汽車類專業虛擬仿真教學系統3D眩暈癥問題研究

劉樹峰，張廣玲，李光提，呂釗欽，李玉道

汽車類專業虛擬仿真教學系統3D眩暈癥問題研究

劉樹峰，張廣玲*，李光提，呂釗欽，李玉道

（山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018）

虛擬現實技術在專業教學中不斷推廣和應用，相較于汽車專業傳統的教學模式，虛擬仿真教學模式具有結構形象直觀、強化實踐效果、降低實訓成本的優點，但在教學應用過程中發現虛擬現實技術會導致學生產生較為嚴重的3D眩暈癥，大大影響教學效果和推廣使用。文章結合教學應用實踐和汽車類專業課程特點分析3D眩暈癥產生的原因，并為虛擬仿真系統設計制作和教學模式推廣提供參考。

汽車；實踐教學；虛擬仿真；3D眩暈癥

前言

汽車類專業教學注重理論知識和實踐教學相結合，隨著虛擬現實技術的不斷發展進步，在汽車類專業教學中得到了廣泛的推廣和應用[1-3]。尤其是汽車類專業的實踐教學，通過虛擬現實技術構建汽車構造、汽車理論、汽車診斷與維修、汽車電器與電子技術等課程教學虛擬實驗平臺[4]，豐富了專業課程實踐內容，虛擬仿真教學模式在加深學生對汽車構造原理的理解與掌握方面擁有極大的優勢[5]，同時也有能縮短實訓周期、豐富實訓內容、強化教學效果、降低實驗成本等優點[6]。

我校針對車輛工程、交通運輸、農業機械化及其自動化等專業的培養需要，從2014年開始，依托國家級“農業機械化及其自動化虛擬仿真實驗教學中心”平臺分別構建“汽車拆裝”“汽車檢測與維修”“發動機性能特性”三個虛擬仿真實訓平臺，結合不同的汽車專業課程的實驗目標、實訓內容以及實踐方法選擇虛實分段、虛實交替、虛實融合等多種教學模式開展實踐教學，取得了較好的實踐教學效果。

但在近幾年的虛擬仿真教學模式應用過程中發現，虛擬現實技術除了自由度不足的技術障礙，以及有不利于培養動手能力、協作能力，缺少師生互動等缺點之外，還會導致學生學習過程中產生較為嚴重的3D眩暈癥[7]，嚴重降低了學生的學習效果并給學生身心造成一定傷害，大大影響了虛擬仿真教學模式在汽車類專業教學工程的推廣和應用[8]。

1 3D眩暈癥不適癥狀統計

虛擬現實技術在汽車類專業教學模式的廣泛應用，雖然可以為學生提供豐富的沉浸式體驗，但是使用過程中會導致學生產生眩暈、惡心、嘔吐等不適癥狀，這些癥狀統稱為3D眩暈癥[8]，3D眩暈癥也成為了虛擬現實技術進一步推廣使用的限制因素[9]。

為了解3D眩暈癥對學生的影響程度，通過對我校車輛工程專業兩個班級56名學生正常虛擬仿真實訓課程后不適癥狀進行統計分析。實訓地點為汽車拆裝虛擬仿真實訓平臺，實訓時間為4個學時，每個學時為45分鐘，每學時之間有10分鐘課間休息（課間休息要求學生室外休息）。具體不適癥狀統計結果如圖1所示。

圖1 學生不適癥狀統計

經過4個學時的虛擬仿真教學后，統計數據發現：大部分的學生產生了眼睛疲勞，有43人；全身不適和頭暈癥狀也較多，分別為28人和19人；出現較為嚴重癥狀惡心的有9人；3D眩暈癥造成更嚴重情況嘔吐的1人；其他癥狀中，出汗和嗜睡分別為3人和4人。

眼睛疲勞應該是由于長時間注視電腦屏幕，虛擬仿真畫面與視覺長時間交互造成的視覺疲勞，而全身不適可能與久坐和3D眩暈癥均有關，頭暈則主要是由于3D顯示設備比平面顯示設備更容易誘發眩暈。綜合統計數據可以很容易發現，長時間使用虛擬仿真系統進行學習，會產生較為嚴重的3D眩暈癥，長時間注視屏幕和久坐也會造成學生眼睛疲勞和全身不適。虛擬仿真教學過程中應該采取措施減少或避免3D眩暈癥的產生，進一步減少對學生的身體可能造成的傷害。

2 汽車類虛擬仿真教學系統3D眩暈癥原因

針對3D眩暈癥的成因主要有毒素誘發、眼球震顫假說、感官沖突、姿勢不穩四個主流理論[10]。研究發現3D眩暈癥也有個體差異，其影響因素有年齡、性別、種族、可塑性和適應性等。而對于汽車類虛擬仿真教學系統容易造成較為嚴重的3D眩暈癥，主要是有以下幾方面原因。

2.1 場景特征復雜強烈

汽車系統本身結構復雜、零部件眾多、應用場景復雜，導致汽車類虛擬仿真系統場景中面片數量多、特征復雜強烈。大部分汽車類虛擬仿真教學系統開發過程中過度追求模型精度[11]，使用高精度的汽車模型和零部件模型，會導致整個仿真系統當中面片數量過多，甚至遠遠大于部分大型網絡游戲的面片數量。研究表明，虛擬仿真系統中面片數量和場景特征過于復雜會直接導致3D眩暈癥的產生。

2.2 感官沖突較為強烈

汽車類虛擬仿真教學系統中，尤其是汽車拆裝類虛擬仿真教學系統，其中存在大量的旋轉、移動操作[12]，以及視角角度和遠近距離調整操作，這會造成人的視覺感官聚焦沖突，人眼會隨著虛擬場景的變化不斷調整不同感官聚焦區域，容易造成人眼的眩暈疲勞。汽車虛擬仿真教學系統常采用的開放式視野，操作時以全面視野進行展現，造成人眼視野過大，人眼為不斷捕捉聚焦信息位置，需要頻繁調整眼部神經，長時間操作也會產生頭疼、眼睛疲勞等癥狀。

2.3 室內場景較多

汽車類虛擬仿真教學系統為了追求貼近真實汽車環境，大多將系統設置為室內場景，而教學系統加上室內環境[13]，面片數量會大大增加。仿真系統中汽車零部件在室內場景中進行移動、旋轉等操作，汽車零部件與室內場景中的背景距離不斷改變，會造成眼球內視覺輻輳，加重視覺疲勞。而且由于仿真系統位于室內場景，為增大人眼短時間內的信息量，信息量太大會造成劇烈的視覺沖突，從而導致嚴重的眩暈感。

2.4 技術與算法層面

目前的汽車類虛擬仿真教學系統在設計開發當中較多關注仿真程度和工作應用，不注重防眩暈技術與算法的使用，也缺乏虛擬仿真系統質量的評價方法和標準規范，對仿真系統中的場景轉換速度、面片數量、尋找目標角度等防炫目控制技術和算法研究應用較少。

2.5 虛擬仿真實踐教學時間過長

虛擬仿真教學學時依然采用傳統理論和實踐教學時間，采用45分鐘教學學時，每學時之間休息10分鐘。而虛擬仿真教學一般歸類為實踐教學，采用較為集中的學習方式，每次教學安排4學時，甚至達到8學時。虛擬仿真實踐教學時間過長，課間休息時間過短，也會造成學生無法得到充分休息，加重眩暈癥的產生。

3 汽車類虛擬仿真系統降低3D眩暈癥措施

3.1 嚴格控制場景特征

針對汽車結構和應用場景復雜的問題，不能盲目追求汽車模型的精度，在滿足使用的情況下來降低汽車零部件模型精度，減少仿真系統中面片數量。針對汽車拆裝類虛擬仿真系統可以采用分系統設計，根據不同系統拆裝設置所需拆裝系統較高模型精度，其他系統降低模型精度。

3.2 減少感官沖突操作

虛擬仿真教學系統中，應當減少或簡化旋轉、移動等操作，除零部件結構觀察檢驗等必要步驟設置旋轉、移動等運動，嚴格控制其他操作過程中頻繁地旋轉和移動。盡量避免采用開放式視野，操作過程中采用縮小視野展現，減少其他背景信息量沖擊視覺感官。通過放大操作模型視域，減少人眼頻繁視野區域調整和聚焦，減緩視覺疲勞。

3.3 采用室外場景

除特別教學需要采用室內場景外，汽車類虛擬仿真教學系統應以室外場景為主，不應過分注重教學外景的設計，而應該注重汽車結構原理等教學內容設計。大部分對場景無特別需要的教學環節均應優先選擇室外場景進行設計，通過單一環境場景，來減少仿真系統的面片數量、場景特征和降低場景和模型之間的感官沖突，從而最大程度避免眩暈癥的產生。

3.4 構建虛擬仿真教學系統質量評價體系

通過構建完善的虛擬仿真教學系統質量評價體系，規范仿真系統的設計開發標準，促進開發單位對防炫目技術與算法的使用，以及積極開展虛擬仿真教學系統3D眩暈癥問題研究，建立虛擬仿真教學系統的質量檢驗規范，從制度層面規范虛擬仿真教學系統的設計開發，降低仿真系統眩暈癥問題影響。

3.5 優化虛擬仿真教學時長

為了提高虛擬仿真教學效果，減少3D眩暈癥對教學和學生身心的影響，應該嚴格控制虛擬仿真教學時長。縮短每學時時間，學時時間應該控制在30分鐘以內；延長課間休息時間，或者采取靈活休息時間控制，保證教學時長的同時，由學生自主安排休息時間；避免采取連堂教學方式，采取分段教學方式來控制單次教學環節時長；此外，虛擬仿真教學系統中應該增設學習時長控制系統，超過學習時長應能夠提醒或強制要求學生休息。

4 結論

針對汽車類專業學生虛擬仿真教學中出現的嚴重3D眩暈癥問題原因進行了研究，通過實驗發現經過4個學時虛擬仿真教學后，大部分的學生產生了眼睛疲勞、全身不適、頭暈癥狀、出汗、嗜睡等3D眩暈癥癥狀，甚至個別學生還出現了惡心嘔吐等較為嚴重癥狀。3D眩暈癥會對汽車類虛擬仿真教學應用和進一步推廣使用造成重要的影響。

根據3D眩暈癥形成理論，結合汽車類虛擬仿真教學系統特點，分析引起學生產生3D眩暈癥的主要原因有場景特征復雜強烈、感官沖突較為強烈、室內場景較多、技術與算法層面、虛擬仿真實踐教學時間過長等。

本文從開發技術層面提出了汽車類虛擬仿真教學系統需要嚴格控制場景特征、減少感官沖突操作、采用室外場景等建議，并結合教學應用實踐和汽車類專業課程特點提出了構建虛擬仿真教學系統質量評價體系、優化虛擬仿真教學時長等措施，來降低3D眩暈癥對虛擬現實技術對汽車類虛擬仿真教學的影響，并為虛擬仿真系統的設計開發和教學推廣使用提供參考，以期虛擬仿真教學應用中3D眩暈癥的嚴重問題能夠引起廣泛關注。

[1] 滕菲,李慶華,李未.虛擬現實技術在汽車類專業實驗教學中的應用[J].吉林工程技術師范學院學報,2018,34(01):90-93.

[2] 朱孟偉.虛擬現實技術在汽車類專業教學中的應用研究[J].電腦知識與技術,2020,16(27):105-106.

[3] 劉亞麗,吳賀利.虛擬仿真技術在汽車實訓中的應用[J].汽車實用技術,2019(08):239-240.

[4] 劉樹峰,張廣玲,李光提,等.虛實結合汽車發動機拆裝實訓教學模式研究[J].實驗室科學,2018,21(05):111-114.

[5] 于文東.虛擬現實技術在汽車構造實驗教學中的應用分析[J].汽車實用技術,2019(14):231-232.

[6] 萬能,羅雅婷.基于虛擬技術的車輛工程專業教學研究[J].汽車實用技術,2021,46(04):163-168.

[7] 陳治霖.基于機器學習探析虛擬場景模型面片數對VR眩暈感的影響[D].成都:西南石油大學,2019.

[8] 陳小康.基于3D卷積神經網絡的VR視頻質量評價方法[D].廈門:廈門大學,2019.

[9] 王丹力,楊心盼,岳康,等.基于ECG的立體3D顯示視疲勞的評估和建模[J].系統仿真學報,2019,31(02):212-217.

[10] 王勤,趙悟翔,劉春玲.光柵3D顯示視疲勞與視功能參數的關系[J].光電子?激光,2019,30(07):742-749.

[11] 王瑩.不同顯示技術與照明環境對視疲勞影響研究[D].南京:東南大學,2018.

[12] 李海崗,吳喜驪,呂凱,等.基于虛擬仿真技術的汽車電子實踐教學研究[J].實驗室科學,2019,22(05):55-57.

[13] 王彥,李萬敏,楊昀梓.項目教學法+虛擬實驗在汽車試驗學課程中的應用[J].汽車實用技術,2020,45(16):212-214.

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

A

1671-7988(2022)02-140-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.032

劉樹峰（1990—），男，博士研究生，就讀于山東農業大學機械與電子工程學院，主要研究方向為汽車電子技術研究。

張廣玲（1986—），女，碩士，實驗師，就職于山東農業大學機械與電子工程學院，主要研究方向為車輛專業實踐教學研究。

山東農業大學2020年度“十三五”第三批校級教改項目（編號XM202016）資助；山東省園藝機械與裝備實驗室重點支持項目。