變焦系統及非正常眼矯正虛擬仿真實驗教學探析

杜艷麗，謝 娟，鄭廣超，潘志峰

（鄭州大學 物理學院〔微電子學院〕，河南 鄭州 450001）

引言

人們所接收到的信息約90%是通過眼睛接收的，因此，眼睛是人體最重要也是最脆弱的器官之一。然而，隨著電子產品的普及，人們的目光停留在屏幕上的時間越來越長，給眼睛帶來了健康隱患。據《央廣新聞》報道，世界衛生組織此前的研究報告顯示，中國近視患者人數多達6億，將近是中國總人口數量的一半。我國高中生和大學生的近視率均已超過七成，小學生的近視率也達到40%以上，并逐年增加。青少年近視率高居世界第一。除此之外，遠視、散光等眼球屈光不正等疾病多發、低齡化形勢嚴峻。目前，學生或社會大眾對非正常眼成像特點及相關矯正辦法了解甚微；因此，如何從專業視角用專業知識解析專業問題，加深學生對這部分知識的學習和理解，引導社會大眾科學預防和正確矯正眼球屈光不正等疾病，是我們教育工作者刻不容緩的重要工作。

在以往的相關課程中，對眼球結構及其成像特性講解往往以圖片、模型等方法展示單一靜態的結構或狀態，難以動態展示眼球屈光調節過程、調節程度及調節過程中眼球各組成部分形態的動態變化。尤其是學生在學習中對近視、遠視或散光等非正常眼，難以直觀理解成像變化和矯正原理，致使理論知識和實踐應用脫節。

隨著計算機技術的不斷普及和提高，使用計算機仿真軟件進行虛擬實驗和遠程教學在全國各高校得到了廣泛開發和應用［1］。虛擬仿真實驗教學是通過動畫與計算機模擬，構建高度仿真的虛擬實驗對象和實驗環境，可以作為傳統實驗教學的重要補充［2］；因此，虛擬仿真實驗教學解決了無法獲得實驗樣品和實驗環境的難題，同時降低了實驗安全風險和實驗成本［3-4］。虛擬仿真實驗已經成功應用于多領域的教學實踐中，如大學物理實驗及相關應用實踐教學［5-7］。本實驗采用虛擬仿真軟件充分模擬眼球結構，將人眼結構及變焦成像原理、矯正方法及矯正治療時眼球的運動過程，以虛擬仿真建設呈現出來，并配合真實實驗進行實驗教學，以達到更好的實驗效果。虛擬仿真的實現，讓實驗教學不再是簡單重復和驗證，學生可以從更加真實、立體、生動的演示中了解和掌握專業基礎知識，促進光學實驗教學改革。

一、實驗目的和設計原理

（一）實驗目的

在學生對非正常眼的結構變化、成像效果及矯正的學習過程中，以虛擬現實技術作為媒介手段，創建以計算機為硬件基礎的VR實驗室，主要模擬正常眼球結構及視力調節過程、近視眼成因及矯正、遠視眼成因及矯正、近視加散光眼成因及矯正等實驗操作中無法進行具體操作的過程，動態展示精密的眼球結構如何有機組合、協同調節屈光功能的過程，以及臨床糾正近視、遠視、散光等屈光不正的原理過程。虛擬仿真實驗設計以更加生動及感知的呈現方式，使學生對真實理論與虛擬對象進行自由交互，讓學生通過沉浸虛擬場景，將不便于直接觀察的眼球結構和難以理解的成像及矯正原理，以直觀和互動的方式加強認知和理解，從而提高教學效果。

（二）設計原理

現代物理學將眼球結構看成一個精密的成像光學系統。本實驗項目嘗試通過物理實驗研究眼球成像系統的成像原理，以及各種屈光不正產生的物理機制和矯正方法。仿真系統的核心要素是對眼球構造、功能及矯正調節的模擬。本系統參照真實眼球進行1∶1物理建模，并通過數學建模方法完美地對每個組成結構的參數調節及其成像過程的作用進行了定量的仿真，真實地還原了眼球光學成像及屈光不正矯正的場景和操作過程，符合提升教學高階性、創新性和挑戰度的要求。

1.眼球的折光系統基本原理。外界物體發出的光線，通過眼球的角膜、房水、晶狀體和玻璃體發生折射，最后在視網膜上形成一個清晰的像，這就是眼的折光成像功能。

2.眼球屈光不正及其矯正原理。正常人眼在觀察物體時，光線依次經過角膜、瞳孔、晶狀體和玻璃體，最終在視網膜上清晰成像。在這個過程中，通過自動調節晶狀體的曲率半徑，可以輕松觀察不同位置處的物體。而晶狀體的自調節功能有一定的限度，能清晰成像的物體介于眼球的近點和遠點之間，即眼球睫狀肌最緊張和完全松弛時所能清楚看到的點。

近視眼是由于晶狀體調節能力下降導致遠點在有限距離處的人眼。此時，晶狀體曲率半徑比正常眼小，外形凸出；像方焦點落在視網膜前，焦距變短。矯正過程是外加輔助儀器（凹透鏡）改變焦距的過程。

遠視眼則是近點比正常眼遠，大于明視距離的人眼。此時，晶狀體曲率半徑比正常眼大；像方焦點落在視網膜后，焦距長。矯正過程是外加輔助儀器（凸透鏡）改變焦距的過程。

在虛擬仿真實驗中，學生可以任意擺放“物體”的位置，并觀察眼球成像過程的光路調節過程及其成像效果，突破了實物實驗的局限性。在符合成像條件的位置，成像清晰，與實物實驗的清晰成像要求相對應，做到了虛實結合。在仿真實驗中，學生很容易做到精確調節實驗參數，并快速觀察到實驗現象，通過這種方法可以分析各種實驗參數對實驗的影響情況，有效解決因眼球成像實驗難度大無法具體實施的問題。

二、變焦系統及非正常眼矯正虛擬仿真建設過程

變焦系統及非正常眼矯正虛擬仿真實驗主要依托鄭州大學物理學院大學物理教學中心及大學物理實驗中心等實體教學和實驗平臺，以臨床醫學和物理學研究專業為背景，借助現代化計算機技術，對變焦系統及非正常眼矯正的真實過程進行虛擬化呈現，以達到虛實結合和相互補充的學習效果。

（一）建設模塊

本虛擬仿真項目包含三個基本模塊：實驗目的、實驗原理、實驗意義。具體模塊界面如圖1所示。

圖1 變焦系統及非正常眼矯正虛擬仿實驗模塊

1.操作前準備。為了使學生能夠在課堂上更加高效地理解所學知識，在實驗開始前的課前預習環節，要求學生登錄進入實驗系統，分別點擊“實驗目的”“實驗原理”“實驗意義”按鈕查看實驗相關介紹，了解眼部結構和成像過程，記錄實驗難點，并進行自我設計和自主學習。教師通過后臺教學管理系統大數據，對學生線上虛擬實驗學習存在的難點和易錯點進行匯總、整理和分析。

2.實驗過程。在學生進入實驗項目后，首先，點擊“進入實驗”按鈕進入實驗主界面進行實驗，利用虛擬仿真軟件了解真實眼球組成結構，理解晶狀體變化過程中折光成像系統原理；在教師進行核心內容的部分講解后，學生可將學習過程中發現的問題向教師提問，或是同學之間討論。其次，學生結合教師課堂所講內容再次進行軟件操作，調節凹透鏡、凸透鏡和柱面透鏡參數，觀察正常人眼成像時的變焦過程，觀察近視、遠視及散光等非正常眼的成像過程及矯正原理，掌握視力矯正的方法。通過實際操作，學生對靜態模型難以展示的成像原理動態變化有了更為清晰直觀的認識，能夠將知識要點掌握得更加牢固。最后，為了檢驗學生對眼球模型結構和屈光不正原理與矯正方法的實驗效果，在規定時間內，要求學生在沒有任何提示和幫助下獨立完成實驗，并提交實驗報告，實驗報告主要包括實驗結果、結果分析及心得體會。

3.課后鞏固。課后練習是為鞏固學習效果而安排的檢測辦法，是教學過程的重要組成部分。為了鞏固和檢測本虛擬仿真實驗教學效果，使學生進一步掌握實驗原理等理論知識，本虛擬仿真實驗教學平臺設計了依據實驗理論、實驗操作過程的課后練習題，以選擇題的形式進行考查，由用戶作答后，系統提供打分并上傳至實驗空間。

（二）實驗流程圖

變焦系統及非正常眼矯正虛擬仿真實驗流程的呈現主要是為了讓學生對整個實驗模塊和實驗過程具有整體的感觀認識。

結語

隨著信息化時代的到來，虛擬仿真技術大規模滲透進入物理實驗教學中。利用虛擬仿真實驗教學的優勢，通過動畫與計算機模擬，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，通過形象化描述抽象內容［8］，提升教學的直觀性，提高學習效果，具有廣闊的發展前景。本虛擬仿真實驗克服了客觀條件的限制，將抽象深奧的物理理論知識變得具體形象，眼球結構和變焦成像的物理過程讓學生肉眼可見，有利于培養學生將理論知識轉化為實踐動手的能力，將課堂內容和實踐應用有機結合，加深學生的理解。同時，在教法方面，在任何有網絡的地方，學生可以隨時對本項目的內容進行學習和復習，有效克服了傳統教學中受時間和場所局限的問題，具有很強的靈活性和實踐性，拓展了基礎物理實驗教學的廣度，加深了基礎物理實驗教學的深度，是對傳統教學的延伸和拓展。從安全性上來說，它擺脫了傳統的實驗材料標本化，降低了實驗的安全風險和實驗成本，能夠保證學生參與實驗的安全。

此外，高校的虛擬仿真實驗教學在人才培養、科學研究、學科建設和產學研合作方面具有不可替代的作用。鄭州大學作為國內“雙一流”建設高校，更應該通過虛擬仿真平臺提升學生的動手能力、科研思維和創新創業意識，構建虛實結合、產教聯合、科教融合的實驗實踐教學體系，有力促進高校提高教學水平，構建立體化教學新模式，轉變單一的教學方式，為“互聯網+”背景下的物理實驗教學改革提供一條有效的途徑［9］。