变焦系统及非正常眼矫正虚拟仿真实验教学探析

杜艳丽，谢 娟，郑广超，潘志峰

（郑州大学 物理学院〔微电子学院〕，河南 郑州 450001）

引言

人们所接收到的信息约90%是通过眼睛接收的，因此，眼睛是人体最重要也是最脆弱的器官之一。然而，随着电子产品的普及，人们的目光停留在屏幕上的时间越来越长，给眼睛带来了健康隐患。据《央广新闻》报道，世界卫生组织此前的研究报告显示，中国近视患者人数多达6亿，将近是中国总人口数量的一半。我国高中生和大学生的近视率均已超过七成，小学生的近视率也达到40%以上，并逐年增加。青少年近视率高居世界第一。除此之外，远视、散光等眼球屈光不正等疾病多发、低龄化形势严峻。目前，学生或社会大众对非正常眼成像特点及相关矫正办法了解甚微；因此，如何从专业视角用专业知识解析专业问题，加深学生对这部分知识的学习和理解，引导社会大众科学预防和正确矫正眼球屈光不正等疾病，是我们教育工作者刻不容缓的重要工作。

在以往的相关课程中，对眼球结构及其成像特性讲解往往以图片、模型等方法展示单一静态的结构或状态，难以动态展示眼球屈光调节过程、调节程度及调节过程中眼球各组成部分形态的动态变化。尤其是学生在学习中对近视、远视或散光等非正常眼，难以直观理解成像变化和矫正原理，致使理论知识和实践应用脱节。

随着计算机技术的不断普及和提高，使用计算机仿真软件进行虚拟实验和远程教学在全国各高校得到了广泛开发和应用［1］。虚拟仿真实验教学是通过动画与计算机模拟，构建高度仿真的虚拟实验对象和实验环境，可以作为传统实验教学的重要补充［2］；因此，虚拟仿真实验教学解决了无法获得实验样品和实验环境的难题，同时降低了实验安全风险和实验成本［3-4］。虚拟仿真实验已经成功应用于多领域的教学实践中，如大学物理实验及相关应用实践教学［5-7］。本实验采用虚拟仿真软件充分模拟眼球结构，将人眼结构及变焦成像原理、矫正方法及矫正治疗时眼球的运动过程，以虚拟仿真建设呈现出来，并配合真实实验进行实验教学，以达到更好的实验效果。虚拟仿真的实现，让实验教学不再是简单重复和验证，学生可以从更加真实、立体、生动的演示中了解和掌握专业基础知识，促进光学实验教学改革。

一、实验目的和设计原理

（一）实验目的

在学生对非正常眼的结构变化、成像效果及矫正的学习过程中，以虚拟现实技术作为媒介手段，创建以计算机为硬件基础的VR实验室，主要模拟正常眼球结构及视力调节过程、近视眼成因及矫正、远视眼成因及矫正、近视加散光眼成因及矫正等实验操作中无法进行具体操作的过程，动态展示精密的眼球结构如何有机组合、协同调节屈光功能的过程，以及临床纠正近视、远视、散光等屈光不正的原理过程。虚拟仿真实验设计以更加生动及感知的呈现方式，使学生对真实理论与虚拟对象进行自由交互，让学生通过沉浸虚拟场景，将不便于直接观察的眼球结构和难以理解的成像及矫正原理，以直观和互动的方式加强认知和理解，从而提高教学效果。

（二）设计原理

现代物理学将眼球结构看成一个精密的成像光学系统。本实验项目尝试通过物理实验研究眼球成像系统的成像原理，以及各种屈光不正产生的物理机制和矫正方法。仿真系统的核心要素是对眼球构造、功能及矫正调节的模拟。本系统参照真实眼球进行1∶1物理建模，并通过数学建模方法完美地对每个组成结构的参数调节及其成像过程的作用进行了定量的仿真，真实地还原了眼球光学成像及屈光不正矫正的场景和操作过程，符合提升教学高阶性、创新性和挑战度的要求。

1.眼球的折光系统基本原理。外界物体发出的光线，通过眼球的角膜、房水、晶状体和玻璃体发生折射，最后在视网膜上形成一个清晰的像，这就是眼的折光成像功能。

2.眼球屈光不正及其矫正原理。正常人眼在观察物体时，光线依次经过角膜、瞳孔、晶状体和玻璃体，最终在视网膜上清晰成像。在这个过程中，通过自动调节晶状体的曲率半径，可以轻松观察不同位置处的物体。而晶状体的自调节功能有一定的限度，能清晰成像的物体介于眼球的近点和远点之间，即眼球睫状肌最紧张和完全松弛时所能清楚看到的点。

近视眼是由于晶状体调节能力下降导致远点在有限距离处的人眼。此时，晶状体曲率半径比正常眼小，外形凸出；像方焦点落在视网膜前，焦距变短。矫正过程是外加辅助仪器（凹透镜）改变焦距的过程。

远视眼则是近点比正常眼远，大于明视距离的人眼。此时，晶状体曲率半径比正常眼大；像方焦点落在视网膜后，焦距长。矫正过程是外加辅助仪器（凸透镜）改变焦距的过程。

在虚拟仿真实验中，学生可以任意摆放“物体”的位置，并观察眼球成像过程的光路调节过程及其成像效果，突破了实物实验的局限性。在符合成像条件的位置，成像清晰，与实物实验的清晰成像要求相对应，做到了虚实结合。在仿真实验中，学生很容易做到精确调节实验参数，并快速观察到实验现象，通过这种方法可以分析各种实验参数对实验的影响情况，有效解决因眼球成像实验难度大无法具体实施的问题。

二、变焦系统及非正常眼矫正虚拟仿真建设过程

变焦系统及非正常眼矫正虚拟仿真实验主要依托郑州大学物理学院大学物理教学中心及大学物理实验中心等实体教学和实验平台，以临床医学和物理学研究专业为背景，借助现代化计算机技术，对变焦系统及非正常眼矫正的真实过程进行虚拟化呈现，以达到虚实结合和相互补充的学习效果。

（一）建设模块

本虚拟仿真项目包含三个基本模块：实验目的、实验原理、实验意义。具体模块界面如图1所示。

图1 变焦系统及非正常眼矫正虚拟仿实验模块

1.操作前准备。为了使学生能够在课堂上更加高效地理解所学知识，在实验开始前的课前预习环节，要求学生登录进入实验系统，分别点击“实验目的”“实验原理”“实验意义”按钮查看实验相关介绍，了解眼部结构和成像过程，记录实验难点，并进行自我设计和自主学习。教师通过后台教学管理系统大数据，对学生线上虚拟实验学习存在的难点和易错点进行汇总、整理和分析。

2.实验过程。在学生进入实验项目后，首先，点击“进入实验”按钮进入实验主界面进行实验，利用虚拟仿真软件了解真实眼球组成结构，理解晶状体变化过程中折光成像系统原理；在教师进行核心内容的部分讲解后，学生可将学习过程中发现的问题向教师提问，或是同学之间讨论。其次，学生结合教师课堂所讲内容再次进行软件操作，调节凹透镜、凸透镜和柱面透镜参数，观察正常人眼成像时的变焦过程，观察近视、远视及散光等非正常眼的成像过程及矫正原理，掌握视力矫正的方法。通过实际操作，学生对静态模型难以展示的成像原理动态变化有了更为清晰直观的认识，能够将知识要点掌握得更加牢固。最后，为了检验学生对眼球模型结构和屈光不正原理与矫正方法的实验效果，在规定时间内，要求学生在没有任何提示和帮助下独立完成实验，并提交实验报告，实验报告主要包括实验结果、结果分析及心得体会。

3.课后巩固。课后练习是为巩固学习效果而安排的检测办法，是教学过程的重要组成部分。为了巩固和检测本虚拟仿真实验教学效果，使学生进一步掌握实验原理等理论知识，本虚拟仿真实验教学平台设计了依据实验理论、实验操作过程的课后练习题，以选择题的形式进行考查，由用户作答后，系统提供打分并上传至实验空间。

（二）实验流程图

变焦系统及非正常眼矫正虚拟仿真实验流程的呈现主要是为了让学生对整个实验模块和实验过程具有整体的感观认识。

结语

随着信息化时代的到来，虚拟仿真技术大规模渗透进入物理实验教学中。利用虚拟仿真实验教学的优势，通过动画与计算机模拟，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，通过形象化描述抽象内容［8］，提升教学的直观性，提高学习效果，具有广阔的发展前景。本虚拟仿真实验克服了客观条件的限制，将抽象深奥的物理理论知识变得具体形象，眼球结构和变焦成像的物理过程让学生肉眼可见，有利于培养学生将理论知识转化为实践动手的能力，将课堂内容和实践应用有机结合，加深学生的理解。同时，在教法方面，在任何有网络的地方，学生可以随时对本项目的内容进行学习和复习，有效克服了传统教学中受时间和场所局限的问题，具有很强的灵活性和实践性，拓展了基础物理实验教学的广度，加深了基础物理实验教学的深度，是对传统教学的延伸和拓展。从安全性上来说，它摆脱了传统的实验材料标本化，降低了实验的安全风险和实验成本，能够保证学生参与实验的安全。

此外，高校的虚拟仿真实验教学在人才培养、科学研究、学科建设和产学研合作方面具有不可替代的作用。郑州大学作为国内“双一流”建设高校，更应该通过虚拟仿真平台提升学生的动手能力、科研思维和创新创业意识，构建虚实结合、产教联合、科教融合的实验实践教学体系，有力促进高校提高教学水平，构建立体化教学新模式，转变单一的教学方式，为“互联网+”背景下的物理实验教学改革提供一条有效的途径［9］。