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3D结构立现 中国药科大学一教师研发国内首款药学教育APP

2019-04-29 18:48图文来源:南报网

记者从中国药科大学获悉,来自该校研究生院的庞瑞老师历时两年,利用业余时间潜心研究3D建模、计算机视觉和二维码技术,设计开发出国内首款药学教育增强现实应用——“拟观药”。

中国药科大学一教师研发国内首款药学教育APP

轻松一扫,即可显示酷炫3D药物分子结构

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药大供图

南报网讯(通讯员 姜晨 徐逸雯 记者 谈洁)记者从中国药科大学获悉,来自该校研究生院的庞瑞老师历时两年,利用业余时间潜心研究3D建模、计算机视觉和二维码技术,设计开发出国内首款药学教育增强现实应用——“拟观药”,英文名为Drug3D,是一个集云服务器、云数据库、“药维码”技术、移动端APP、PC端程序、微信小程序和公众号、周边实体产品于一体的增强现实技术体系。其主要功能是通过移动设备摄像头捕捉现实世界图像,运用增强现实技术从中识别预先设置的“药维码”、图像目标、物体目标等,实时在移动设备屏幕上清晰真实显示炫酷3D药物分子模型,完美呈现药物分子结构中原子与化学键的真实空间位置。这项发明不仅填补了药学教育增强现实应用的空白,其核心技术“药维码”更是解决了长期以来书籍、课本上无法表达三维化学分子模型的重大难题。

打开“拟观药”APP,简单整洁的主界面让人耳目一新。俗话说“麻雀虽小,五脏俱全”,这个看似普通的软件却能实现众多强大的功能。

据了解,“拟观药”APP包含“AR分子浏览器”、“ 3D分子浏览器”和“Word药AR字典”三大模块。其中,“ AR分子浏览器”是“拟观药”APP的核心应用场景。用户只需打开“AR分子浏览器”,无论是扫描药物学习辅助纸牌正面的分子结构式抑或背面的“药维码”,均可以在手机上看到酷炫的3D药物分子模型。如果在屏幕范围内移动该纸牌,3D药物分子模型还会随之移动、旋转、缩放,用户甚至可以将碳原子和碳键换成自己喜爱的颜色。

“3D分子浏览器”是“拟观药”APP的基础应用场景。里面储藏有160个药物分子的资料卡片,这些都是从药学生必学的《药物化学》教科书中整理出来的,方便同学们随时随地在移动设备上查看学习。

“Word药AR字典”是“拟观药”APP的延伸应用场景。学习中最头痛的事情莫过于查英语单词,一般的词典APP只能输入或扫描一个单词,不停输入或扫描非常繁琐。而“Word药AR字典”拥有比普通词典APP更加方便快捷的单词扫描功能,不用在搜索框手动输入需要翻译的单词,只需将摄像头对准书页便可快速将十几个单词一下识别出来。屏幕上点击识别出的单词,还可瞬间跳转到金山词霸等国内外7家专业在线词典网站,获得更为详细的注解。

据了解,自从拉瓦锡在1789年发表《化学基本论述》以来,在书籍、杂志等平面媒体上表达化学分子结构的主要方法是绘制二维的化学结构式,但化学结构式只是三维的真实分子结构在二维平面上的抽象投影,并不能完全表达分子结构中原子与化学键的真实空间位置。因此,化学学习者要想理解立体化学除了动手搭建分子球棍模型,就只能通过自己的想象了。直到上个世纪80年代,计算机才发展出模拟三维分子结构的软件,但电脑不方便携带且无法与书籍、杂志等平面媒体上的化学结构式产生关联互动。而“拟观药”APP将计算机模拟出的虚拟物体与现实物体结合起来,完美解决了这一问题。这项发明不仅填补了药学教育增强现实应用的空白,其核心技术“药维码”更是解决了长期以来书籍、课本上无法表达三维化学分子模型的重大难题。

据庞瑞老师介绍,目前已有6832个小分子药物结构被整理收录到数据库中,“Word药AR字典”含有从大学英语四六级到托福雅思GRE等在内的23000多个词条。值得一提的是,2018年5月化学工业出版社已经重新印刷了带有“药维码”的十二五规划教材《药物化学》(第三版),全国使用该教材的师生都能够使用到“拟观药”技术。

中国药科大学药学院大三学生周雪琛调侃道:“大家都说,药化(“药物化学”的简称)的谐音是‘要挂’。《药物化学》这门课程确实超级难啃,且不说学习过程中要记住很多复杂的药物结构和构效关系,各种化学物质的药性药效绝对可以让你混乱到不知所措。‘拟观药’APP和药物学习辅助纸牌的出现,可谓拯救了在‘药化’面前苦苦挣扎的我们。它不但可以让我们随时随地翻看酷炫的3D分子模型并加深学习印象,还可以帮助我们找到药物分子的中外资料,而且如果遇到看不懂的英文还能进行翻译。实用性真的超强!”

“‘拟观药’APP通过智能手机等移动终端,将海量分子结构模型、分子对接动画等教学内容实时呈现给教师和学生,并提供多种互动效果和信息拓展,发挥教师教学的创造性,调动学生学习的积极性,凸显了整个教学实践活动的高科技含量。”中国药科大学教务处处长唐伟方点评道。

这款超酷APP好评如潮的背后是开发者庞瑞老师两年多来的辛苦付出。作为中国药科大学中药制剂专业的优秀硕士毕业生,庞瑞老师早在2001年就获得了美国SUN公司的Java程序员认证,还自学了其他十几种计算机语言。2015年9月,德国科学院院士、中国药科大学校长来茂德教授在开学典礼上发表了《人生在虚拟与现实的高效结合中完美定位》的演讲,播放了一段微软Hololens混合现实眼镜应用在医学上的视频,这让庞瑞老师受到了很大启发。从那时起,他便开始思考并着手开发一款增强现实APP应用到药学教育上。

谈及整个开发过程,庞瑞老师坦言:“开发‘拟观药’APP算是我这辈子做过的最具挑战性的事情,为此我放弃了很多个周末,一个人编写了上万行的代码,进行了数百次测试。开发过程中遇到的难题无数,如果要总结可以写一本书。最后,‘拟观药’APP的成功应用,除了要感谢尤启冬教授的悉心指导,还要感谢药大师生的关心和支持。”

据了解,自2016年开始投入研发,到2018年初上线测试,再到2019年技术应用成熟并不断推广普及,如今“拟观药”APP的用户下载量已高达6000次,中国药科大学、沈阳药科大学以及国内其他多所药学院的学生都开始使用此APP应用。

由此可见,“拟观药”不仅仅是一种全新的教育技术和手段,也开创了一种全新的教育模式,巧妙地将手机、IPAD等移动智能设备从用来玩游戏的课堂“公害”转变为用来学习药物知识的实用教学工具。

然而,这场基于增强现实和虚拟现实技术的教育科技革命才刚刚拉开帷幕。谈及未来发展,庞瑞老师表示,“拟观药”APP实质上是一个增强现实教学系统,不仅药物化学一门课,今后大部分药学类相关课程的教材都可以使用这项技术;不仅药学这一个学科,“拟观药”技术还可以应用在化学、生物学、医学等相关学科;不仅教材、书籍,“药维码”还可以广泛应用在课件、杂志、论文、网页、海报等平面上。

“未来几年,‘拟观药’APP还将移植到不断普及的AR眼镜和VR眼镜中,成为真正意义上的增强现实和虚拟现实教育系统,让学生在课堂、校园、图书馆、实验室、宿舍等多种场景中获取更加丰富的海量知识,开展更加自由、更加轻松的学习。到那时,《哈利·波特》书中所描绘的霍格沃茨魔法学校将真正走进现实。”庞瑞说。

作者:谈洁责任编辑:吴丽莉
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