眼視光實(shí)操教學(xué)利器：VR虛擬仿真進(jìn)課堂

VR（Virtual Reality），中文譯為“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”，其實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)世界給人以環(huán)境沉浸感。VR技術(shù)最早的研發(fā)應(yīng)用是在上世紀(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家的航天軍事領(lǐng)域，近年來(lái)在影視、設(shè)計(jì)、制造、醫(yī)學(xué)、商貿(mào)、教育等領(lǐng)域迅速發(fā)展，隨著大數(shù)據(jù)平臺(tái)、芯片、顯示、人機(jī)交互等技術(shù)的加持，如今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟和普及。

當(dāng)前，VR技術(shù)在教育方面的應(yīng)用日趨深入，如虛擬課堂、虛擬校園、虛擬圖書館、虛擬實(shí)訓(xùn)等，成為一種新型教學(xué)手段。2018年，教育部在《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》通知中提出，加強(qiáng)高校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)，服務(wù)信息化教學(xué)需要，多所高校已建成各類虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)和資源。國(guó)內(nèi)部分院校也有眼視光專業(yè)陸續(xù)開展了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)，但應(yīng)用成熟的VR教學(xué)系統(tǒng)和平臺(tái)還比較少，安徽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校在眼視光VR實(shí)訓(xùn)教學(xué)方面進(jìn)行了積極的嘗試，本文通過(guò)相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的介紹，探討眼視光專業(yè)的VR虛擬仿真實(shí)訓(xùn)建設(shè)。

1 眼視光VR實(shí)訓(xùn)教學(xué)的特點(diǎn)

VR技術(shù)的各種實(shí)際應(yīng)用是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的模擬和還原，操作上體現(xiàn)為人在計(jì)算機(jī)等各種終端設(shè)備上的交互式、沉浸式體驗(yàn)。VR技術(shù)在眼視光實(shí)訓(xùn)教學(xué)上的應(yīng)用，本質(zhì)上也是對(duì)現(xiàn)實(shí)中的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程的模擬和還原，其特點(diǎn)主要有以下3方面：

第一，對(duì)教學(xué)設(shè)備的虛擬應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，建立與現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備高度仿真的虛擬儀器設(shè)備模型，并且能夠與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程一一對(duì)應(yīng)，學(xué)生可以通過(guò)虛擬設(shè)備獲得與現(xiàn)實(shí)中一致的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)。

第二，對(duì)教學(xué)場(chǎng)景的虛擬應(yīng)用。打破傳統(tǒng)的時(shí)空限制，利用虛擬仿真技術(shù)模擬真實(shí)的課堂、教師、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)對(duì)象等教學(xué)場(chǎng)景，學(xué)生可以在模擬場(chǎng)景中扮演不同角色，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)反饋，獲得沉浸式的體驗(yàn)。

第三，對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)的虛擬應(yīng)用。實(shí)訓(xùn)教學(xué)的根本目標(biāo)是提升技能操作水平，以勝任實(shí)際的工作任務(wù)，無(wú)論是現(xiàn)實(shí)的實(shí)操訓(xùn)練，還是虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，在教學(xué)過(guò)程中必須建立完善的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系以檢測(cè)實(shí)訓(xùn)操作練習(xí)的效果。虛擬仿真技術(shù)利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)和計(jì)算機(jī)分析處理等各種技術(shù)，通過(guò)大量模擬基于工作過(guò)程的真實(shí)案例的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生不斷提高解決問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力和創(chuàng)新精神。

2 眼視光VR實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)（軟件）

VR技術(shù)目前飛速發(fā)展，包括三維圖形生成、多傳感器交互、可穿戴設(shè)備、高分辨率顯示技術(shù)等，國(guó)內(nèi)眼視光專業(yè)也有部分院校陸續(xù)開展了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)，但應(yīng)用成熟的VR教學(xué)系統(tǒng)和平臺(tái)還比較少，安徽醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校采用的“眼視光VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”，通過(guò)在《驗(yàn)光技術(shù)》《雙眼視功能檢查分析與處理》等課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。該系統(tǒng)具有以下亮點(diǎn)：

第一，高度專業(yè)化的虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合了多名眼視光學(xué)專家，深入了解眼視光實(shí)訓(xùn)操作的專業(yè)內(nèi)容，建立了高度仿真的虛擬綜合驗(yàn)光儀模型，并結(jié)合高斯模糊算法、方向模糊算法等多種算法真實(shí)模擬人眼視覺(jué)感知變化，為練習(xí)者提供了可視化、沉浸式的人機(jī)交互體驗(yàn)。目前軟件系統(tǒng)已開發(fā)“主覺(jué)驗(yàn)光”和“視功能檢查”兩大模塊，涵蓋了驗(yàn)光和視功能檢查的所有基礎(chǔ)操作，對(duì)應(yīng)眼視光專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的核心操作技能。

圖1 “眼視光VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”操作界面

圖2 “眼視光VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”人機(jī)交互界面

第二，方便高效的智能化操作系統(tǒng)。傳統(tǒng)的眼視光實(shí)訓(xùn)教學(xué)需投入大量硬件設(shè)施：專業(yè)教室、教學(xué)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)儀器等，受限于設(shè)備成本和時(shí)間、空間限制，無(wú)法做到一對(duì)一的個(gè)性化教學(xué)指導(dǎo)，效率低、效果差。“眼視光VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”只需要以軟件包的形式安裝在學(xué)校電腦機(jī)房和學(xué)生手機(jī)端，一人一賬號(hào)，既可以在校內(nèi)電腦機(jī)房操作，也可以在手機(jī)上反復(fù)練習(xí)，節(jié)省了大量的教學(xué)成本，并且極大提高了教學(xué)效果。

圖3 “眼視光VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”電腦機(jī)房課堂教學(xué)

圖4 “眼視光VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”手機(jī)端登錄界面

第三，創(chuàng)新的信息化實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式。傳統(tǒng)的眼視光實(shí)訓(xùn)教學(xué)，在練習(xí)環(huán)節(jié)一般是教師和學(xué)生一對(duì)多示教指導(dǎo)，其弊端在于：實(shí)操練習(xí)的案例不足且和實(shí)際工作脫節(jié)，練習(xí)者無(wú)法感知被檢者的真實(shí)反饋；在考核環(huán)節(jié)一般是教師和學(xué)生面對(duì)面實(shí)操考試，其弊端在于：人工考核方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，教師負(fù)擔(dān)較重，教學(xué)效果大打折扣?！把垡暪釼R虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)和人工智能分析技術(shù)革新了以上的弊端，教師可以在該系統(tǒng)后臺(tái)自定義設(shè)置海量的驗(yàn)光和視功能處方案例供學(xué)生練習(xí)和考試，并隨時(shí)監(jiān)控每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和狀態(tài)，系統(tǒng)還會(huì)實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄學(xué)生的操作步驟和判定考試結(jié)果。

圖5 “眼視光VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”后臺(tái)學(xué)生信息

圖6 “眼視光VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”后臺(tái)案例設(shè)置

圖7 “眼視光VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”前端考試開始界面

圖8 “眼視光VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”前端考試提交界面

3 眼視光虛擬仿真實(shí)訓(xùn)建設(shè)的思考

眼視光專業(yè)作為近年來(lái)蓬勃發(fā)展的新興專業(yè)，培養(yǎng)的是在醫(yī)療和社會(huì)生產(chǎn)服務(wù)領(lǐng)域從事眼健康保健服務(wù)的高技能人才，在人才培養(yǎng)方案中突出技能水平的訓(xùn)練，因此，在當(dāng)前教育信息化技術(shù)發(fā)展的背景下，建設(shè)眼視光虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，既是改革傳統(tǒng)教學(xué)育人手段，推進(jìn)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的迫切需要，也是強(qiáng)化教學(xué)與實(shí)訓(xùn)相融合的重要舉措，能有效彌補(bǔ)職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)中看不到、進(jìn)不去、成本高等困難。

“眼視光虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”重點(diǎn)解決了目前專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的兩大痛點(diǎn)：一是實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足，教學(xué)時(shí)間空間受限，無(wú)法滿足每個(gè)學(xué)生反復(fù)練習(xí)提升技能水平的需求，效率很低，效果較差；二是以實(shí)操技能作為主要培養(yǎng)目標(biāo)的眼視光專業(yè)的特殊性，課堂學(xué)習(xí)與實(shí)際工作脫節(jié)，無(wú)法對(duì)接真實(shí)的工作案例，無(wú)法開展線上教學(xué)和批量考核，尤其是在2020年特殊的疫情期間。該系統(tǒng)安裝在電腦或手機(jī)上，通過(guò)VR技術(shù)模擬實(shí)訓(xùn)，教師可在后臺(tái)自定義設(shè)置豐富的練習(xí)和考試案例，學(xué)生可在前端隨時(shí)反復(fù)練習(xí)，滿足了當(dāng)前形勢(shì)下的實(shí)際教學(xué)需求，真正做到為專業(yè)教師減負(fù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)樂(lè)趣，大大降低了教學(xué)和培訓(xùn)成本，高效培養(yǎng)了眼視光高技能人才。