适于多媒体教室光环境研究的视疲劳实验方案

梁树英，杨春宇，李娟洁

(1.重庆大学 博士后流动站，重庆 400045；2. 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045；3. 重庆大学 建筑城规学院，重庆 400045)

引言

近年来，随着教育信息化进程的加快，全国多媒体教室的普及率进一步提升[1]。针对眼部快速发育的学生而言，多媒体教室光环境质量的好坏与学生的视力健康密切相关。吕若然等[2]对北京市2009—2013年中小学校教室照明卫生状况进行了监测，结果显示教室平均照度与合格率均有所下降，特别是多媒体教学设备的普及导致黑板灯的使用和维护被忽视，黑板面照度的合格率更低，多媒体教学设备对学生视力的影响需要进一步研究。尤小芳等[3]调查了上海市中小学生视疲劳的流行现状，并分析了其与多媒体教学环境的关联性，研究表明上海市中小学生视疲劳现状不容乐观，在教学过程中应注意多媒体教学环境对其的影响并采取针对性措施。虞晖等[4]对同步课堂教室的光环境进行了优化设计，重点研究投影区域灯光和教室照明互相影响的问题。本文从视疲劳的角度进行研究，探讨适于多媒体教室光环境研究的实验方案。

1 视疲劳的基础研究

视疲劳并非独立的眼病，而是以患者自觉症状为基础，伴随着视知觉活动产生的眼与全身器质性因素相互交织的综合征，因而被称为视疲劳综合征，属于身心医学的范畴[5]。屈光不正(近视/远视/散光等)、长期从事近距离精密工作和视觉显示终端(VDT)等工作、空间照明不足或过强、身体衰弱的人都较容易产生视疲劳。视疲劳的不适症状主要表现为：眼干、眼酸、眼痛、流泪、睁眼不适、眼部灼热、聚焦困难、重影、肩部僵硬、头疼、视觉作业的速度和精度降低等[6，7]。也有研究认为符合下列任一项者即可诊断为视疲劳：近距离工作注视不能持久，易疲劳，伴有头痛、头晕、嗜睡、畏光、流泪、眼酸胀及睁眼困难等不适；眼及眶周疼痛，近距离用眼加重[8]。当代视光学家认为视疲劳是诱发近视及引起近视度数加深的主要因素[9]。

视疲劳的病因机制主要有以下三个方面。①眼部因素：调节性因素，视疲劳的主要原因之一是屈光不正(近视/远视/散光等)，在屈光不正未予矫正时，看远或看近时会运用到较大的调节，造成眼部睫状肌持续紧张，从而导致调节性视疲劳；眼肌因素，人眼的眼肌主要包括眼外肌(上/下直肌、内/外直肌、上/下斜肌，共6条，主管眼球转动)、眼内肌(虹膜括约肌、扩张肌，主管瞳孔扩张收缩；睫状肌，主管晶状体调节)、眼睑轮匝肌和提上睑肌(主管眼睑开合)，当近距离用眼负荷增加且连续作业时间较长时，眼肌会持续地收绷，产生紧张、疲劳、酸胀、麻木的感觉，甚至造成眼部血液流动滞缓、淤血和神经紧张，导致视疲劳[10]，并且其视疲劳症状的轻重与连续作业时间成正比，连续作业时间越长，视疲劳的症状越重[11]；另外，眼部的干眼症、结膜炎、角膜炎、睑缘炎、白内障、睑板腺功能障碍(MGD)等其他原因也可诱发视疲劳。②身体因素：虽然视疲劳的症状在眼睛，但复杂的全身性疾病、产后及病后身体虚弱患者也会出现视疲劳；长时间的脑力劳动、过度焦虑、精神创伤等神经因素亦可诱发视疲劳。③环境因素：包括灯光忽明忽暗、灯光闪烁不稳、空间照明不足或过强，注视目标与背景颜色接近难以区分，注视目标周围存在不和谐色调，桌椅高低不符合人体生理要求，环境存在噪音等环境因素都可引起视疲劳[5]。

2 光与视疲劳的实验研究

2.1 主观评价

主观评价是通过主观问卷的方式获得被试的疲劳状态，主观问卷量表的设计需要在简洁的基础上尽量涵盖所需要的指标信息，以便给被试传达准确的评价标准。目前，疲劳相关自评量表中应用最为广泛的是卡罗琳斯卡困倦度量表(Karolinska sleepiness scale，KSS)和斯坦福嗜睡量表(Stanford sleepiness scale，SSS)。KSS困倦度量表[12]包括1个题目、9点记分——1指警醒度极高，2指非常警醒，3指警醒，4指比较警醒，5指既不警醒也不困倦，6指有点困倦，7指困倦但不需要非常努力就可保持警醒，8指非常困倦需要极大努力保持警醒，9指极度困乏无法保持警醒。SSS嗜睡量表包括1个题目，7点记分，1指完全清醒、精力旺盛，7指基本无意识、接近睡眠。被试根据自己在填写量表时的主观感受选择对应的评分项，得分等级越高，疲劳感越强，反之疲劳感越轻。另外，Trudie Chalder等[13]研制出了疲劳量表FS-14，共包含14个题目，每个题目对应一个疲劳问题，可从不同角度反映疲劳的轻重，14个题目经主成分分析又可分为反映躯体疲劳和反映脑力疲劳两大类。Rechichi等[14]提出了视疲劳的10个主诉症状，包括：眨眼、畏光、眼痒、视物模糊、复视、眼沉重、眼刺痛、流泪、恶心、头痛，并按照表现程度将每一项分为无、轻度、次轻度、中度、次重度、重度6个等级，当具有其中两个或以上症状时即可判定为视疲劳。主观评价方法直接、简单、容易理解，所以应用最为广泛。但主观评价的缺点是容易受到被试者自身主观因素的影响，准确率不高，很多时候并不能准确地反映被试的疲劳状态，结合其他客观评价方法，可以作为一种辅助手段应用于实验中。

2.2 客观测量

视疲劳研究常用的生理参数有脑电(EEG)、心电(ECG)(心率和心率变异性)、皮电(GSR)、脉搏波形(PPG)、体温(SKT)、血氧饱和度、眼动参数等。脑电指标主要包括不同频段的功率谱，重心频率以及疲劳因子等。心电信号中的心率和心率变异性常用来作为评估观看视疲劳的生理指标。研究表明，被试的视疲劳与交感神经、副交感神经活动之间的不平衡相关，在安静状态下，心率变化主要受副交感神经活动的调节，而在运动或者情绪紧张时，交感神经兴奋占优势。心率随着观看视疲劳的增大而增加，和视疲劳具有较好的一致性，可以用来作为视疲劳评估的指标。心率变异性用来反映人体的自主平衡作为一种非侵入式指标，有较高的敏感性，可以重复测量。心率变异性的分析方法分为时域分析和频域分析两种，时域指标主要包括 SDNN、RMSSD、PNN50 等指标，频域指标主要包括 VLF、LF、HF、VHF 等[15]。

人眼作为直接感受光刺激的器官，眼部活动的变化最能直观地反映出视疲劳。眨眼、注视、瞳孔大小、眼跳、持续闭合时间、临界闪烁频率(CFF)等指标已逐渐应用于视疲劳研究中。Schleicher等[16]的研究表明眨眼频率和眼跳参数变化与疲劳、困意相关。Caffier等[17]的研究证实了眨眼的相关参数可以作为视疲劳的诊断指标。Papadelis等[18]的研究表明视疲劳与眨眼频率增加以及眨眼持续时间延长有关。Victor 等[19]的研究也证实眨眼频率增加与疲劳有关，眨眼持续时间延长则反映了神经系统的兴奋性下降和生理过程的失活或减慢。Verwey 等[20]通过眨眼来研究驾驶行为中的视疲劳。Borghini等[21]通过建立视疲劳模型发现眨眼次数也会随着视疲劳的加重而增加。Van Orden 等[22]结合眨眼时间、眨眼频率、瞳孔直径等参数来研究持续视觉任务时的视疲劳程度。张莉等[23]通过眨眼频率、注视持续时间、眼跳速度、眼跳频率及幅度等参数研究观看立体显示视频诱导的视疲劳程度。Murata 等[24]基于眼球运动和瞳孔变化来评估VDT作业时的视觉疲劳。Chawla等[25]基于瞳孔大小研究医学影像阅读环境明暗快速变化导致的视觉疲劳。赵峰等[26]的研究表明瞳孔直径变化与视疲劳程度呈正相关关系，光环境下人眼瞳孔变化越小，视觉疲劳程度越小，可见度越好，识别时间越短。王琼华等[27]通过研究提出了一种通过测量瞳孔直径来判断自由立体显示器观看时视疲劳程度的方法。在医学领域，常用PERCLOS算法来评价视疲劳，即当眼睛持续闭合时间大于3 s，且一分钟内有80%的时间是闭合的，这种状态称为疲劳。眨眼频率的高低与视疲劳有着密切的关系。Iwasaki和Akiya[28]的研究证实了临界闪烁频率(CFF)的下降反映了视网膜功能的弱化，所以可以用CFF值来衡量人眼的疲劳程度。

2.3 作业绩效

人借助视觉器官完成视觉工作的能力和效率称为视觉功效，视疲劳导致视觉功效下降的一个重要反映是工作、学习能力和作业绩效的下降。剂量作业法是常用的视觉功效测量方法，采用视觉作业任务量表的形式，常用的视觉作业量表有字母识别、图形识别和数字识别三种[29]。字母识别使用安菲莫夫校字表，该量表是常用的心理学方法，由大量字母随机组成，测试时要求被试在规定时间内从表中划去限定条件的字母。图形识别使用视力追踪测试表和朗道尔环随机组成，视力追踪测试表要求被试按照线条走向从开始选项找到对应的结尾选项，朗道尔环要求被试从表中划去与目标环开口方向相同的项。数字辨识使用数字校对表，该量表基本单元包含两列数字，左右两组数字为一组，两组数字随机组成，可能相同也可能不同，测试时要求被试在规定时间内判定左右数字是否一致并标记出不同的项。测试完成后，通过统计分析受试者完成视觉作业任务的正确率、完成速度和脑力工作指数等绩效，可以判定视觉功效的高低和视疲劳程度。

总体而言，主观评价方法从心理感受层面描述和评价视疲劳，其受个体差异的影响较大，没有统一的量化标准，但采集方便，分析较为简单；客观测量从生理信号和眼动参数来描述人在光环境下的视疲劳状态，数据较为准确，但测量起来麻烦，数据分析较为复杂；作业绩效是从视觉功效层面来评价视疲劳程度，并且因为被试一直有视觉作业任务，可以确保被试在实验过程中始终保持专注，达到实验预期。在视疲劳的实际评估中，需要将三种实验方法结合起来使用(表1)。

表1 实验研究中的视疲劳测量方法Table 1 Visual Fatigue measurement method of experimental study

3 多媒体教室光环境视疲劳实验方案

多媒体教室的视觉识别对象主要包括投影幕布、黑板、讲台和课桌面，四者的视觉物理条件存在一定的差异。如何在同一室内空间中创造出尽量满足投影幕布、黑板、讲台和课桌面四者的光环境，有益于学生的眼部健康，正是多媒体教室光环境研究的重点和难点。首先，多媒体教室投影幕布亮度与黑板、课桌面、环境亮度比值影响学生的视觉健康，过高或过低的亮度对比都会对视觉产生不利影响，研究中需要分别在不同的投影幕布与黑板、投影幕布与课桌面、投影幕布与环境亮度比值条件下进行视觉实验，研究不同比值对学生视觉疲劳的影响，确定适宜人眼视觉健康的投影幕布亮度与黑板亮度、课桌面亮度、环境亮度的最佳比值。其次，研究中需要跟踪观测学生上课时在投影幕布、黑板和讲台三者之间的视觉动向，在三者不同的空间分布组合下进行视觉实验，研究不同空间分布组合对学生视觉疲劳的影响，确定适宜人眼视觉健康的投影幕布、黑板和讲台三者的最佳空间分布组合。

1)生理参数与视疲劳实验。生理参数包含的内容很多，不可能也没有必要对每一项进行分析和研究，因此研究中需要首先确定出与视疲劳最相关和效度最高的生理参数，这是各部分研究开展的前提和基础。设置生理参数与视觉疲劳实验，选择多名学生自愿者，裸眼视力或矫正视力大于等于5.0，无眼部疾病和其他病理因素，以保证实验正常进行和数据可靠。实验中要求被试在电脑屏幕上观看600组图片，每组图片分为2张，分别显示1s，中间无时间间隔，第1张图片为原始图片，第2张图片与第1张图片相同或在原始图像基础上改变图像质量，在2s的图像呈现后，显示屏变为黑屏状态，此时由被试主观判断两张图片是否存在质量上的差别，存在差别点击鼠标左键，不存在差别点击鼠标右键，无论被试是否点击鼠标，2s后程序自动进入下一组图片的比较，实验总耗时45 min。实验过程中，用生理信号记录仪和眼动仪实时记录被试的各项生理参数(脑电(EEG)、心电(ECG)、皮电(GSR)、脉搏波形(PPG)、体温(SKT)、血氧饱和度、眨眼、注视、瞳孔大小、眼跳、持续闭合时间等)，结合大量文献研究和被试视觉作业绩效，通过皮尔逊相关系数分析各项生理参数与视觉疲劳程度的关联度，采用方差分析(ANOVA)研究各项生理参数变化的差异性，最终筛选出关联度最高和变化最明显的生理参数。

2)投影幕布亮度比值实验。选择多名学生自愿者(同上)，分别在不同的投影幕布亮度与黑板亮度、投影幕布亮度与课桌面亮度、投影幕布亮度与环境亮度比值条件下进行视觉实验。在不同比值条件下，运用视觉作业绩效的测定方法，根据实验具体需要在投影幕布、黑板、课桌面上放置视力安菲莫夫校字表、视力追踪测试表/朗道尔环、数字校对表等，测试时被试者不能用手指、笔尖或鼠标辅助追踪，只能用眼睛追踪，每组实验持续45 min，每组实验开始前和实验完成时由被试填写KSS困倦度量表、SSS嗜睡量表和视疲劳自评量表，每组实验完成时要求被试对该比值条件下的显示质量和主观舒适度按语义差别7点量表(SD法)进行主观评价，每两组实验之间休息30 min。实验过程中，用MP160十六导生理信号仪和眼动仪实时记录被试的各项生理指标，结合视觉作业绩效的测试结果，研究视觉疲劳程度、视觉作业绩效、显示质量和视觉舒适度随亮度比值变化的规律，确定适宜人眼视觉健康的投影幕布亮度与黑板亮度、课桌面亮度、环境亮度的最佳比值。

3)投影幕布、黑板和讲台空间分布组合实验。用眼动仪对学生上课时的视觉动向进行跟踪观测，通过分析研究制定实验内容。选择多名学生自愿者(同上)，在实验室现场模拟多媒体教室投影幕布、黑板和讲台的空间分布，在不同空间分布组合下进行视觉实验，每组实验开始前和实验完成时由被试填写KSS困倦度量表、SSS嗜睡量表和视疲劳自评量表，实验完成时还要求被试对该空间分布组合下的主观舒适度按语义差别7点量表(SD法)进行主观评价。实验过程中，用MP160十六导生理信号仪和眼动仪实时记录被试的各项生理指标，结合KSS困倦度量表、SSS嗜睡量表和视疲劳症状自评量表的测试结果，综合研究视觉疲劳程度、困意和视觉舒适度随空间分布组合变化的规律，确定适宜人眼视觉健康的投影幕布、黑板和讲台三者的最佳空间分布组合。

4 结语

人眼是直接接触光刺激的器官，因此视疲劳常常作为光环境质量的评价指标。从以上的分析中，我们已经了解到视疲劳不是独立的眼病，而是属于身心医学范畴的视疲劳综合征，选择恰当的视疲劳测量手段和实验方法十分关键。总体而言，主观评价操作简单、分析方便，但实验结果受主观因素干扰较大；客观测量数据准确，但测量麻烦、分析复杂；作业绩效既有主观的成分，也有客观的成分。根据多媒体教室光环境的视疲劳实验要求，需要研究投影幕布、黑板、讲台和课桌面四种不同的视觉识别对象，其适合的实验方案不是相互独立的，而是需要将主观评价、客观测量、作业绩效三种实验方法灵活运用，形成主客观结合的适于多媒体教室光环境研究的视疲劳实验方案，以获得更为科学准确的研究结果。