基于青少年視覺發(fā)育的多媒體教室光環(huán)境研究動態(tài)

梁樹英，楊春宇，張青文

(1.重慶大學(xué) 博士后流動站，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；3.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

引言

我國學(xué)生視力不良檢出率繼續(xù)上升，并出現(xiàn)低齡化傾向，預(yù)計(jì)2020年我國學(xué)生視力不良總數(shù)為1.524億，至2030年約為1.804億[1]。學(xué)生視力不良問題引起了國家各部門的高度重視，2018年8月30日，教育部、國家衛(wèi)生健康委員會等8部門聯(lián)合印發(fā)《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》，提出到2030年我國6歲兒童近視率控制在3%、小學(xué)生近視率下降到38%以下、初中生近視率下降到60%以下、高中階段學(xué)生近視率下降到70%以下的目標(biāo)[2]。近視是我國學(xué)生最常見的眼病，其不僅會給青少年的學(xué)習(xí)和生活造成諸多不便，隨著近視度數(shù)的進(jìn)一步加深，還可能帶來更多更嚴(yán)重的眼部并發(fā)癥，例如高度近視性視網(wǎng)膜脫離、黃斑裂孔、鞏膜葡萄腫等，并最終可能致盲[3]。

近視的發(fā)病原因主要有遺傳和環(huán)境因素。在環(huán)境因素中，光照環(huán)境是不可忽視的重要因素。近年來，隨著多媒體設(shè)備和軟件的發(fā)展，教育信息化的大力推動，多媒體教室得到越來越普遍的運(yùn)用。2010年，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》第19章中專門論述了要加快教育信息化進(jìn)程。2016年2月，教育部辦公廳在《2016年教育信息化工作要點(diǎn)》(教技廳[2016]1號)中指出，其“核心目標(biāo)”是基本實(shí)現(xiàn)全國中小學(xué)都擁有多媒體教學(xué)條件，學(xué)校普通教室全部配備多媒體教學(xué)設(shè)備的城鎮(zhèn)和農(nóng)村中小學(xué)比例分別達(dá)到80%和50%[4]。2016年6月，教育部在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中提到，全國多媒體教室普及率達(dá)到了80%[5]。研究表明[6]城市學(xué)校的學(xué)生平均每天在校時間長達(dá)7～8 h，有的農(nóng)村學(xué)校甚至超過了10 h。因此，多媒體教室已經(jīng)成為學(xué)生學(xué)習(xí)和進(jìn)行各種活動的主要場所，其光環(huán)境質(zhì)量的好壞直接影響學(xué)生的眼部健康。

圖2 年齡與近視發(fā)病率的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between age and myopia rate

本文通過分析青少年的視覺發(fā)育特征，整理國內(nèi)外相關(guān)研究和前沿動態(tài)，梳理和總結(jié)出多媒體教室光環(huán)境與學(xué)生眼部健康之間的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

1 青少年視覺發(fā)育特征

青少年眼球發(fā)育和視覺發(fā)育具有其自身的特點(diǎn)，是一個遠(yuǎn)視屈光逐漸下降的過程，也就是說眼球有一個“正視化”的趨勢。剛出生的嬰兒，視力很差，僅有光感，眼球直徑比成人短，屬于生理性遠(yuǎn)視眼(不包括少數(shù)先天性近視眼)；0～6歲的兒童，遠(yuǎn)視眼(生理性遠(yuǎn)視眼)比例仍較大， 3～6歲兒童眼軸平均長度為(21.79±0.68) mm；7～15歲的少兒，隨著年齡的增長，眼球逐漸增大，眼軸也逐漸增長，遠(yuǎn)視的情況相應(yīng)減輕，逐漸由遠(yuǎn)視變?yōu)檎?，眼軸平均長度為(22.75±0.87) mm[7]，同時近視明顯增多，是新發(fā)近視的高發(fā)期；16～25歲的青少年，主要表現(xiàn)不是新發(fā)近視的增加，而是近視度數(shù)的不斷升高，20歲以后視力逐漸趨于穩(wěn)定。總體而言，青少年近視多發(fā)生在中小學(xué)階段(圖1)，最突出的變化發(fā)生在10～14歲，20歲以后屈光變化很小(圖2)。

圖1 中國部分地區(qū)青少年近視患病率Fig.1 Myopia rate of adolescents in some regions of China

在人眼正視化過程中，眼球各結(jié)構(gòu)隨年齡發(fā)生精細(xì)改變，其中與屈光狀態(tài)有關(guān)的三個主要因素是角膜曲率、晶體調(diào)節(jié)力和玻璃體腔長度[8]。新生兒眼軸長度為17.20 mm，玻璃體腔長度為12.58 mm，晶狀體厚度為2.98 mm，前房深度為2.62 mm[9]；出生1個月的嬰兒眼軸長度為19.82 mm，玻璃體腔長度為13.01 mm，晶狀體厚度為3.90 mm，前房深度為2.84 mm，均有所增加[10]；出生后3～9個月眼球迅速增長，眼軸長度在6個月內(nèi)增加了1.2 mm，玻璃體腔長度和前房深度增加，與年齡增長呈正相關(guān)，晶狀體厚度變小，與年齡增長呈負(fù)相關(guān)[11]；6～18歲的青少年在未形成近視前，晶狀體最初是厚的、凸的，并且玻璃體腔是短的，隨著年齡的增加，近視組較非近視組晶狀體變得更薄、更平，玻璃體腔更深，這些變化為前房深度年為0.012 mm，晶狀體厚度年為-0.005 mm，玻璃體腔年為0.084 mm[12]。

青少年在不同年齡段各種視功能形成和發(fā)育成熟的過程中，視覺系統(tǒng)有相當(dāng)大的可塑性，環(huán)境因素對視覺的刺激可以調(diào)整和改變視皮質(zhì)的突觸結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響神經(jīng)元之間的信號傳導(dǎo)[13]。因此，多媒體教室的光環(huán)境對青少年的眼部健康至關(guān)重要。

2 國內(nèi)外相關(guān)研究動態(tài)

多名學(xué)者對多媒體教室的光環(huán)境進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果表明多媒體教室的光環(huán)境不容樂觀。李振霞等[14]對天津某高校多媒體教室的光環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測調(diào)查，討論了多媒體教室光環(huán)境設(shè)計(jì)中大屏幕、環(huán)境亮度、桌面照度三者之間應(yīng)遵循的關(guān)系，指出環(huán)境亮度是決定投影屏幕清晰度的主要原因。艾倫等[15]研究了投影機(jī)的實(shí)際光通量、教室的實(shí)際光照度、學(xué)生視力下降的趨勢等問題，結(jié)果表明多媒體教室室內(nèi)光照度的不足是引起師生視力下降的重要因素。張澤等[16]分別在白天和晚上對大學(xué)多媒體教室進(jìn)行了測量，其室內(nèi)照度均未達(dá)到規(guī)范要求。毛萬紅等[17]對高校多媒體教室光環(huán)境進(jìn)行了測試，結(jié)果表明其視覺滿意度較低。近年來，作者對重慶大學(xué)A、B校區(qū)及虎溪校區(qū)教學(xué)樓多媒體教室進(jìn)行了隨機(jī)抽樣測量和主觀問卷調(diào)查，測試過程中分別設(shè)計(jì)黑色、灰色(50%)和白色三種圖片，通過投影設(shè)備投影于幕布上，在不同工況條件下(①開啟全部燈具和全部窗簾，②關(guān)閉第1排燈具和靠黑板窗戶窗簾，③關(guān)閉第1排、第2排燈具和教室前部窗戶窗簾，④關(guān)閉全部燈具和全部窗簾)測試投影幕布、黑板、講臺和課桌面的亮度和照度，并投影PPT課件，評價其在不同工況下的清晰度，結(jié)果顯示：不同工況條件下測試結(jié)果差異很大，投影幕布亮度范圍為166～0.17 cd/m2，照度范圍為411～0.72 lx，黑板亮度范圍為8～0.03 cd/m2，照度范圍為511～0.7 lx，講臺照度范圍為315～1.06 lx，課桌面照度范圍為352～0.41 lx；同一工況條件下，不同灰度圖片的投影效果也有較大差異，白色圖片時投影幕布的亮度和照度最大，灰色圖片次之(約為白色圖片的29%～22%)，黑色圖片時的亮度和照度最低(約為白色圖片的8%～0.2%)，當(dāng)關(guān)閉全部燈具和全部窗簾時圖片灰度導(dǎo)致的差異最為明顯；工況①至工況④，PPT課件投影的主觀清晰度評價由低到高，當(dāng)開啟全部燈具和全部窗簾時，黑板、講臺和課桌面的照度為511，315 lx和352 lx，滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范(500，300 lx和300 lx)，但投影儀的清晰度很低，學(xué)生長時間觀看易產(chǎn)生視覺疲勞，當(dāng)關(guān)閉第1排燈具和靠黑板窗戶窗簾時，黑板、講臺和第一排課桌面的照度分別為150，126 lx和108 lx，已大大低于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，進(jìn)行閱讀和書寫活動變得困難。在測試中，作者還發(fā)現(xiàn)不同多媒體教室投影幕布的亮度和照度也不盡相同，一方面是因?yàn)橥队皟x的型號功率和投影模式不同，另一方面是因?yàn)橥队皟x的光衰，采用相同型號功率和投影模式投影儀的多媒體教室，使用時間較長的投影幕布亮度和照度偏低，而采用高功率投影儀的多媒體教室，投影幕布較為刺眼，不利于視覺健康。

多媒體教室的光環(huán)境主要受天然光、人工照明和多媒體視頻光源的影響。多媒體教室的視頻系統(tǒng)主要有投影顯示系統(tǒng)、背投影電視、大屏幕平板電視、交互式電子白板等，目前使用較為普遍的是投影儀、投影幕布和信號源設(shè)備組成的投影顯示系統(tǒng)，其對教室光環(huán)境提出了新的更高的要求。目前，多媒體教室還基本按照普通教室的光環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致了現(xiàn)實(shí)使用中的一系列問題。投影儀的功率是一定的，為了保證投影幕布的清晰度，提高投影幕布與環(huán)境的對比度，達(dá)到較好的投影效果，往往需要降低教室的環(huán)境亮度(拉上遮光窗簾、關(guān)閉教室部分或全部燈具等)，如此一來，必然導(dǎo)致投影幕布較亮，而黑板、講臺和課桌面的照度過低(特別是教室前部靠近幕布處的課桌面照度過低，無法滿足正常的閱讀和書寫需求)。學(xué)生在投影幕布、黑板、講臺和課桌面四者之間頻繁變動注視對象和注視方向，導(dǎo)致明暗視覺器官頻繁調(diào)節(jié)(錐狀細(xì)胞和桿體細(xì)胞不斷適應(yīng)明暗環(huán)境)，眼部肌肉過度緊張，長期在這樣的光環(huán)境下學(xué)習(xí)，會引起眼脹痛、眼部充血、視物模糊、眼干澀及眼皮沉重等視疲勞，進(jìn)而引發(fā)近視，這也是導(dǎo)致我國學(xué)生視力不良發(fā)生率居高不下的原因之一。

人眼視網(wǎng)膜的視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞對環(huán)境明暗的響應(yīng)靈敏度不同，正常情況下人眼從暗環(huán)境到亮環(huán)境的適應(yīng)時間較快，約為1 min，而從亮環(huán)境到暗環(huán)境的適應(yīng)時間較慢，約為30 min(圖3)。人眼雖有適應(yīng)性的特點(diǎn)，但當(dāng)視野內(nèi)明暗急劇變化時，眼睛卻不能很好的適應(yīng)，從而引起視覺疲勞和視力下降。1931年，Blanchard用閾限法證明，在極端黑暗轉(zhuǎn)入極亮的情況下，桿狀細(xì)胞的感受性下降了100萬倍。根據(jù)所含視色素對不同波長的相對吸收特性，視錐細(xì)胞又分為紅錐、綠錐和藍(lán)錐，Schuber EF[18]的研究表明視桿細(xì)胞和紅錐、綠錐、藍(lán)錐三種視錐細(xì)胞的峰值吸收波長分別為498，564，533 nm和437 nm。同濟(jì)大學(xué)郝洛西課題組[19]對上海市中小學(xué)視力健康與光照環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示色溫、照度和環(huán)境對比度對視覺疲勞程度有直接影響。荷蘭埃因霍溫技術(shù)大學(xué)TU/e的研究表明人眼垂直面的照度水平與疲勞有相當(dāng)大的關(guān)系，垂直面的高照度值可減緩疲勞[20]。Winterbottm等[21]的研究表明教室閃爍頻率的熒光燈照明和交互式電子白板會使學(xué)生感到不適，引發(fā)頭痛，降低認(rèn)知能力，甚至損害視力。

圖3 人眼的明暗適應(yīng)過程Fig.3 The process of light and dark adaptation of human eyes

國內(nèi)許多學(xué)者還對光生物效應(yīng)(非視覺感光細(xì)胞)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用于教室照明中。重慶大學(xué)嚴(yán)永紅課題組[22-25]對視覺功效、識別率差異及熒光燈、LED 色溫對學(xué)習(xí)效率、視/腦疲勞的綜合影響等進(jìn)行了研究。重慶大學(xué)黃海靜等[26]研究了光生物效應(yīng)下光源色溫及照度水平差異對學(xué)生視覺功效、心理/生理健康和學(xué)習(xí)效率的影響。重慶大學(xué)楊春宇等[27,28]從光譜、光照強(qiáng)度、時間和周期等方面對大學(xué)生季節(jié)性抑郁情緒和光照治療進(jìn)行了研究。楊彪等[6]研究了中小學(xué)教室光環(huán)境綜合評價指標(biāo)體系。游杰等[29]探討了多媒體教室光環(huán)境評價模型，建立了光源、桌面照明質(zhì)量、黑板照明質(zhì)量和投影性能等18項(xiàng)指標(biāo)，但對于自然光、講臺、投影幕布亮度與環(huán)境亮度比值、圍合材料反射增量等均未涉及。目前，針對多媒體教室光環(huán)境深入系統(tǒng)的研究還未見報(bào)道。

3 總結(jié)和展望

視覺發(fā)育離不開正常的光信號刺激，青少年正處于眼部快速發(fā)育和養(yǎng)成正確用眼習(xí)慣的重要階段，科學(xué)合理的多媒體教室光環(huán)境對于預(yù)防近視發(fā)生和延緩近視發(fā)展具有重要意義。目前，多媒體教室光環(huán)境還缺乏深入系統(tǒng)的研究和科學(xué)指導(dǎo)。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?xiàng)l件存在一定的差異。其中課桌面為水平面，黑板和幕布為垂直面，講臺(兼多媒體操控臺)既有水平面也有垂直面(水平照度要求教師看清講義和便于操控多媒體設(shè)備，垂直照度要求學(xué)生能看清教師的面部表情和肢體語言)，幕布上的文字、圖片是通過投影設(shè)備成像，本身具有一定的自身亮度，物理?xiàng)l件更為復(fù)雜。如何在同一室內(nèi)空間中創(chuàng)造出盡量滿足投影幕布、黑板、講臺和課桌面四者的光環(huán)境，有益于青少年的眼部健康，正是多媒體教室光環(huán)境研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而這需要從全新的視角進(jìn)行深入研究和探討。