引用本文： 杨必, 董光静, 牛继堂, 姜宇涵, 刘陇黔, 郑秀娟. 虚拟现实技术在低视力教学中的应用研究. 华西医学, 2024, 39(9): 1478-1482. doi: 10.7507/1002-0179.202404158 复制
低视力属于视觉损伤范畴中的中重度视觉损伤，国家卫生健康委发布的《“十四五”全国眼健康规划（2021－2025 年）》中提出强化低视力诊疗康复平台是“十四五”期间的一大重点[1]。四川大学立足于国家政策和社会需求，为大学三年级眼视光学本科生开设了“低视力学（全英文）”课程，但既往多采用教师授课、学生听课为主的传统授课（lecture-based learning, LBL）模式，学生普遍反馈教学内容过于抽象。虚拟现实（virtual reality, VR）技术是自 20 世纪 60 年代发展起来的实用型技术，通过计算机技术模拟出具有高度仿真的虚拟环境，使抽象的事物更为具体化和形象化[2]。目前已有研究将 VR 技术应用于医学领域，助力于手术训练、疾病治疗等[3]。本研究通过引入 VR 技术，实现低视力常见病因的视觉模拟，将其投入低视力教学中，让学生切身体验各类疾病对患者视觉功能和生活的影响，对比分析基于 VR 技术的教学模式与传统 LBL 教学模式的教学效果差异，并调查学生对不同教学模式的接受度，为进一步提高和改善低视力教学效果提供依据和参考。
1 对象与方法
1.1 研究对象及分组
选取四川大学华西临床医学院 2020 级和 2021 级眼视光学专业本科生为研究对象，2020 级学生为对照组，采用传统 LBL 教学模式（以下简称“LBL 教学组”），2021 级学生采用 VR 教学模式（以下简称“VR 教学组”）。所有学生对本研究均已知情同意。
1.2 研究方法
1.2.1 低视力 VR 模拟器的开发
本研究于 2023 年春季学期至 2024 年春季学期开展。为贴合教学需求，本研究团队自行编程开发模拟器，并采用 VR 眼镜盒配合智能手机的呈现方式（图1），为 VR 教学组每一位同学都配备相应的教学设备。VR 眼镜盒选用千幻魔镜 G04BS，智能手机搭载安卓系统。在手机应用程序开发中采用 Unity 虚拟引擎、OpenCV（Open Source Computer Vision Library）计算机视觉库和 VR 成像原理相结合的方案，模拟不同病因带来的低视力症状或体征，如青光眼导致的管状视野缺损、偏盲型视野缺损、黄斑变性导致的中心视野扭曲、白内障导致的整体视力和对比度下降等。虚拟场景选择学生熟悉的教室，便于学生感受低视力对日常活动的影响。在虚拟场景中，设置使用者的观察位置在教室最后一排，使用手机内置陀螺仪数据，实现注视跟随效果，即可观察远处教室前面的场景，也可以近距离观察最后一排的相关物体。
图1
教学中采用的 VR 眼镜盒与智能手机实物
VR：虚拟现实
此外，采用数字图像处理算法模拟低视力症状，针对不同病因的低视力症状特点，采用不同的算法。针对青光眼所致的管状视野缺损，引入一个与原始图像尺寸相同的遮罩，根据透明度计算距离中心点每个像素点的模糊程度，通过遮罩和原始图像叠加实现中心区域清晰，而边缘逐渐模糊或变暗；针对偏盲型视野缺损，引入与原始图像尺寸相同的遮罩，选定左半部分全黑，与原始图像叠加实现偏盲效果；针对黄斑变性所致的中心视野扭曲，通过对中心区域进行高斯模糊和所有像素点的径向变性函数，实现视网膜图像扭曲的效果；针对白内障，使用高斯模糊进行初步模糊处理，再通过颜色空间变换以减少饱和度、对比度，最后在特定区域添加亮斑来模拟白内障症状。图2 展示了手机应用中呈现的部分低视力效果示例。
图2
手机应用中呈现的低视力示例
a. 青光眼导致的管状视野缺损；b. 偏盲型视野缺损；c. 黄斑变性导致的中心视野扭曲；d. 白内障导致的整体对比度下降
1.2.2 低视力教学
针对第一章低视力概述的理论和实操课程内容，LBL 教学组以教师为主体，以讲课为中心，结合多媒体和板书，采用传统教学方式。VR 教学组将 VR 技术融入授课内容中，增加师生互动，让学生沉浸式体验各种低视力模拟，教学过程不只是通过文本、多媒体进行简单的知识输出，而是侧重于 VR 技术手段的支撑。其中 LBL 教学组在 2023 年采用传统 LBL 教学模式完成低视力课程学习，并记录了每一章的课程随堂测试成绩，课程结束时，对学生进行教学模式接受度问卷调查。VR 教学组在 2024 年采用 VR 教学模式学习低视力课程，课程内容结束后完成随堂测试和问卷调查，2 组学生的测试题目和时长一致。为了避免和减少2 组学生之间进行学习信息交流引起偏倚，按照前期知情约定，禁止 LBL 教学组学生向 VR 教学组学生透露相关学习内容。
1.2.3 教学效果评价
教学效果评价包含客观和主观评价 2 个部分。客观评价指标为 2 组学生第一章随堂测试成绩。测试题目包含选择题和填空题，测试内容围绕第一章概述，检测学生对于低视力概念、分类、流行病学特征、常见病因的掌握程度，卷面总分 100 分。主观评价指标为 2 组课程结束后的问卷调查结果。采用自主设计的问卷评估学生对不同教学模式的接受度，共包含 10 个问题，主要针对教学有效性、趣味性、接受度等内容，每个问题选填“是/否”。
1.3 统计学方法
使用 SPSS 23.0 统计学软件对数据进行分析。基于既往研究的评估标准[4-5]，对调查问卷进行信效度分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用 t 检验；计数资料以人数（百分比）表示，组间比较采用χ2 检验或 Fisher 确切概率法。双侧检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 VR 教学组与 LBL 教学组的基本资料
VR 教学组学生 28 人，年龄（20.71±0.66）岁，其中男生 16 人、女生 12 人。LBL 教学组学生 30 人，年龄（20.57±0.61）岁，其中男生 13 人、女生 17 人。2 组学生年龄（t=0.875，P=0.385）、性别构成（χ2=1.105，P=0.293）差异均无统计学意义。
2.2 VR 教学组与 LBL 教学组的随堂测试成绩
VR 教学组和 LBL 教学组的第一章随堂测试成绩分别为（86.43±6.10）、（78.10±7.69）分，均数差及 95%置信区间为 8.33（4.66，12.00）分，VR 教学组学生随堂测试成绩高于 LBL 教学组，差异有统计学意义（t=4.545，P<0.001）。
2.3 VR 教学组与 LBL 教学组的问卷调查结果
本研究总问卷 Cronbach α系数为 0.887，Guttman 分半信度系数为 0.898，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）指数为 0.689，Bartlett 球形检验 P<0.001。问卷信度和结构效度均较好。本研究共发放问卷 58 份，回收有效问卷 58 份，有效问卷回收率为 100%。除问题“该教学模式有主观不适感”外，其余问题2 组评价结果差异均有统计学意义（P<0.05）。VR 教学组学生普遍认为将 VR 技术应用于低视力教学中，可以有助于了解低视力患者的视觉体验和日常生活状态、提高学习效率和动手能力、减轻学习负担，并希望将该教学模式常规用于其他学科教学中。VR 教学组所有学生都认为该教学模式有趣、创新性高，增强了师生互动。但有 25.0%的 VR 教学组学生报告有主观不适感，主要症状为眩晕、恶心、有视差。该比例虽高于 LBL 教学组，但差异无统计学意义（P>0.05）。LBL 教学组有 10%的学生报告有主观不适感，症状主要是因枯燥而感觉困倦、疲惫、注意力不集中。见表1。
表1
VR 教学组与 LBL 教学组的问卷调查结果［人（%）］
3 讨论
当前，我国国民的视觉健康恶化形势不断加剧，视力损害患病率较高。国务院发布的《“健康中国 2030”规划纲要》也明确提出落实开展防盲治盲工作。对于低视力患者，系统性、规范化的视觉康复非常重要。因此，通过眼视光学高等教育培养更多合格的眼视光师，服务于低视力患者、提高低视力患者的生活质量是十分必要和重要的。“低视力学”是眼视光学高等教育中的必修课程，通过该门课程的教学，可以使学生掌握低视力的概念、问诊查体要点、各种低视力特殊检查的方法、光学与非光学助视器验配、低视力康复训练技巧。传统的低视力教学过程中，以教师授课、学生听课为主的 LBL 教学模式过于抽象，大部分知识点只能死记硬背，学生无法切身体验各种眼疾对低视力患者视力、视野等各项视功能带来的影响，使得学生难以很好地理解和掌握相关知识。本研究中LBL教学组的部分学生也反馈课程枯燥，导致学习困难。基于这一现状，目前国内外常借助于一类装配有特殊镜片的护目镜，以模拟异常视觉，如齐默尔曼低视力模拟套件。但这类护目镜通过物理意义上的镜片修改以来模拟低视力，要么价格昂贵，要么与真实场景仍存在一定差距，故国内应用并不普遍。因此，采用更为可行的方法优化低视力教学效果，提高我国眼视光学人才培养质量，为学生们未来开展低视力康复、防盲治盲工作奠定良好的基础，是十分必要的工作。
VR 技术具有沉浸感、交互性、构想性的特点，已被广泛应用于医学领域[6]。在眼视光学领域，VR 技术已被应用于眼科手术辅助[7-8]、弱视治疗[9]、低视力康复[10]、脑视觉研究[11]以及眼视光学教育[12]。本研究将 VR 技术融入低视力学的日常教学中，实现了低视力常见病因（如青光眼、黄斑变性、白内障等疾病）的视觉模拟。将此低视力模拟器运用到低视力教学中，让学生切身体验各类疾病对患者视觉功能和生活的影响，从患者的角度审视疾病，促使学生对低视力患者产生同理心，以期达到更好的教学效果。本研究结果显示，采用 VR 技术优化教学模式后，学生们不仅客观随堂测试分数有所提高，主观问卷反馈中也显示，VR 技术的融入使得原本枯燥的书本知识变得灵动有趣，学生接受度也更高。该结果与既往研究结论一致[2, 12]，VR 的沉浸感、临场感和趣味性提高了医学生学习的兴趣，有效提高了教学效果。
既往采用 VR 技术辅助眼科教学的研究提出，1 套 VR 设备只能供 1 名学生使用，需要带教老师一对一重复教学，导致教学效率偏低[13]。本研究采用 VR 眼镜盒配合智能手机呈现的方法，在教学过程中，学生仅需要提前在智能手机上安装低视力呈现应用程序，实际学习时，每位学生将手机放入课堂提供的 VR 眼镜盒组合成 VR 眼镜即可使用，还可以实现多名同学同时学习的需求。本研究提出的 VR 技术辅助教学方案具有低成本的优势，目前多种品牌的 VR 眼镜盒售价在 200～300 元，且智能手机在学生中的普及率高，便于课堂全员配备，解决了既往研究中提出的单台设备使用瓶颈，提高了教学效率。
本研究中，VR 教学组中有 25.0%的学生报告配戴 VR 眼镜后出现眩晕、恶心等不适症状。既往也有研究报告类似不足[13]。针对 VR 眼镜系统的硬件和软件基本组成部分，Kim 等[14]进行了体验评价问卷调查，结果显示晕动症的发生与 VR 设备硬件、软件的好坏密切相关，设备不良会促进晕动症的发生。另一项研究显示，VR 设备的使用可能会对海马体和其他涉及空间导航的大脑区域产生危害[15]。因此，当 VR 设备用于教学时，改良 VR 设备的配件，减轻学生使用时的视疲劳相关症状，是这一技术未来改革和发展的重要方向。
综上，本研究通过 VR 技术，实现低视力常见病因的视觉模拟，将其应用于低视力教学中，让学生切身体验各类疾病对患者视觉功能和生活的影响。与传统 LBL 教学模式相比，这一创新的教学模式不仅优化和改善了教学效果，学生的接受度亦较高，值得在未来的眼视光学教学中进一步推广。然而，本研究尚存一定局限性，虽然授课教师及授课场地一致，仍无法排除时间因素对研究结果的影响。此外，2 组学生样本量较小，未来应进一步扩大样本量，并采用随机对照的方法，探索 VR 技术在眼视光学教育领域的价值。
利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。
低视力属于视觉损伤范畴中的中重度视觉损伤，国家卫生健康委发布的《“十四五”全国眼健康规划（2021－2025 年）》中提出强化低视力诊疗康复平台是“十四五”期间的一大重点[1]。四川大学立足于国家政策和社会需求，为大学三年级眼视光学本科生开设了“低视力学（全英文）”课程，但既往多采用教师授课、学生听课为主的传统授课（lecture-based learning, LBL）模式，学生普遍反馈教学内容过于抽象。虚拟现实（virtual reality, VR）技术是自 20 世纪 60 年代发展起来的实用型技术，通过计算机技术模拟出具有高度仿真的虚拟环境，使抽象的事物更为具体化和形象化[2]。目前已有研究将 VR 技术应用于医学领域，助力于手术训练、疾病治疗等[3]。本研究通过引入 VR 技术，实现低视力常见病因的视觉模拟，将其投入低视力教学中，让学生切身体验各类疾病对患者视觉功能和生活的影响，对比分析基于 VR 技术的教学模式与传统 LBL 教学模式的教学效果差异，并调查学生对不同教学模式的接受度，为进一步提高和改善低视力教学效果提供依据和参考。
1 对象与方法
1.1 研究对象及分组
选取四川大学华西临床医学院 2020 级和 2021 级眼视光学专业本科生为研究对象，2020 级学生为对照组，采用传统 LBL 教学模式（以下简称“LBL 教学组”），2021 级学生采用 VR 教学模式（以下简称“VR 教学组”）。所有学生对本研究均已知情同意。
1.2 研究方法
1.2.1 低视力 VR 模拟器的开发
本研究于 2023 年春季学期至 2024 年春季学期开展。为贴合教学需求，本研究团队自行编程开发模拟器，并采用 VR 眼镜盒配合智能手机的呈现方式（图1），为 VR 教学组每一位同学都配备相应的教学设备。VR 眼镜盒选用千幻魔镜 G04BS，智能手机搭载安卓系统。在手机应用程序开发中采用 Unity 虚拟引擎、OpenCV（Open Source Computer Vision Library）计算机视觉库和 VR 成像原理相结合的方案，模拟不同病因带来的低视力症状或体征，如青光眼导致的管状视野缺损、偏盲型视野缺损、黄斑变性导致的中心视野扭曲、白内障导致的整体视力和对比度下降等。虚拟场景选择学生熟悉的教室，便于学生感受低视力对日常活动的影响。在虚拟场景中，设置使用者的观察位置在教室最后一排，使用手机内置陀螺仪数据，实现注视跟随效果，即可观察远处教室前面的场景，也可以近距离观察最后一排的相关物体。
图1
教学中采用的 VR 眼镜盒与智能手机实物
VR：虚拟现实
此外，采用数字图像处理算法模拟低视力症状，针对不同病因的低视力症状特点，采用不同的算法。针对青光眼所致的管状视野缺损，引入一个与原始图像尺寸相同的遮罩，根据透明度计算距离中心点每个像素点的模糊程度，通过遮罩和原始图像叠加实现中心区域清晰，而边缘逐渐模糊或变暗；针对偏盲型视野缺损，引入与原始图像尺寸相同的遮罩，选定左半部分全黑，与原始图像叠加实现偏盲效果；针对黄斑变性所致的中心视野扭曲，通过对中心区域进行高斯模糊和所有像素点的径向变性函数，实现视网膜图像扭曲的效果；针对白内障，使用高斯模糊进行初步模糊处理，再通过颜色空间变换以减少饱和度、对比度，最后在特定区域添加亮斑来模拟白内障症状。图2 展示了手机应用中呈现的部分低视力效果示例。
图2
手机应用中呈现的低视力示例
a. 青光眼导致的管状视野缺损；b. 偏盲型视野缺损；c. 黄斑变性导致的中心视野扭曲；d. 白内障导致的整体对比度下降
1.2.2 低视力教学
针对第一章低视力概述的理论和实操课程内容，LBL 教学组以教师为主体，以讲课为中心，结合多媒体和板书，采用传统教学方式。VR 教学组将 VR 技术融入授课内容中，增加师生互动，让学生沉浸式体验各种低视力模拟，教学过程不只是通过文本、多媒体进行简单的知识输出，而是侧重于 VR 技术手段的支撑。其中 LBL 教学组在 2023 年采用传统 LBL 教学模式完成低视力课程学习，并记录了每一章的课程随堂测试成绩，课程结束时，对学生进行教学模式接受度问卷调查。VR 教学组在 2024 年采用 VR 教学模式学习低视力课程，课程内容结束后完成随堂测试和问卷调查，2 组学生的测试题目和时长一致。为了避免和减少2 组学生之间进行学习信息交流引起偏倚，按照前期知情约定，禁止 LBL 教学组学生向 VR 教学组学生透露相关学习内容。
1.2.3 教学效果评价
教学效果评价包含客观和主观评价 2 个部分。客观评价指标为 2 组学生第一章随堂测试成绩。测试题目包含选择题和填空题，测试内容围绕第一章概述，检测学生对于低视力概念、分类、流行病学特征、常见病因的掌握程度，卷面总分 100 分。主观评价指标为 2 组课程结束后的问卷调查结果。采用自主设计的问卷评估学生对不同教学模式的接受度，共包含 10 个问题，主要针对教学有效性、趣味性、接受度等内容，每个问题选填“是/否”。
1.3 统计学方法
使用 SPSS 23.0 统计学软件对数据进行分析。基于既往研究的评估标准[4-5]，对调查问卷进行信效度分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用 t 检验；计数资料以人数（百分比）表示，组间比较采用χ2 检验或 Fisher 确切概率法。双侧检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 VR 教学组与 LBL 教学组的基本资料
VR 教学组学生 28 人，年龄（20.71±0.66）岁，其中男生 16 人、女生 12 人。LBL 教学组学生 30 人，年龄（20.57±0.61）岁，其中男生 13 人、女生 17 人。2 组学生年龄（t=0.875，P=0.385）、性别构成（χ2=1.105，P=0.293）差异均无统计学意义。
2.2 VR 教学组与 LBL 教学组的随堂测试成绩
VR 教学组和 LBL 教学组的第一章随堂测试成绩分别为（86.43±6.10）、（78.10±7.69）分，均数差及 95%置信区间为 8.33（4.66，12.00）分，VR 教学组学生随堂测试成绩高于 LBL 教学组，差异有统计学意义（t=4.545，P<0.001）。
2.3 VR 教学组与 LBL 教学组的问卷调查结果
本研究总问卷 Cronbach α系数为 0.887，Guttman 分半信度系数为 0.898，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）指数为 0.689，Bartlett 球形检验 P<0.001。问卷信度和结构效度均较好。本研究共发放问卷 58 份，回收有效问卷 58 份，有效问卷回收率为 100%。除问题“该教学模式有主观不适感”外，其余问题2 组评价结果差异均有统计学意义（P<0.05）。VR 教学组学生普遍认为将 VR 技术应用于低视力教学中，可以有助于了解低视力患者的视觉体验和日常生活状态、提高学习效率和动手能力、减轻学习负担，并希望将该教学模式常规用于其他学科教学中。VR 教学组所有学生都认为该教学模式有趣、创新性高，增强了师生互动。但有 25.0%的 VR 教学组学生报告有主观不适感，主要症状为眩晕、恶心、有视差。该比例虽高于 LBL 教学组，但差异无统计学意义（P>0.05）。LBL 教学组有 10%的学生报告有主观不适感，症状主要是因枯燥而感觉困倦、疲惫、注意力不集中。见表1。
表1
VR 教学组与 LBL 教学组的问卷调查结果［人（%）］
3 讨论
当前，我国国民的视觉健康恶化形势不断加剧，视力损害患病率较高。国务院发布的《“健康中国 2030”规划纲要》也明确提出落实开展防盲治盲工作。对于低视力患者，系统性、规范化的视觉康复非常重要。因此，通过眼视光学高等教育培养更多合格的眼视光师，服务于低视力患者、提高低视力患者的生活质量是十分必要和重要的。“低视力学”是眼视光学高等教育中的必修课程，通过该门课程的教学，可以使学生掌握低视力的概念、问诊查体要点、各种低视力特殊检查的方法、光学与非光学助视器验配、低视力康复训练技巧。传统的低视力教学过程中，以教师授课、学生听课为主的 LBL 教学模式过于抽象，大部分知识点只能死记硬背，学生无法切身体验各种眼疾对低视力患者视力、视野等各项视功能带来的影响，使得学生难以很好地理解和掌握相关知识。本研究中LBL教学组的部分学生也反馈课程枯燥，导致学习困难。基于这一现状，目前国内外常借助于一类装配有特殊镜片的护目镜，以模拟异常视觉，如齐默尔曼低视力模拟套件。但这类护目镜通过物理意义上的镜片修改以来模拟低视力，要么价格昂贵，要么与真实场景仍存在一定差距，故国内应用并不普遍。因此，采用更为可行的方法优化低视力教学效果，提高我国眼视光学人才培养质量，为学生们未来开展低视力康复、防盲治盲工作奠定良好的基础，是十分必要的工作。
VR 技术具有沉浸感、交互性、构想性的特点，已被广泛应用于医学领域[6]。在眼视光学领域，VR 技术已被应用于眼科手术辅助[7-8]、弱视治疗[9]、低视力康复[10]、脑视觉研究[11]以及眼视光学教育[12]。本研究将 VR 技术融入低视力学的日常教学中，实现了低视力常见病因（如青光眼、黄斑变性、白内障等疾病）的视觉模拟。将此低视力模拟器运用到低视力教学中，让学生切身体验各类疾病对患者视觉功能和生活的影响，从患者的角度审视疾病，促使学生对低视力患者产生同理心，以期达到更好的教学效果。本研究结果显示，采用 VR 技术优化教学模式后，学生们不仅客观随堂测试分数有所提高，主观问卷反馈中也显示，VR 技术的融入使得原本枯燥的书本知识变得灵动有趣，学生接受度也更高。该结果与既往研究结论一致[2, 12]，VR 的沉浸感、临场感和趣味性提高了医学生学习的兴趣，有效提高了教学效果。
既往采用 VR 技术辅助眼科教学的研究提出，1 套 VR 设备只能供 1 名学生使用，需要带教老师一对一重复教学，导致教学效率偏低[13]。本研究采用 VR 眼镜盒配合智能手机呈现的方法，在教学过程中，学生仅需要提前在智能手机上安装低视力呈现应用程序，实际学习时，每位学生将手机放入课堂提供的 VR 眼镜盒组合成 VR 眼镜即可使用，还可以实现多名同学同时学习的需求。本研究提出的 VR 技术辅助教学方案具有低成本的优势，目前多种品牌的 VR 眼镜盒售价在 200～300 元，且智能手机在学生中的普及率高，便于课堂全员配备，解决了既往研究中提出的单台设备使用瓶颈，提高了教学效率。
本研究中，VR 教学组中有 25.0%的学生报告配戴 VR 眼镜后出现眩晕、恶心等不适症状。既往也有研究报告类似不足[13]。针对 VR 眼镜系统的硬件和软件基本组成部分，Kim 等[14]进行了体验评价问卷调查，结果显示晕动症的发生与 VR 设备硬件、软件的好坏密切相关，设备不良会促进晕动症的发生。另一项研究显示，VR 设备的使用可能会对海马体和其他涉及空间导航的大脑区域产生危害[15]。因此，当 VR 设备用于教学时，改良 VR 设备的配件，减轻学生使用时的视疲劳相关症状，是这一技术未来改革和发展的重要方向。
综上，本研究通过 VR 技术，实现低视力常见病因的视觉模拟，将其应用于低视力教学中，让学生切身体验各类疾病对患者视觉功能和生活的影响。与传统 LBL 教学模式相比，这一创新的教学模式不仅优化和改善了教学效果，学生的接受度亦较高，值得在未来的眼视光学教学中进一步推广。然而，本研究尚存一定局限性，虽然授课教师及授课场地一致，仍无法排除时间因素对研究结果的影响。此外，2 组学生样本量较小，未来应进一步扩大样本量，并采用随机对照的方法，探索 VR 技术在眼视光学教育领域的价值。
利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。
