汽车类专业虚拟仿真教学系统3D眩晕症问题研究

刘树峰，张广玲，李光提，吕钊钦，李玉道

汽车类专业虚拟仿真教学系统3D眩晕症问题研究

刘树峰，张广玲*，李光提，吕钊钦，李玉道

（山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018）

虚拟现实技术在专业教学中不断推广和应用，相较于汽车专业传统的教学模式，虚拟仿真教学模式具有结构形象直观、强化实践效果、降低实训成本的优点，但在教学应用过程中发现虚拟现实技术会导致学生产生较为严重的3D眩晕症，大大影响教学效果和推广使用。文章结合教学应用实践和汽车类专业课程特点分析3D眩晕症产生的原因，并为虚拟仿真系统设计制作和教学模式推广提供参考。

汽车；实践教学；虚拟仿真；3D眩晕症

前言

汽车类专业教学注重理论知识和实践教学相结合，随着虚拟现实技术的不断发展进步，在汽车类专业教学中得到了广泛的推广和应用[1-3]。尤其是汽车类专业的实践教学，通过虚拟现实技术构建汽车构造、汽车理论、汽车诊断与维修、汽车电器与电子技术等课程教学虚拟实验平台[4]，丰富了专业课程实践内容，虚拟仿真教学模式在加深学生对汽车构造原理的理解与掌握方面拥有极大的优势[5]，同时也有能缩短实训周期、丰富实训内容、强化教学效果、降低实验成本等优点[6]。

我校针对车辆工程、交通运输、农业机械化及其自动化等专业的培养需要，从2014年开始，依托国家级“农业机械化及其自动化虚拟仿真实验教学中心”平台分别构建“汽车拆装”“汽车检测与维修”“发动机性能特性”三个虚拟仿真实训平台，结合不同的汽车专业课程的实验目标、实训内容以及实践方法选择虚实分段、虚实交替、虚实融合等多种教学模式开展实践教学，取得了较好的实践教学效果。

但在近几年的虚拟仿真教学模式应用过程中发现，虚拟现实技术除了自由度不足的技术障碍，以及有不利于培养动手能力、协作能力，缺少师生互动等缺点之外，还会导致学生学习过程中产生较为严重的3D眩晕症[7]，严重降低了学生的学习效果并给学生身心造成一定伤害，大大影响了虚拟仿真教学模式在汽车类专业教学工程的推广和应用[8]。

1 3D眩晕症不适症状统计

虚拟现实技术在汽车类专业教学模式的广泛应用，虽然可以为学生提供丰富的沉浸式体验，但是使用过程中会导致学生产生眩晕、恶心、呕吐等不适症状，这些症状统称为3D眩晕症[8]，3D眩晕症也成为了虚拟现实技术进一步推广使用的限制因素[9]。

为了解3D眩晕症对学生的影响程度，通过对我校车辆工程专业两个班级56名学生正常虚拟仿真实训课程后不适症状进行统计分析。实训地点为汽车拆装虚拟仿真实训平台，实训时间为4个学时，每个学时为45分钟，每学时之间有10分钟课间休息（课间休息要求学生室外休息）。具体不适症状统计结果如图1所示。

图1 学生不适症状统计

经过4个学时的虚拟仿真教学后，统计数据发现：大部分的学生产生了眼睛疲劳，有43人；全身不适和头晕症状也较多，分别为28人和19人；出现较为严重症状恶心的有9人；3D眩晕症造成更严重情况呕吐的1人；其他症状中，出汗和嗜睡分别为3人和4人。

眼睛疲劳应该是由于长时间注视电脑屏幕，虚拟仿真画面与视觉长时间交互造成的视觉疲劳，而全身不适可能与久坐和3D眩晕症均有关，头晕则主要是由于3D显示设备比平面显示设备更容易诱发眩晕。综合统计数据可以很容易发现，长时间使用虚拟仿真系统进行学习，会产生较为严重的3D眩晕症，长时间注视屏幕和久坐也会造成学生眼睛疲劳和全身不适。虚拟仿真教学过程中应该采取措施减少或避免3D眩晕症的产生，进一步减少对学生的身体可能造成的伤害。

2 汽车类虚拟仿真教学系统3D眩晕症原因

针对3D眩晕症的成因主要有毒素诱发、眼球震颤假说、感官冲突、姿势不稳四个主流理论[10]。研究发现3D眩晕症也有个体差异，其影响因素有年龄、性别、种族、可塑性和适应性等。而对于汽车类虚拟仿真教学系统容易造成较为严重的3D眩晕症，主要是有以下几方面原因。

2.1 场景特征复杂强烈

汽车系统本身结构复杂、零部件众多、应用场景复杂，导致汽车类虚拟仿真系统场景中面片数量多、特征复杂强烈。大部分汽车类虚拟仿真教学系统开发过程中过度追求模型精度[11]，使用高精度的汽车模型和零部件模型，会导致整个仿真系统当中面片数量过多，甚至远远大于部分大型网络游戏的面片数量。研究表明，虚拟仿真系统中面片数量和场景特征过于复杂会直接导致3D眩晕症的产生。

2.2 感官冲突较为强烈

汽车类虚拟仿真教学系统中，尤其是汽车拆装类虚拟仿真教学系统，其中存在大量的旋转、移动操作[12]，以及视角角度和远近距离调整操作，这会造成人的视觉感官聚焦冲突，人眼会随着虚拟场景的变化不断调整不同感官聚焦区域，容易造成人眼的眩晕疲劳。汽车虚拟仿真教学系统常采用的开放式视野，操作时以全面视野进行展现，造成人眼视野过大，人眼为不断捕捉聚焦信息位置，需要频繁调整眼部神经，长时间操作也会产生头疼、眼睛疲劳等症状。

2.3 室内场景较多

汽车类虚拟仿真教学系统为了追求贴近真实汽车环境，大多将系统设置为室内场景，而教学系统加上室内环境[13]，面片数量会大大增加。仿真系统中汽车零部件在室内场景中进行移动、旋转等操作，汽车零部件与室内场景中的背景距离不断改变，会造成眼球内视觉辐辏，加重视觉疲劳。而且由于仿真系统位于室内场景，为增大人眼短时间内的信息量，信息量太大会造成剧烈的视觉冲突，从而导致严重的眩晕感。

2.4 技术与算法层面

目前的汽车类虚拟仿真教学系统在设计开发当中较多关注仿真程度和工作应用，不注重防眩晕技术与算法的使用，也缺乏虚拟仿真系统质量的评价方法和标准规范，对仿真系统中的场景转换速度、面片数量、寻找目标角度等防炫目控制技术和算法研究应用较少。

2.5 虚拟仿真实践教学时间过长

虚拟仿真教学学时依然采用传统理论和实践教学时间，采用45分钟教学学时，每学时之间休息10分钟。而虚拟仿真教学一般归类为实践教学，采用较为集中的学习方式，每次教学安排4学时，甚至达到8学时。虚拟仿真实践教学时间过长，课间休息时间过短，也会造成学生无法得到充分休息，加重眩晕症的产生。

3 汽车类虚拟仿真系统降低3D眩晕症措施

3.1 严格控制场景特征

针对汽车结构和应用场景复杂的问题，不能盲目追求汽车模型的精度，在满足使用的情况下来降低汽车零部件模型精度，减少仿真系统中面片数量。针对汽车拆装类虚拟仿真系统可以采用分系统设计，根据不同系统拆装设置所需拆装系统较高模型精度，其他系统降低模型精度。

3.2 减少感官冲突操作

虚拟仿真教学系统中，应当减少或简化旋转、移动等操作，除零部件结构观察检验等必要步骤设置旋转、移动等运动，严格控制其他操作过程中频繁地旋转和移动。尽量避免采用开放式视野，操作过程中采用缩小视野展现，减少其他背景信息量冲击视觉感官。通过放大操作模型视域，减少人眼频繁视野区域调整和聚焦，减缓视觉疲劳。

3.3 采用室外场景

除特别教学需要采用室内场景外，汽车类虚拟仿真教学系统应以室外场景为主，不应过分注重教学外景的设计，而应该注重汽车结构原理等教学内容设计。大部分对场景无特别需要的教学环节均应优先选择室外场景进行设计，通过单一环境场景，来减少仿真系统的面片数量、场景特征和降低场景和模型之间的感官冲突，从而最大程度避免眩晕症的产生。

3.4 构建虚拟仿真教学系统质量评价体系

通过构建完善的虚拟仿真教学系统质量评价体系，规范仿真系统的设计开发标准，促进开发单位对防炫目技术与算法的使用，以及积极开展虚拟仿真教学系统3D眩晕症问题研究，建立虚拟仿真教学系统的质量检验规范，从制度层面规范虚拟仿真教学系统的设计开发，降低仿真系统眩晕症问题影响。

3.5 优化虚拟仿真教学时长

为了提高虚拟仿真教学效果，减少3D眩晕症对教学和学生身心的影响，应该严格控制虚拟仿真教学时长。缩短每学时时间，学时时间应该控制在30分钟以内；延长课间休息时间，或者采取灵活休息时间控制，保证教学时长的同时，由学生自主安排休息时间；避免采取连堂教学方式，采取分段教学方式来控制单次教学环节时长；此外，虚拟仿真教学系统中应该增设学习时长控制系统，超过学习时长应能够提醒或强制要求学生休息。

4 结论

针对汽车类专业学生虚拟仿真教学中出现的严重3D眩晕症问题原因进行了研究，通过实验发现经过4个学时虚拟仿真教学后，大部分的学生产生了眼睛疲劳、全身不适、头晕症状、出汗、嗜睡等3D眩晕症症状，甚至个别学生还出现了恶心呕吐等较为严重症状。3D眩晕症会对汽车类虚拟仿真教学应用和进一步推广使用造成重要的影响。

根据3D眩晕症形成理论，结合汽车类虚拟仿真教学系统特点，分析引起学生产生3D眩晕症的主要原因有场景特征复杂强烈、感官冲突较为强烈、室内场景较多、技术与算法层面、虚拟仿真实践教学时间过长等。

本文从开发技术层面提出了汽车类虚拟仿真教学系统需要严格控制场景特征、减少感官冲突操作、采用室外场景等建议，并结合教学应用实践和汽车类专业课程特点提出了构建虚拟仿真教学系统质量评价体系、优化虚拟仿真教学时长等措施，来降低3D眩晕症对虚拟现实技术对汽车类虚拟仿真教学的影响，并为虚拟仿真系统的设计开发和教学推广使用提供参考，以期虚拟仿真教学应用中3D眩晕症的严重问题能够引起广泛关注。

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Research on 3D Vertigo of Virtual Simulation Teaching System for Automobile Specialty

LIU Shufeng, ZHANG Guangling*, LI Guangti, LV Zhaoqin, LI Yudao

( College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Agricultural University, Shandong Taian 271018 )

Virtual reality technology is constantly promoted and applied in professional teaching. Compared with the traditional teaching mode of automobile specialty, virtual simulation teaching mode has the advantages of intuitive structure, strengthening practical effect and reducing training cost. However, in the process of teaching application, it is found that virtual reality technology will cause students to have more serious 3D vertigo, which greatly affects the teaching effect and promotion use. This paper analyzes the causes of 3D vertigo combined with the teaching practice and the characteristics of automobile professional courses, and provides a reference for the design and production of virtual simulation system and the promotion of teaching mode.

Automobile; Practice teaching; Virtual simulation; 3D vertigo

G642.0

A

1671-7988(2022)02-140-04

G642.0

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1671-7988(2022)02-140-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.032

刘树峰（1990—），男，博士研究生，就读于山东农业大学机械与电子工程学院，主要研究方向为汽车电子技术研究。

张广玲（1986—），女，硕士，实验师，就职于山东农业大学机械与电子工程学院，主要研究方向为车辆专业实践教学研究。

山东农业大学2020年度“十三五”第三批校级教改项目（编号XM202016）资助；山东省园艺机械与装备实验室重点支持项目。