个项目，包括了理工类1 513个、医学类478个、理学类428个、管理学类227
个、艺术学类172个、农学类147个。

其中，医学类的478项包括基础医学、临床医学、公共卫生与预防医学、护理学、药学、中医、医学技术、法医八大类，具体数量分布如表1所示。

药学类包含了药学、中药学、药物制剂、中药制药、药物分析、药物化学六类。

其中，中药学占18个，占比33.96%，在药学类排名第二，但在总类别中只占0.55%。

通过对中药学相关项目进行分析，发现中药鉴定虚拟仿真实验教学项目仅有两个，分别是南京中医药大学的国家一流项目“中药鉴定3D-MR虚拟仿真实验”和齐鲁医药学院的省级一流项目“中药鉴定虚拟仿真实验教学项目”。

前者由南京药育智能科技有限公司提供技术支持，包含野外采药实践、中
药来源鉴定、中药性状鉴定和中药显微鉴定；后者提供了半夏、阿胶两种中药材的VR鉴别实训。

1.2 中药鉴定VR教学软件存在的主要问题
通过对以上分析，發现国内中药鉴定VR教学软件存在以下问题。

一是软件内容模块较少，难以满足教学需要。

根据《中药大辞典》收载的药物，中药材占到12 000多种，中药材形态各异，且不规则。

现有软件的内容模块较少，未能将中药识别、类别查询、考核系统、后台管理系统、交流社区等模块集于一体，难以满足当前教学需要。

二是现有软件功能不够完善。

目前，由南京药育公司开发的“3D-MR虚拟仿真实验”，虽然具备中药鉴定仿真实训的功能，但中药性状鉴定仅针对5种珍贵药材，且系统没有用户管理、资源发布和管理、药典查询、中药识别的功能，远远不能满足中药鉴定教学、培训和个人自主学习的需求。

三是现有软件仅支持单一的终端。

随着技术的不断发展，多端融合已成未来发展趋势之一，但现有的中药鉴定软件多数只能基于桌面端或移动端，未能支持多终端交互，不便于移动学习。

2 中药鉴定VR教学软件需求调查
2.1 调研方式
本研究采用网络调查的方式，调查对象为广东某高职院校中药学、中药生产与加工、中药制药技术等相关专业学生。

问卷在教育技术学和中药学专业的资深教师指导下，由软件技术和中药学专业的学生共同设计完成。

问卷内容包含四部分：一是调研对象的人口社会学信息，包括性别、专业及年级；二是中药鉴定学习的现状调查；三是虚拟仿真教学软件的熟悉度调查；四是中药鉴定VR软件的使用意愿及功能调查。

问卷共19道题，包括选择题和填空题。

问卷调查时间为2022年9月10日—11月20日。

本次问卷收集到149份，有效问卷149份，问卷回收率为100%。

2.2 问卷分析
2.2.1 调研对象的人口社会学信息
调研对象年龄介于19～21岁之间，男、女比例分别为12.75%和87.25%，符合学校中药类相关专业的学院男女比例。

2.2.2 对中药鉴定学习的现状调查
关于中药鉴定学习的现状，共7题，结果如表2所示，有一半的同学认为平时课堂学习中药鉴定时，中药材的种类齐全度、学习次数、学习时长能满足学习需要，学生人数和药材比例在5：1以上的占53.69%，平时课外接触药材的机会相对较少，如图1所示，主要通过书籍、视频和学校开设的相关课程进行了解和学习，使用虚拟仿真软件学习占比只有16.78%。

2.2.3 对虚拟仿真教学软件的熟悉度调查
关于对虚拟仿真教学软件的熟悉度，共3题，结果如表3所示，分析发现，四分之一左右的同学曾经使用过虚拟仿真教学软件，且使用次数为3次以上，但对中药鉴定相关的虚拟仿真软件了解较少，使用过的同学仅有10.07%，说明中药鉴定虚拟仿真软件较为缺乏。

此外，大部分学生认为虚拟仿真教学软件可有助于增加学习趣味性、突破时空限制、直观易于加深对知识的理解、可作为实际操作之前的演练等。

2.2.4 对中药鉴定VR软件的使用意愿及功能调查
关于对中药鉴定VR软件的使用意愿及功能，共3题，结果如表4所示，65.1%的学生认为有必要引入虚拟仿真软件来支持中药鉴定的学习，且63.76%的同学愿意尝试使用，52.35%的同学认为中药鉴定虚拟仿真软件对自己学习能力和中药鉴定能力起到积极的影响作用。

此外，学生希望中药鉴定虚拟仿真软件具备的功能应包括：中药材的360度旋转查看、中药材内部切面的查看、中药材真伪鉴定、易混淆中药材鉴定、中药材性状鉴定、中药识别实训演练、中药材来源鉴定、中药材查询、中药拍照识别和中药识别实训考核。

3 中药鉴定VR教学软件的设计思路
3.1 设计理念
基于“科学规划、按需设计、多端应用、服务教学”的设计原则，以提升学生中药鉴定理论知识掌握和实践能力发展为宗旨，以帮助学生学习中药材性状鉴定、中药材真伪鉴定以及便捷查询中药材为核心，基于PC端和移动端，支持师生开展中药鉴定虚拟仿真教学。

3.2 总体架构
软件的总体架构采用了分层体系架构思想，综合了虚拟现实、云计算、大数据等技术，包含如图2所示的四层架构。

3.2.1 数据层
中药鉴定虚拟仿真软件涉及多种3D中药模型及用户操作数据。

因此，数据层分别设置了3D中药模型库、中药材图片库、题库、操作数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。

3.2.2 支撑层
1 国内中药类虚拟仿真软件现状及需求分析
1.1 平台数据分析
通过对“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台”的虚拟仿真实验项目进行分析，发现平台上共有3 307个项目，包括了理工类1 513个、医学类478个、理学类428个、管理学类227个、艺术学类172个、农学类147个。

其中，医学类的478项包括基础医学、临床医学、公共卫生与预防医学、护理学、药学、中医、医学技术、法医八大类，具体数量分布如表1所示。

药学类包含了药学、中药学、药物制剂、中药制药、药物分析、药物化学六类。

其中，中药学占18个，占比33.96%，在药学类排名第二，但在总类别中只占0.55%。

通过对中药学相关项目进行分析，发现中药鉴定虚拟仿真实验教学项目仅有两个，分别是南京中医药大学的国家一流项目“中药鉴定3D-MR虚拟仿真实验”和齐鲁医药学院的省级一流项目“中药鉴定虚拟仿真实验教学项目”。

前者由南京药育智能科技有限公司提供技术支持，包含野外采药实践、中药来源鉴定、中药性状鉴定和中药显微鉴定；后者提供了半夏、阿胶两种中药材的VR鉴别实训。

1.2 中药鉴定VR教学软件存在的主要问题
通过对以上分析，发现国内中药鉴定VR教学软件存在以下问题。

一是软件内容模块较少，难以满足教学需要。

根据《中药大辞典》收载的药物，中药材占到12 000多种，中药材形态各异，且不规则。

现有软件的内容模块较少，未能将中药识别、类别查询、考核系统、后台管理系统、交流社区等模块集于一体，难以满足当前教学需要。

二是现有软件功能不够完善。

目前，由南京药育公司开发的“3D-MR虚拟仿真实验”，虽然具备中药鉴定仿真实训的功能，但中药性状鉴定仅针对5种珍贵药材，且系统没有用户管理、资源发布和管理、药典查询、中药识别的功能，远远不能满足中药鉴定教学、培训和个人自主学习的需求。

三是现有软件仅支持单一的终端。

随着技术的不断发展，多端融合已成未来发展趋势之一，但现有的中药鉴定软件多数只能基于桌面端或移动端，未能支持多终端交互，不便于移动学习。

2 中药鉴定VR教学软件需求调查
2.1 调研方式
本研究采用网络调查的方式，调查对象为广东某高职院校中药学、中药生产与加工、中药制药技术等相关专业学生。

问卷在教育技术学和中药学专业的资深教师指导下，由软件技术和中药学专业的学生共同设计完成。

问卷内容包含四部分：一是调研对象的人口社会学信息，包括性别、专业及年级；二是中药鉴定学习的现状调查；三是虚拟仿真教学软件的熟悉度调查；四是中药鉴定VR软件的使用意愿及功能调查。

问卷共19道题，包括选择题和填空题。

问卷调查时间为2022年9月10日—11月20日。

本次问卷收集到149份，有效问卷149份，问卷回收率为100%。

2.2 问卷分析
2.2.1 调研对象的人口社会学信息
调研对象年龄介于19～21岁之间，男、女比例分别为12.75%和87.25%，符合学校中药类相关专业的学院男女比例。

2.2.2 对中药鉴定学习的现状调查
关于中药鉴定学习的现状，共7题，结果如表2所示，有一半的同学认为平时课堂学习中药鉴定时，中药材的种类齐全度、学习次数、学习时长能满足学习需要，学生人数和药材比例在5：1以上的占53.69%，平时课外接触药材的机会相对较少，如图1所示，主要通过书籍、视频和学校开设的相关课程进行了解和学习，使用虚拟仿真软件学习占比只有16.78%。

2.2.3 对虚拟仿真教学软件的熟悉度调查
关于对虚拟仿真教学软件的熟悉度，共3题，结果如表3所示，分析发现，四分之一左右的同学曾经使用过虚拟仿真教学软件，且使用次数为3次以上，但对中药鉴定相关的虚拟仿真软件了解较少，使用过的同学仅有10.07%，说明中药鉴定虚拟仿真软件较为缺乏。

此外，大部分学生认为虚拟仿真教学软件可有助于增加学习趣味性、突破时空限制、直观易于加深对知识的理解、可作为实际操作之前的演练等。

2.2.4 对中药鉴定VR软件的使用意愿及功能调查
关于对中药鉴定VR软件的使用意愿及功能，共3题，结果如表4所示，65.1%的学生认为有必要引入虚拟仿真软件来支持中药鉴定的学习，且63.76%的同学愿意尝试使用，52.35%的同学认为中药鉴定虚拟仿真软件对自己学习能力和中药鉴定能力起到积极的影响作用。

此外，学生希望中药鉴定虚拟仿真软件具备的功能应包括：中药材的360度旋转查看、中药材内部切面的查看、中药材真伪鉴定、易混淆中药材鉴定、中药材性状鉴定、中药识别实训演练、中药材来源鉴定、中药材查询、中药拍照识别和中药识别实训考核。

3 中药鉴定VR教学软件的设计思路
3.1 设计理念
基于“科学规划、按需设计、多端应用、服务教学”的设计原则，以提升学生中药鉴定理论知识掌握和实践能力发展为宗旨，以帮助学生学习中药材性状鉴定、中药材真伪鉴定以及便捷查询中药材为核心，基于PC端和移动端，支持师生开展中药鉴定虚拟仿真教学。

3.2 總体架构
软件的总体架构采用了分层体系架构思想，综合了虚拟现实、云计算、大数据等技术，包含如图2所示的四层架构。

3.2.1 数据层
中药鉴定虚拟仿真软件涉及多种3D中药模型及用户操作数据。

因此，数据层分别设置了3D中药模型库、中药材图片库、题库、操作数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。

3.2.2 支撑层。