多媒體教室黑板對師生視覺及投影效果的影響

高新全，陳曉東，張京津，鄧志卿

(北華航天工業(yè)學(xué) 信息技術(shù)中心，河北 廊坊 065000)

在多媒體教學(xué)中，為了提高教學(xué)效果，需要黑板的板書與之配合。由于傳統(tǒng)的黑色黑板與投影屏幕在亮度上形成強(qiáng)烈反差，這種反差對教師和學(xué)生的視覺產(chǎn)生一定的影響；而且黑板的照明光源對投影屏幕圖像的對比度、照度均勻性等也造成不同程度的影響。為了消除或減少傳統(tǒng)黑板這些弊病，需要一種白色“黑板”。本文根據(jù)光度學(xué)、人眼適應(yīng)特性，投影屏幕結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用照度儀等設(shè)備對屏幕和黑板的光強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行測試，通過分析、對比，找出較適合多媒體教室使用的黑板。

1 兩類黑板對師生視覺影響的區(qū)別

1.1 黑色黑板亮度計(jì)算

多媒體教室黑板照度規(guī)定在400～500 lx以上[1]，當(dāng)黑板照明光源發(fā)出的光照射到黑板上，一部分被黑板吸收，一部分被黑板發(fā)射出去。假定黑板反射光是均勻的(均勻度要求在0.7以上)，反射光的強(qiáng)弱可由光度學(xué)[2]的光出射度求出，即

M=ρE

(1)

式中：M為黑版面光出射度(lm/m2);ρ為黑板反射率，ρ<1，一般取5%；E為黑版面的照度，取500 lx。

黑板一般是由磨砂玻璃制成，具有漫反射特性，根據(jù)余弦輻射體光出射度和亮度之間關(guān)系M=πL，有

(2)

式中：L為黑板反射亮度(cd/m2)。

將E=500 lx,ρ=0.05代入(2)式得到L≈8 cd/m2。

1.2 白色黑板亮度計(jì)算

書寫白板，在亮度上有明顯提高，并且用水筆，沒有粉塵；亞光磨砂玻璃白板,利用納米霧化技術(shù)使玻璃表面形成均勻微晶結(jié)構(gòu)，亮度高并且可以使用水筆；電子白板，它可以代替投影屏幕，并能將寫在白板上的內(nèi)容儲存到計(jì)算機(jī)里，但它需要短焦投影機(jī)，電子白板也較貴，一般學(xué)校都有上百個(gè)多媒體教室，很難普及；交互式電子白板將計(jì)算機(jī)屏幕與電子白板融合在一起，成為人與計(jì)算機(jī)雙向交互的平臺，但成本高很難普及。以上這些白色“黑板”，在性能和價(jià)格上各有千秋，在亮度上也很難逐個(gè)計(jì)算。為對比黑色黑板與白色“黑板”在亮度上的差別，參考文獻(xiàn)[3]中“白色”黑板的亮度計(jì)算，對上述這類白色“黑板”的亮度給以定性計(jì)算。

假定白色“黑板”照度E=500 lx，ρ=0.75，則由式(2)計(jì)算得L=119 cd/m2。兩類黑板亮度比為15，即在相同照度下，白色“黑板”的亮度是黑色黑板亮度的15倍。

1.3 兩類黑板對師生視覺影響的比較

由于傳統(tǒng)的黑色黑板與投影屏幕緊挨著，投影屏幕是白色，最低亮度一般不低于110 cd/m2[4](本文測試投影屏幕為305 cm(120英寸)，故最低亮度取110 cd/m2)，黑色黑板是黑色的，當(dāng)照度在500 lx時(shí)，亮度一般在8 cd/m2左右，與屏幕形成強(qiáng)烈反差。當(dāng)人眼的視線由較亮的投影屏幕轉(zhuǎn)向較暗的黑板時(shí)，需要有個(gè)暗適應(yīng)時(shí)間(由于人眼的桿狀細(xì)胞轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)較慢，在明、暗反差很大環(huán)境下一般需要30 min)，當(dāng)人眼視線由黑板轉(zhuǎn)向投影屏幕時(shí)，由于人眼的錐形細(xì)胞轉(zhuǎn)入工作較快[5](一般需要半分鐘左右)，見圖1。由于人眼具有暗適應(yīng)和明適應(yīng)特性，致使瞳孔一會(huì)兒收縮一會(huì)兒放大。這種頻繁的適應(yīng)各種不同亮度，會(huì)造成視覺疲勞和視覺跳動(dòng)，長時(shí)間將影響教師和學(xué)生視力。

圖1 明暗適應(yīng)特性

當(dāng)白色“黑板”與投影屏幕緊挨著時(shí)，在同樣的照度(500 lx)下，白色“黑板”的亮度約為119 cd/m2，與投影屏幕規(guī)定的最小亮度110 cd/m2相近，基本上沒有亮度反差，對人的視覺造成的影響很小。

1.4 投影屏幕上的亮度、黑板上的亮度與人眼舒適性之間關(guān)系

根據(jù)人眼視覺舒適性和性能需求，直接相鄰作業(yè)面亮度比應(yīng)在3∶1范圍內(nèi)[6]，因此投影屏幕最低亮度在110 cd/m2左右時(shí)，相鄰作業(yè)面(黑板)亮度應(yīng)在36 cd/m2左右。黑色黑板照明光源的照度在500 lx時(shí)亮度為8 cd/m2左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人眼舒適度要求。如采用白色“黑板”，當(dāng)照度約150 lx時(shí)，亮度在36 cd/m2左右，即可達(dá)到人眼視覺舒適性要求。還可達(dá)到節(jié)能效果。

通過以上兩類黑板亮度與屏幕亮度比較可知，白色“黑板”在亮度反差方面較適合多媒體教室教學(xué)。

2 兩類黑板對投影屏幕圖像清晰度的影響

由于兩類黑板對照明光源的照度需求不同，照明光源產(chǎn)生的干擾光對投影屏幕的對比度和照度均勻性影響也不同。

2.1 兩類黑板照明光源對投影屏幕對比度的影響

2.1.1 實(shí)測黑色黑板照度平均值

為了模擬兩類黑板在標(biāo)準(zhǔn)照度下對投影屏幕的影響，采用兩種照明光源照射同一個(gè)黑板。一種光源是在標(biāo)準(zhǔn)黑板照明燈罩下安裝一根36 W熒光燈(飛利浦 TL-D36W/54-756光通量為2 500 lm)，此燈的黑板照度平均值為114 lx，此照度值與多媒體教室黑板最低照度400～500 lx相差較遠(yuǎn)。根據(jù)光的獨(dú)立傳播定律，各路光相遇處的光強(qiáng)是簡單相加，總是增強(qiáng)的[7]。因此，為了提高照度，在相同的燈罩里安裝3根36 W熒光燈(見圖2)作為另一種光源，此燈的黑板照度平均值為324 lx。多媒體教室黑板照度應(yīng)按上課實(shí)際環(huán)境下測算，原因在于學(xué)生區(qū)照明光和投影機(jī)投射光對黑板照度都會(huì)產(chǎn)生疊加效果。實(shí)際上課狀態(tài)，黑板上的照度包括學(xué)生區(qū)照明光源照度、黑板照明光源照度和投影機(jī)光束對黑板的影響照度(黑板與屏幕緊挨著)。上課狀態(tài)下1根熒光燈管照度為139 lx，3根熒光燈管照度為342 lx。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)黑板照明燈罩安裝3根熒光燈照片

有關(guān)資料介紹，一根功率為40 W熒光燈下黑板照度理論值可達(dá)到500 lx，本文實(shí)測照度較小原因之一是照明光源不在黑板中間，而是偏一側(cè)，見圖3。

圖3 黑板、黑板照明燈、投影屏幕位置圖

按照劉琳等[8]介紹的黑板測試點(diǎn)原則，本文選7個(gè)測試點(diǎn)，見圖4。各測試點(diǎn)的照度記分別為E1，E2，…，E7，平均值記為E，測得的測試點(diǎn)照度值及平均值見表1。

燈水平距黑板0.75 m,燈到黑板上邊沿垂直距離為0.5 m,L=1.9 m(黑板實(shí)長3.6 m，投影狀態(tài)下，黑板實(shí)際使用邊長為L，兩條實(shí)線為中心線) 照度儀型號HCJYET HT-8318,黑板高1.2 m。

圖4 黑板照度測試點(diǎn)分布示意圖

表1 兩種照明光源在黑板上各測試點(diǎn)的照度及平均照度值 lx

注：A為1根熒光燈照明光源，B為3根熒光燈照明光源。

2.1.2 兩類黑板與兩種黑板照明光源之間的關(guān)系

黑色黑板照明光源標(biāo)準(zhǔn)照度為400～500 lx，本文以3個(gè)熒光燈(實(shí)測黑板照度342 lx)模擬黑色黑板的測量。白色“黑板”照明光源的照度為150 lx時(shí)，對應(yīng)白色“黑板”亮度為36 cd/m2，可以達(dá)到人眼相鄰作業(yè)面上人眼視覺舒適性要求的亮度(36 cd/m2)，本文以1個(gè)熒光燈(實(shí)測照度139 lx、亮度33 cd/m2)模擬白色“黑板”的測量。

2.1.3 兩類黑板照明光源對投影屏幕對比度的影響

數(shù)字投影機(jī)對比度為“同一圖像畫面中亮區(qū)與暗區(qū)平均照度的比率”[9],根據(jù)數(shù)字投影機(jī)對比度計(jì)算公式[9]

(3)

按數(shù)字投影機(jī)測量方法[9]，依據(jù)黑板照明光源對投影屏幕實(shí)際影響情況，對比度應(yīng)取局部亮區(qū)和局部暗區(qū)平均值，本文將整個(gè)屏幕按垂直方向分4等分，即A、B、C、D區(qū)域(見圖5)，測試點(diǎn)編號見表2，各點(diǎn)的照度記為E1，E2，…，E16。測得的各點(diǎn)的照度值見表2。被測投影機(jī)型號 明基MP670，燈泡使用時(shí)間1 500 h以上。兩種光源、兩種環(huán)境下不同區(qū)域的對比度值見表3。

圖5 對比度示意圖

表2 兩種環(huán)境下兩種照明光源在投影屏幕上各亮區(qū)和暗區(qū)測試點(diǎn)實(shí)測照度值 lx

表3 兩種環(huán)境下兩種照明光源在投影屏幕上不同區(qū)域的對比度及相對變化率 lx

由表3可知，在上課環(huán)境下，在A區(qū)，白色“黑板”(單燈下)比黑色黑板(3燈下)對比度提高43%、B區(qū)提高23%、C區(qū)提高17%、D區(qū)為23%(由于墻面反射光使兩者對比度都下降，但傳統(tǒng)黑板照明光源的照度比白色“黑板”照明光源照度大，墻面的反射光也隨之增大，對比度下降得較多，使兩者對比度差值增大)。黑板光源對對比度的影響隨離光源距離增大而減弱。黑板照明光源照度對屏幕圖像的對比度影響，隨“黑板”照度增加而對比度下降，白色“黑板”照明光源對屏幕對比度的影響要小于黑色黑板照明光源對屏幕對比度的影響。只開黑板照明燈環(huán)境下的結(jié)果與之類似。

2.2 兩類黑板照明光源對投影屏幕照度均勻性的影響

投影屏幕上照度均勻性是指投影機(jī)輸出最大光輻射功率時(shí)，屏幕上P1—P13各點(diǎn)照度值(E1—E13)與P1—P9各點(diǎn)的照度平均Ea的最大偏差[10]。

投影屏幕上照度均勻性直接影響投影圖像清晰度，當(dāng)照度均勻性太低時(shí)，使屏幕上明、暗差別太大，導(dǎo)致明的區(qū)域亮度過高、圖像刺眼，暗的區(qū)域亮度過低、分不清圖像細(xì)節(jié)。通過調(diào)整投影機(jī)亮度或改變環(huán)境光都只能顧此失彼，也無法均衡。

按投影機(jī)測量方法，依據(jù)黑板照明光源對投影屏幕實(shí)際影響情況，屏幕照度均勻性應(yīng)取屏幕4個(gè)角照度最小值與局部照度平均值之比。本文將整個(gè)屏幕按垂直方向分3等分，即A、B、C區(qū)域(見圖6)，由表4中數(shù)值和公式(5)、(6)計(jì)算得到的兩種光源、兩種環(huán)境下不同區(qū)域的照度均勻性值見表5。

圖6 照度均勻性測試點(diǎn)示意圖

照度均勻性N計(jì)算公式[10]

N1=[1-(Eh-Ea)÷Ea]×100%

(5)

N2=[1-(Ea-Ee)÷Ea]×100%

(6)

式中，Eh和Ee分別為屏幕E1—E13中的最大照度和最小照度，Ea為E1—E9的平均照度。計(jì)算時(shí)，取由上兩式計(jì)算的最小值。

表4 上課環(huán)境下兩種照明光源在投影屏幕上各測試點(diǎn)實(shí)測照度值 lx

表5 上課環(huán)境下不同區(qū)域兩種照明光源 %

由表5中可知，在A區(qū)，當(dāng)“黑板”照度為342 lx時(shí)(黑色黑板)，均勻性為56%，當(dāng)“黑板”照度為139 lx時(shí)(白色“黑板”)，均勻性為68%，前者比后者均勻性降低12%。B區(qū)降低9%，C區(qū)降低7%。由此可知，屏幕照度均勻性隨黑板照度增加而降低，屏幕亮區(qū)與暗區(qū)反差增大。即白色“黑板”的照明光源對屏幕照度均勻性影響要小于黑色黑板照明光源對屏幕照度均勻性的影響。

2.3 粉筆灰對投影屏幕反光率的影響

多媒體教室投影屏幕一般都是玻璃珠屏幕。玻璃珠屏幕的構(gòu)成是在幕基上涂一層透明膠水，然后將成圓率高、折射率為1.5左右的白色玻璃微珠布撒在幕基上，并深入到膠水厚度適當(dāng)深度[11]。由于屏幕與黑板緊挨著，特別是屏幕在黑板左側(cè)時(shí)，教師習(xí)慣用右手寫字，粉筆灰塵很容易落在屏幕上，影響玻璃微珠透光率和折射率，使投影屏幕上的圖像亮度降低和清晰度下降。如果采用白色“黑板”，可以重復(fù)使用水筆，可以消除粉筆灰對投影屏幕反光率和師生健康的影響。交互式白板將計(jì)算機(jī)屏幕與電子白板融合在一起，交互白板終將代替黑板成為課堂教學(xué)的主流技術(shù)，成為未來教室設(shè)計(jì)施工的標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)，極大地推動(dòng)學(xué)校教育信息化進(jìn)程[12]。

3 結(jié)論

本文以光度學(xué)等理論為基礎(chǔ)，以相應(yīng)法規(guī)為依據(jù)，通過實(shí)測、分析、對比，得出在標(biāo)準(zhǔn)照度下，白色“黑板”亮度是黑色黑板亮度的15倍，白色“黑板”基本上可以消除由黑板與屏幕亮度反差對人眼視覺所造成的影響；在人眼舒適性范圍內(nèi)，白色“黑板”比黑色黑板在屏幕局部對比度可以提高40%、屏幕局部照度均勻性提高12%以上(以305 cm(120英寸)投影屏幕為例)，在屏幕反光率及照明光源節(jié)能效果等方面也有顯著提高。多媒體教室用白色“黑板”代替黑色黑板，無論在投影圖像清晰度上還是在減少對師生視覺方面的影響都將有明顯改善。此結(jié)論為新建或改建多媒體教室黑板的選擇提供參考。

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[12] 丁興富,蔣國珍.白板終將替代黑板成為課堂教學(xué)的主流技術(shù)：革新課堂教與學(xué)的新生代技術(shù)(2)[J].電化教育研究,2005(5):21-26.