適于多媒體教室光環境研究的視疲勞實驗方案

梁樹英，楊春宇，李娟潔

(1.重慶大學 博士后流動站，重慶 400045；2. 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045；3. 重慶大學 建筑城規學院，重慶 400045)

引言

近年來，隨著教育信息化進程的加快，全國多媒體教室的普及率進一步提升[1]。針對眼部快速發育的學生而言，多媒體教室光環境質量的好壞與學生的視力健康密切相關。呂若然等[2]對北京市2009—2013年中小學校教室照明衛生狀況進行了監測，結果顯示教室平均照度與合格率均有所下降，特別是多媒體教學設備的普及導致黑板燈的使用和維護被忽視，黑板面照度的合格率更低，多媒體教學設備對學生視力的影響需要進一步研究。尤小芳等[3]調查了上海市中小學生視疲勞的流行現狀，并分析了其與多媒體教學環境的關聯性，研究表明上海市中小學生視疲勞現狀不容樂觀，在教學過程中應注意多媒體教學環境對其的影響并采取針對性措施。虞暉等[4]對同步課堂教室的光環境進行了優化設計，重點研究投影區域燈光和教室照明互相影響的問題。本文從視疲勞的角度進行研究，探討適于多媒體教室光環境研究的實驗方案。

1 視疲勞的基礎研究

視疲勞并非獨立的眼病，而是以患者自覺癥狀為基礎，伴隨著視知覺活動產生的眼與全身器質性因素相互交織的綜合征，因而被稱為視疲勞綜合征，屬于身心醫學的范疇[5]。屈光不正(近視/遠視/散光等)、長期從事近距離精密工作和視覺顯示終端(VDT)等工作、空間照明不足或過強、身體衰弱的人都較容易產生視疲勞。視疲勞的不適癥狀主要表現為：眼干、眼酸、眼痛、流淚、睜眼不適、眼部灼熱、聚焦困難、重影、肩部僵硬、頭疼、視覺作業的速度和精度降低等[6，7]。也有研究認為符合下列任一項者即可診斷為視疲勞：近距離工作注視不能持久，易疲勞，伴有頭痛、頭暈、嗜睡、畏光、流淚、眼酸脹及睜眼困難等不適；眼及眶周疼痛，近距離用眼加重[8]。當代視光學家認為視疲勞是誘發近視及引起近視度數加深的主要因素[9]。

視疲勞的病因機制主要有以下三個方面。①眼部因素：調節性因素，視疲勞的主要原因之一是屈光不正(近視/遠視/散光等)，在屈光不正未予矯正時，看遠或看近時會運用到較大的調節，造成眼部睫狀肌持續緊張，從而導致調節性視疲勞；眼肌因素，人眼的眼肌主要包括眼外肌(上/下直肌、內/外直肌、上/下斜肌，共6條，主管眼球轉動)、眼內肌(虹膜括約肌、擴張肌，主管瞳孔擴張收縮；睫狀肌，主管晶狀體調節)、眼瞼輪匝肌和提上瞼肌(主管眼瞼開合)，當近距離用眼負荷增加且連續作業時間較長時，眼肌會持續地收繃，產生緊張、疲勞、酸脹、麻木的感覺，甚至造成眼部血液流動滯緩、淤血和神經緊張，導致視疲勞[10]，并且其視疲勞癥狀的輕重與連續作業時間成正比，連續作業時間越長，視疲勞的癥狀越重[11]；另外，眼部的干眼癥、結膜炎、角膜炎、瞼緣炎、白內障、瞼板腺功能障礙(MGD)等其他原因也可誘發視疲勞。②身體因素：雖然視疲勞的癥狀在眼睛，但復雜的全身性疾病、產后及病后身體虛弱患者也會出現視疲勞；長時間的腦力勞動、過度焦慮、精神創傷等神經因素亦可誘發視疲勞。③環境因素：包括燈光忽明忽暗、燈光閃爍不穩、空間照明不足或過強，注視目標與背景顏色接近難以區分，注視目標周圍存在不和諧色調，桌椅高低不符合人體生理要求，環境存在噪音等環境因素都可引起視疲勞[5]。

2 光與視疲勞的實驗研究

2.1 主觀評價

主觀評價是通過主觀問卷的方式獲得被試的疲勞狀態，主觀問卷量表的設計需要在簡潔的基礎上盡量涵蓋所需要的指標信息，以便給被試傳達準確的評價標準。目前，疲勞相關自評量表中應用最為廣泛的是卡羅琳斯卡困倦度量表(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個題目、9點記分——1指警醒度極高，2指非常警醒，3指警醒，4指比較警醒，5指既不警醒也不困倦，6指有點困倦，7指困倦但不需要非常努力就可保持警醒，8指非常困倦需要極大努力保持警醒，9指極度困乏無法保持警醒。SSS嗜睡量表包括1個題目，7點記分，1指完全清醒、精力旺盛，7指基本無意識、接近睡眠。被試根據自己在填寫量表時的主觀感受選擇對應的評分項，得分等級越高，疲勞感越強，反之疲勞感越輕。另外，Trudie Chalder等[13]研制出了疲勞量表FS-14，共包含14個題目，每個題目對應一個疲勞問題，可從不同角度反映疲勞的輕重，14個題目經主成分分析又可分為反映軀體疲勞和反映腦力疲勞兩大類。Rechichi等[14]提出了視疲勞的10個主訴癥狀，包括：眨眼、畏光、眼癢、視物模糊、復視、眼沉重、眼刺痛、流淚、惡心、頭痛，并按照表現程度將每一項分為無、輕度、次輕度、中度、次重度、重度6個等級，當具有其中兩個或以上癥狀時即可判定為視疲勞。主觀評價方法直接、簡單、容易理解，所以應用最為廣泛。但主觀評價的缺點是容易受到被試者自身主觀因素的影響，準確率不高，很多時候并不能準確地反映被試的疲勞狀態，結合其他客觀評價方法，可以作為一種輔助手段應用于實驗中。

2.2 客觀測量

視疲勞研究常用的生理參數有腦電(EEG)、心電(ECG)(心率和心率變異性)、皮電(GSR)、脈搏波形(PPG)、體溫(SKT)、血氧飽和度、眼動參數等。腦電指標主要包括不同頻段的功率譜，重心頻率以及疲勞因子等。心電信號中的心率和心率變異性常用來作為評估觀看視疲勞的生理指標。研究表明，被試的視疲勞與交感神經、副交感神經活動之間的不平衡相關，在安靜狀態下，心率變化主要受副交感神經活動的調節，而在運動或者情緒緊張時，交感神經興奮占優勢。心率隨著觀看視疲勞的增大而增加，和視疲勞具有較好的一致性，可以用來作為視疲勞評估的指標。心率變異性用來反映人體的自主平衡作為一種非侵入式指標，有較高的敏感性，可以重復測量。心率變異性的分析方法分為時域分析和頻域分析兩種，時域指標主要包括 SDNN、RMSSD、PNN50 等指標，頻域指標主要包括 VLF、LF、HF、VHF 等[15]。

人眼作為直接感受光刺激的器官，眼部活動的變化最能直觀地反映出視疲勞。眨眼、注視、瞳孔大小、眼跳、持續閉合時間、臨界閃爍頻率(CFF)等指標已逐漸應用于視疲勞研究中。Schleicher等[16]的研究表明眨眼頻率和眼跳參數變化與疲勞、困意相關。Caffier等[17]的研究證實了眨眼的相關參數可以作為視疲勞的診斷指標。Papadelis等[18]的研究表明視疲勞與眨眼頻率增加以及眨眼持續時間延長有關。Victor 等[19]的研究也證實眨眼頻率增加與疲勞有關，眨眼持續時間延長則反映了神經系統的興奮性下降和生理過程的失活或減慢。Verwey 等[20]通過眨眼來研究駕駛行為中的視疲勞。Borghini等[21]通過建立視疲勞模型發現眨眼次數也會隨著視疲勞的加重而增加。Van Orden 等[22]結合眨眼時間、眨眼頻率、瞳孔直徑等參數來研究持續視覺任務時的視疲勞程度。張莉等[23]通過眨眼頻率、注視持續時間、眼跳速度、眼跳頻率及幅度等參數研究觀看立體顯示視頻誘導的視疲勞程度。Murata 等[24]基于眼球運動和瞳孔變化來評估VDT作業時的視覺疲勞。Chawla等[25]基于瞳孔大小研究醫學影像閱讀環境明暗快速變化導致的視覺疲勞。趙峰等[26]的研究表明瞳孔直徑變化與視疲勞程度呈正相關關系，光環境下人眼瞳孔變化越小，視覺疲勞程度越小，可見度越好，識別時間越短。王瓊華等[27]通過研究提出了一種通過測量瞳孔直徑來判斷自由立體顯示器觀看時視疲勞程度的方法。在醫學領域，常用PERCLOS算法來評價視疲勞，即當眼睛持續閉合時間大于3 s，且一分鐘內有80%的時間是閉合的，這種狀態稱為疲勞。眨眼頻率的高低與視疲勞有著密切的關系。Iwasaki和Akiya[28]的研究證實了臨界閃爍頻率(CFF)的下降反映了視網膜功能的弱化，所以可以用CFF值來衡量人眼的疲勞程度。

2.3 作業績效

人借助視覺器官完成視覺工作的能力和效率稱為視覺功效，視疲勞導致視覺功效下降的一個重要反映是工作、學習能力和作業績效的下降。劑量作業法是常用的視覺功效測量方法，采用視覺作業任務量表的形式，常用的視覺作業量表有字母識別、圖形識別和數字識別三種[29]。字母識別使用安菲莫夫校字表，該量表是常用的心理學方法，由大量字母隨機組成，測試時要求被試在規定時間內從表中劃去限定條件的字母。圖形識別使用視力追蹤測試表和朗道爾環隨機組成，視力追蹤測試表要求被試按照線條走向從開始選項找到對應的結尾選項，朗道爾環要求被試從表中劃去與目標環開口方向相同的項。數字辨識使用數字校對表，該量表基本單元包含兩列數字，左右兩組數字為一組，兩組數字隨機組成，可能相同也可能不同，測試時要求被試在規定時間內判定左右數字是否一致并標記出不同的項。測試完成后，通過統計分析受試者完成視覺作業任務的正確率、完成速度和腦力工作指數等績效，可以判定視覺功效的高低和視疲勞程度。

總體而言，主觀評價方法從心理感受層面描述和評價視疲勞，其受個體差異的影響較大，沒有統一的量化標準，但采集方便，分析較為簡單；客觀測量從生理信號和眼動參數來描述人在光環境下的視疲勞狀態，數據較為準確，但測量起來麻煩，數據分析較為復雜；作業績效是從視覺功效層面來評價視疲勞程度，并且因為被試一直有視覺作業任務，可以確保被試在實驗過程中始終保持專注，達到實驗預期。在視疲勞的實際評估中，需要將三種實驗方法結合起來使用(表1)。

表1 實驗研究中的視疲勞測量方法Table 1 Visual Fatigue measurement method of experimental study

3 多媒體教室光環境視疲勞實驗方案

多媒體教室的視覺識別對象主要包括投影幕布、黑板、講臺和課桌面，四者的視覺物理條件存在一定的差異。如何在同一室內空間中創造出盡量滿足投影幕布、黑板、講臺和課桌面四者的光環境，有益于學生的眼部健康，正是多媒體教室光環境研究的重點和難點。首先，多媒體教室投影幕布亮度與黑板、課桌面、環境亮度比值影響學生的視覺健康，過高或過低的亮度對比都會對視覺產生不利影響，研究中需要分別在不同的投影幕布與黑板、投影幕布與課桌面、投影幕布與環境亮度比值條件下進行視覺實驗，研究不同比值對學生視覺疲勞的影響，確定適宜人眼視覺健康的投影幕布亮度與黑板亮度、課桌面亮度、環境亮度的最佳比值。其次，研究中需要跟蹤觀測學生上課時在投影幕布、黑板和講臺三者之間的視覺動向，在三者不同的空間分布組合下進行視覺實驗，研究不同空間分布組合對學生視覺疲勞的影響，確定適宜人眼視覺健康的投影幕布、黑板和講臺三者的最佳空間分布組合。

1)生理參數與視疲勞實驗。生理參數包含的內容很多，不可能也沒有必要對每一項進行分析和研究，因此研究中需要首先確定出與視疲勞最相關和效度最高的生理參數，這是各部分研究開展的前提和基礎。設置生理參數與視覺疲勞實驗，選擇多名學生自愿者，裸眼視力或矯正視力大于等于5.0，無眼部疾病和其他病理因素，以保證實驗正常進行和數據可靠。實驗中要求被試在電腦屏幕上觀看600組圖片，每組圖片分為2張，分別顯示1s，中間無時間間隔，第1張圖片為原始圖片，第2張圖片與第1張圖片相同或在原始圖像基礎上改變圖像質量，在2s的圖像呈現后，顯示屏變為黑屏狀態，此時由被試主觀判斷兩張圖片是否存在質量上的差別，存在差別點擊鼠標左鍵，不存在差別點擊鼠標右鍵，無論被試是否點擊鼠標，2s后程序自動進入下一組圖片的比較，實驗總耗時45 min。實驗過程中，用生理信號記錄儀和眼動儀實時記錄被試的各項生理參數(腦電(EEG)、心電(ECG)、皮電(GSR)、脈搏波形(PPG)、體溫(SKT)、血氧飽和度、眨眼、注視、瞳孔大小、眼跳、持續閉合時間等)，結合大量文獻研究和被試視覺作業績效，通過皮爾遜相關系數分析各項生理參數與視覺疲勞程度的關聯度，采用方差分析(ANOVA)研究各項生理參數變化的差異性，最終篩選出關聯度最高和變化最明顯的生理參數。

2)投影幕布亮度比值實驗。選擇多名學生自愿者(同上)，分別在不同的投影幕布亮度與黑板亮度、投影幕布亮度與課桌面亮度、投影幕布亮度與環境亮度比值條件下進行視覺實驗。在不同比值條件下，運用視覺作業績效的測定方法，根據實驗具體需要在投影幕布、黑板、課桌面上放置視力安菲莫夫校字表、視力追蹤測試表/朗道爾環、數字校對表等，測試時被試者不能用手指、筆尖或鼠標輔助追蹤，只能用眼睛追蹤，每組實驗持續45 min，每組實驗開始前和實驗完成時由被試填寫KSS困倦度量表、SSS嗜睡量表和視疲勞自評量表，每組實驗完成時要求被試對該比值條件下的顯示質量和主觀舒適度按語義差別7點量表(SD法)進行主觀評價，每兩組實驗之間休息30 min。實驗過程中，用MP160十六導生理信號儀和眼動儀實時記錄被試的各項生理指標，結合視覺作業績效的測試結果，研究視覺疲勞程度、視覺作業績效、顯示質量和視覺舒適度隨亮度比值變化的規律，確定適宜人眼視覺健康的投影幕布亮度與黑板亮度、課桌面亮度、環境亮度的最佳比值。

3)投影幕布、黑板和講臺空間分布組合實驗。用眼動儀對學生上課時的視覺動向進行跟蹤觀測，通過分析研究制定實驗內容。選擇多名學生自愿者(同上)，在實驗室現場模擬多媒體教室投影幕布、黑板和講臺的空間分布，在不同空間分布組合下進行視覺實驗，每組實驗開始前和實驗完成時由被試填寫KSS困倦度量表、SSS嗜睡量表和視疲勞自評量表，實驗完成時還要求被試對該空間分布組合下的主觀舒適度按語義差別7點量表(SD法)進行主觀評價。實驗過程中，用MP160十六導生理信號儀和眼動儀實時記錄被試的各項生理指標，結合KSS困倦度量表、SSS嗜睡量表和視疲勞癥狀自評量表的測試結果，綜合研究視覺疲勞程度、困意和視覺舒適度隨空間分布組合變化的規律，確定適宜人眼視覺健康的投影幕布、黑板和講臺三者的最佳空間分布組合。

4 結語

人眼是直接接觸光刺激的器官，因此視疲勞常常作為光環境質量的評價指標。從以上的分析中，我們已經了解到視疲勞不是獨立的眼病，而是屬于身心醫學范疇的視疲勞綜合征，選擇恰當的視疲勞測量手段和實驗方法十分關鍵?？傮w而言，主觀評價操作簡單、分析方便，但實驗結果受主觀因素干擾較大；客觀測量數據準確，但測量麻煩、分析復雜；作業績效既有主觀的成分，也有客觀的成分。根據多媒體教室光環境的視疲勞實驗要求，需要研究投影幕布、黑板、講臺和課桌面四種不同的視覺識別對象，其適合的實驗方案不是相互獨立的，而是需要將主觀評價、客觀測量、作業績效三種實驗方法靈活運用，形成主客觀結合的適于多媒體教室光環境研究的視疲勞實驗方案，以獲得更為科學準確的研究結果。