眼视光实操教学利器：VR虚拟仿真进课堂

VR（Virtual Reality），中文译为“虚拟现实技术”，其实现方式是通过计算机技术模拟现实世界给人以环境沉浸感。VR技术最早的研发应用是在上世纪发达国家的航天军事领域，近年来在影视、设计、制造、医学、商贸、教育等领域迅速发展，随着大数据平台、芯片、显示、人机交互等技术的加持，如今，虚拟现实技术的应用已经日趋成熟和普及。

当前，VR技术在教育方面的应用日趋深入，如虚拟课堂、虚拟校园、虚拟图书馆、虚拟实训等，成为一种新型教学手段。2018年，教育部在《教育信息化2.0行动计划》通知中提出，加强高校虚拟仿真实训中心建设，服务信息化教学需要，多所高校已建成各类虚拟仿真教学平台和资源。国内部分院校也有眼视光专业陆续开展了虚拟仿真实训系统的研发和建设，但应用成熟的VR教学系统和平台还比较少，安徽医学高等专科学校在眼视光VR实训教学方面进行了积极的尝试，本文通过相关教学经验的介绍，探讨眼视光专业的VR虚拟仿真实训建设。

1 眼视光VR实训教学的特点

VR技术的各种实际应用是对现实世界的模拟和还原，操作上体现为人在计算机等各种终端设备上的交互式、沉浸式体验。VR技术在眼视光实训教学上的应用，本质上也是对现实中的实训教学过程的模拟和还原，其特点主要有以下3方面：

第一，对教学设备的虚拟应用。利用计算机虚拟仿真技术，建立与现实世界的实验仪器设备高度仿真的虚拟仪器设备模型，并且能够与实际的实验操作过程一一对应，学生可以通过虚拟设备获得与现实中一致的实验操作体验。

第二，对教学场景的虚拟应用。打破传统的时空限制，利用虚拟仿真技术模拟真实的课堂、教师、学生、实验室、实验对象等教学场景，学生可以在模拟场景中扮演不同角色，进行实验观察、实验操作、数据反馈，获得沉浸式的体验。

第三，对教学评价的虚拟应用。实训教学的根本目标是提升技能操作水平，以胜任实际的工作任务，无论是现实的实操训练，还是虚拟仿真实训，在教学过程中必须建立完善的学习评价体系以检测实训操作练习的效果。虚拟仿真技术利用大数据平台和计算机分析处理等各种技术，通过大量模拟基于工作过程的真实案例的实训教学，引导学生不断提高解决问题、分析问题的能力和创新精神。

2 眼视光VR实训教学系统（软件）

VR技术目前飞速发展，包括三维图形生成、多传感器交互、可穿戴设备、高分辨率显示技术等，国内眼视光专业也有部分院校陆续开展了虚拟仿真实训系统的研发和建设，但应用成熟的VR教学系统和平台还比较少，安徽医学高等专科学校采用的“眼视光VR虚拟实训系统”，通过在《验光技术》《双眼视功能检查分析与处理》等课程实训教学的应用实践，取得了良好的教学效果。该系统具有以下亮点：

第一，高度专业化的虚拟仿真系统。该系统研发团队联合了多名眼视光学专家，深入了解眼视光实训操作的专业内容，建立了高度仿真的虚拟综合验光仪模型，并结合高斯模糊算法、方向模糊算法等多种算法真实模拟人眼视觉感知变化，为练习者提供了可视化、沉浸式的人机交互体验。目前软件系统已开发“主觉验光”和“视功能检查”两大模块，涵盖了验光和视功能检查的所有基础操作，对应眼视光专业实训教学的核心操作技能。

图1 “眼视光VR虚拟实训系统”操作界面

图2 “眼视光VR虚拟实训系统”人机交互界面

第二，方便高效的智能化操作系统。传统的眼视光实训教学需投入大量硬件设施：专业教室、教学设备、实验仪器等，受限于设备成本和时间、空间限制，无法做到一对一的个性化教学指导，效率低、效果差。“眼视光VR虚拟实训系统”只需要以软件包的形式安装在学校电脑机房和学生手机端，一人一账号，既可以在校内电脑机房操作，也可以在手机上反复练习，节省了大量的教学成本，并且极大提高了教学效果。

图3 “眼视光VR虚拟实训系统”电脑机房课堂教学

图4 “眼视光VR虚拟实训系统”手机端登录界面

第三，创新的信息化实训教学方式。传统的眼视光实训教学，在练习环节一般是教师和学生一对多示教指导，其弊端在于：实操练习的案例不足且和实际工作脱节，练习者无法感知被检者的真实反馈；在考核环节一般是教师和学生面对面实操考试，其弊端在于：人工考核方式费时费力，教师负担较重，教学效果大打折扣。“眼视光VR虚拟实训系统”通过大数据平台和人工智能分析技术革新了以上的弊端，教师可以在该系统后台自定义设置海量的验光和视功能处方案例供学生练习和考试，并随时监控每个学生的学习进度和状态，系统还会实时自动记录学生的操作步骤和判定考试结果。

图5 “眼视光VR虚拟实训系统”后台学生信息

图6 “眼视光VR虚拟实训系统”后台案例设置

图7 “眼视光VR虚拟实训系统”前端考试开始界面

图8 “眼视光VR虚拟实训系统”前端考试提交界面

3 眼视光虚拟仿真实训建设的思考

眼视光专业作为近年来蓬勃发展的新兴专业，培养的是在医疗和社会生产服务领域从事眼健康保健服务的高技能人才，在人才培养方案中突出技能水平的训练，因此，在当前教育信息化技术发展的背景下，建设眼视光虚拟仿真实训平台，既是改革传统教学育人手段，推进人才培养模式创新的迫切需要，也是强化教学与实训相融合的重要举措，能有效弥补职业教育实训中看不到、进不去、成本高等困难。

“眼视光虚拟实训系统”重点解决了目前专业实训教学中的两大痛点：一是实训设备不足，教学时间空间受限，无法满足每个学生反复练习提升技能水平的需求，效率很低，效果较差；二是以实操技能作为主要培养目标的眼视光专业的特殊性，课堂学习与实际工作脱节，无法对接真实的工作案例，无法开展线上教学和批量考核，尤其是在2020年特殊的疫情期间。该系统安装在电脑或手机上，通过VR技术模拟实训，教师可在后台自定义设置丰富的练习和考试案例，学生可在前端随时反复练习，满足了当前形势下的实际教学需求，真正做到为专业教师减负，激发学生的学习乐趣，大大降低了教学和培训成本，高效培养了眼视光高技能人才。