信息化教學(xué)下中小學(xué)校教室空間平面尺度設(shè)計(jì)研究

何偉 HE Wei 楊春宇 YANG Chunyu 梁樹英 LIANG Shuying

一、引言

教育信息化（informatization of education）是將互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、腦神經(jīng)科學(xué)等現(xiàn)代技術(shù)與教育領(lǐng)域深度融合，使教育管理、教學(xué)和科研的發(fā)展適應(yīng)信息化社會(huì)的新要求。自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，世界各國(guó)紛紛開展“未來(lái)學(xué)?！焙汀拔磥?lái)教室”研究[1]，2019 年日本發(fā)布了《學(xué)校教育信息化推進(jìn)法》，通過(guò)法律來(lái)促進(jìn)和保障學(xué)校教育信息化相關(guān)措施的落實(shí)。近年來(lái)我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)了一系列教育信息化改革的政策法規(guī)（表1），推進(jìn)數(shù)字化教學(xué)和智慧校園的發(fā)展。在新的技術(shù)浪潮下，教育信息化已成為發(fā)展趨勢(shì)，其核心內(nèi)容是教學(xué)信息化，通過(guò)信息技術(shù)的合理運(yùn)用改變傳統(tǒng)教學(xué)方式。信息化多媒體教室基于互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化媒介快速、方便地獲取信息資源，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)和傳播，其優(yōu)勢(shì)在2020 年新冠肺炎疫情期間全國(guó)開展的在線教學(xué)中得到充分體現(xiàn)。

信息化教學(xué)方式很大程度上改變了教室空間的物理環(huán)境，尤其是光環(huán)境與傳統(tǒng)普通教室有很大區(qū)別。中小學(xué)生在校大部分時(shí)間是在教室課堂度過(guò)的，教室空間光環(huán)境與學(xué)生視力健康有密切關(guān)系，不適宜的教室視覺(jué)環(huán)境是誘發(fā)學(xué)生視力不良及引起近視度數(shù)加深的主要因素。[2][3][4]2018 年教育部發(fā)布的報(bào)告顯示，青少年學(xué)生視力不良問(wèn)題持續(xù)突出，高中生近視率達(dá)83.3%，并且呈逐年上升態(tài)勢(shì)。由于青少年眼球屈光發(fā)育特征的影響，10～14 歲是近視的高發(fā)期，中小學(xué)階段發(fā)生率最高（圖1）。青少年視力健康問(wèn)題與身心健康密切相關(guān)，重度近視甚至可能帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的視力損傷和失明風(fēng)險(xiǎn)，已經(jīng)成為重大的公共衛(wèi)生問(wèn)題，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。[5][6]習(xí)近平總書記多次對(duì)青少年學(xué)生的視力健康作出重要指示，要求全面加強(qiáng)中小學(xué)衛(wèi)生與健康相關(guān)工作，2018 年教育部、國(guó)家衛(wèi)健委等八個(gè)部委聯(lián)合發(fā)布了《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》，明確要求建筑、眼科醫(yī)院和教育單位展開積極合作，將“改善學(xué)校視覺(jué)環(huán)境”作為青少年近視防控重要內(nèi)容。

我國(guó)教育信息化建設(shè)的部分政策法規(guī) 表1

通過(guò)調(diào)控建筑空間環(huán)境滿足舒適要求是建筑設(shè)計(jì)的重要策略[7]，建筑空間環(huán)境質(zhì)量是評(píng)價(jià)環(huán)境健康與否的重要條件，在新的教學(xué)方式下，光環(huán)境是其中最主要的因素。[8][9]中小學(xué)是青少年近視率增長(zhǎng)最快的階段，在適應(yīng)現(xiàn)代信息化教學(xué)方式下如何保護(hù)學(xué)生視力健康已成為現(xiàn)階段中小學(xué)校所關(guān)注的核心問(wèn)題，創(chuàng)造適宜的信息化教室空間視覺(jué)環(huán)境，適應(yīng)“科技—建筑—人”之間相互協(xié)調(diào)關(guān)系是新時(shí)期建筑設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)（圖2）。目前中小學(xué)校信息化多媒體教室在新的教學(xué)方式下對(duì)學(xué)生視力健康影響的研究還比較缺乏，信息化教室空間仍參照傳統(tǒng)黑板教學(xué)的普通教室規(guī)范要求。通過(guò)對(duì)信息化多媒體教室的現(xiàn)場(chǎng)光譜分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)，研究信息化教學(xué)方式下教室空間光分布對(duì)學(xué)生視力健康的影響，為適應(yīng)現(xiàn)代信息化教學(xué)和學(xué)生視力健康需求提出中小學(xué)校教室空間平面尺度設(shè)計(jì)依據(jù)和優(yōu)化措施，有利于建立信息化教室空間設(shè)計(jì)和實(shí)施的科學(xué)依據(jù)，為信息化教室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

二、研究方法

1.信息化教室空間光環(huán)境

教學(xué)信息化驅(qū)動(dòng)下中小學(xué)校班級(jí)教室普遍采用數(shù)字化智能顯示屏（比如教學(xué)一體機(jī)、觸控式電子黑板等）進(jìn)行教學(xué)，以重慶市某中學(xué)為例，該校為全國(guó)現(xiàn)代教育技術(shù)實(shí)驗(yàn)學(xué)校，其數(shù)字化校園建設(shè)和信息化多媒體教學(xué)設(shè)施在全國(guó)中小學(xué)校具有一定代表性。教室設(shè)置有智能觸控電子屏幕、滑動(dòng)式無(wú)塵書寫白板、智能巡課攝像頭、安防攝像頭、電子班牌、電子時(shí)鐘、廣播音響等設(shè)備（圖3）。中小學(xué)校在教室組織形式上主要采用編班式教學(xué)[10]，空間布局分為教學(xué)區(qū)、學(xué)習(xí)區(qū)和活動(dòng)儲(chǔ)藏區(qū)，學(xué)習(xí)區(qū)按照行、列的空間序列整齊布置，兩人一組的課桌椅排布是最受學(xué)生歡迎的布局形式，現(xiàn)行《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50099—2011）對(duì)教室平面布置規(guī)定，最前排課桌前沿與黑板的水平距離不宜小于2.2m，最后排課桌后沿與教室后部空間固定家具或墻壁的距離不小于1.1m。[11]

電子屏幕的教學(xué)方式下，信息化教室光環(huán)境與傳統(tǒng)普通教室有很大區(qū)別，傳統(tǒng)普通教室視覺(jué)環(huán)境品質(zhì)主要取決于人工照明和天然采光情況，影響學(xué)生視覺(jué)功效和視覺(jué)環(huán)境感受的因素包括照度、亮度、眩光、顏色、亮度對(duì)比以及識(shí)別對(duì)象的特征等照明條件，國(guó)家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些指標(biāo)有相應(yīng)要求。[12]首先，信息化多媒體教室除了人工照明和天然光以外，電子顯示屏是自主式發(fā)光，發(fā)出的光線直接入射到學(xué)生眼睛（圖4）。其次，在使用電子顯示屏教學(xué)時(shí)學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間注視屏幕，青少年視神經(jīng)發(fā)育不完全成熟的情況下，長(zhǎng)時(shí)間的視看可能造成學(xué)生視力安全和視力健康問(wèn)題。

圖2：適應(yīng)信息化教學(xué)的教室空間設(shè)計(jì)策略

圖3：中小學(xué)校信息化教室

圖4：信息化教室光環(huán)境與學(xué)生視線

圖6：視覺(jué)目標(biāo)和背景測(cè)點(diǎn)布置

圖5：教室空間光分布測(cè)點(diǎn)布置

圖7：測(cè)量設(shè)備，SRC-2光譜彩色亮度計(jì)

2.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究信息化多媒體教室不同座位處的亮度分布，在標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)班級(jí)教室按照課桌排布方式，分別在第1 排到第7 排（縱坐標(biāo)軸1—7）、第A 列到第D列（橫坐標(biāo)軸A—D）不同座位處測(cè)量目標(biāo)亮度和背景亮度（圖5）。目標(biāo)亮度和背景亮度的測(cè)量點(diǎn)位根據(jù)《照明測(cè)量方法》（GB/T 5700—2008），采用中心布點(diǎn)法選取測(cè)量面區(qū)域4 個(gè)代表性的點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量 （圖6）。以觀察者標(biāo)準(zhǔn)坐姿時(shí)眼睛高度為準(zhǔn)，亮度計(jì)放置的高度為距離地面1.2m，在圖5 中教室空間不同座位處的測(cè)點(diǎn)位置通過(guò)測(cè)量設(shè)備模擬人眼對(duì)目標(biāo)亮度和背景亮度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量設(shè)備使用校準(zhǔn)后的便攜式SRC-2 光譜彩色亮度計(jì)（圖7），SRC-2 光譜彩色亮度計(jì)可實(shí)現(xiàn)380～780nm全波長(zhǎng)范圍測(cè)量，亮度顯示值的偏差范圍為不大于4%，滿足實(shí)驗(yàn)精度要求。測(cè)量過(guò)程中，將SRC-2 光譜彩色亮度計(jì)與一臺(tái)便攜式筆記本電腦連接，采用EXCEL 軟件記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果按照《照明測(cè)量方法》（GB/T 5700—2008）取平均值。本次實(shí)驗(yàn)在使用電子屏幕教學(xué)的典型工況下（開啟教室燈具，黑板燈關(guān)閉，開啟窗簾的全陰天天然光）進(jìn)行了測(cè)量。電子顯示屏教學(xué)課件采用常用的白底黑字（宋體，20 號(hào)）Power Point 課件模版。為了了解電子顯示屏的藍(lán)光輻射強(qiáng)度，采用校準(zhǔn)后的CS-2000 分光輻射亮度計(jì)對(duì)電子顯示屏的發(fā)射光譜進(jìn)行了測(cè)量。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

電子黑板發(fā)光的光譜功率分布測(cè)量結(jié)果如圖8 所示，其發(fā)光光譜與6500 K LED 光源相似，峰值波長(zhǎng)為448nm。這些短波長(zhǎng)藍(lán)光很容易被人眼視網(wǎng)膜細(xì)胞吸收，中小學(xué)學(xué)生視神經(jīng)發(fā)育還不完全成熟，過(guò)量藍(lán)光輻射可能造成視網(wǎng)膜損 傷[13][14][15]。根據(jù)電子黑板發(fā)光的光譜，其藍(lán)光輻射強(qiáng)度可按照IEC 62471—2006推薦的藍(lán)光加權(quán)輻亮度公式（公式1）計(jì)算。[16][17]計(jì)算結(jié)果顯示，在典型工況下最前排位置處接收到的藍(lán)光加權(quán)輻亮度LB為0.3694W·sr-1·m-2，遠(yuǎn)低于視網(wǎng)膜藍(lán)光曝輻限值100W·sr-1·m-2。

式中Lλ是波長(zhǎng)光譜輻亮度，單位 W·sr-1·m-2·nm-1；B（λ）是藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)，可通過(guò)查詢IEC 62471—2006第4.3.3 條表2 獲得；Δλ 是光譜的波長(zhǎng)帶寬，單位nm。

圖8：電子顯示屏光譜功率分布

圖9：信息化教室空間視亮度分布

圖10：學(xué)習(xí)區(qū)視亮度變化

教室空間不同座位位置的視覺(jué)目標(biāo)亮度和背景亮度結(jié)果見表2，視亮度是將亮度感覺(jué)量化的一種方法，是教室空間學(xué)生視覺(jué)舒適度的客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在明亮的光照環(huán)境下，視亮度評(píng)價(jià)方法比光亮度更加符合學(xué)生客觀實(shí)際視看情況和視覺(jué)感 受[18]。影響學(xué)生視亮度的主要因素包括目標(biāo)亮度、背景亮度和視角大小，視亮度可以通過(guò)公式計(jì)算。[19][20]

式中B 為視亮度；Lt為目標(biāo)亮度；Lb為背景亮度；Ct（θ）、S0（θ）、S1（θ）均是視角θ 的函數(shù)；κ 是指數(shù)系數(shù)，κ=0.31。

通過(guò)公式（2）計(jì)算出信息化教學(xué)方式下教室空間不同座位處學(xué)生的視亮度分布，運(yùn)用Matlab 軟件進(jìn)行模擬得到信息化教學(xué)時(shí)教室空間的視亮度分布圖（圖9）。結(jié)果表明電子黑板的自發(fā)光特性和課桌排布方式對(duì)信息化教室空間不同位置學(xué)生的視覺(jué)亮度有顯著影響，學(xué)生對(duì)視覺(jué)目標(biāo)的視亮度與視看距離密切相關(guān)。教室空間自前到后視亮度呈逐漸減小分布，學(xué)習(xí)區(qū)最前排位置視亮度值大，后排位置視亮度值小，視亮度在橫向位置呈廣口“U”形分布，中間正對(duì)屏幕位置視亮度值比兩側(cè)位置更高。同時(shí)視看距離對(duì)視覺(jué)目標(biāo)亮度和背景亮度的比值有顯著影響，學(xué)習(xí)區(qū)亮度對(duì)比值隨著與屏幕的距離增大相應(yīng)變小，前排位置感受的亮度對(duì)比值比后排位置明顯更高（圖10、圖11）。視覺(jué)目標(biāo)與環(huán)境背景的亮度差形成亮度對(duì)比值，在一定程度內(nèi)，亮度對(duì)比值過(guò)大或頻繁變化會(huì)對(duì)視覺(jué)和心理產(chǎn)生不舒適影響。根據(jù)之前亮度對(duì)比值和眼電的研究結(jié)果顯示，對(duì)比值越大，單位時(shí)間內(nèi)人眼眨眼次數(shù)越多，視覺(jué)疲勞程度越大（圖12）。[21][22]信息化教學(xué)方式下，目前教室空間平面尺度的布置方式不能適應(yīng)學(xué)生視力健康的需求。

圖11：學(xué)習(xí)區(qū)視亮度對(duì)比值

圖12：眨眼次數(shù)與亮度對(duì)比值關(guān)系

四、信息化教室空間尺度

1.光空間分布

影響視覺(jué)舒適性的主要因素是教室空間亮度分布，與視覺(jué)距離有關(guān)。學(xué)生與屏幕距離越小，感受到的視覺(jué)亮度越大。根據(jù)室內(nèi)空間照明調(diào)查顯示，通常人們感到舒適的視亮度值不超過(guò)120[19]，視覺(jué)目標(biāo)的亮度過(guò)高會(huì)造成眼睛的不適感和疲勞感，會(huì)有眼睛酸痛干澀等現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間觀看下可能造成近視或加深近視度數(shù)。根據(jù)現(xiàn)行《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》，最前排課桌前沿與黑板的水平距離為2.2m，按照現(xiàn)行課桌椅布置方法，學(xué)習(xí)區(qū)最前排的學(xué)生位置處的視覺(jué)亮度超過(guò)了視覺(jué)舒適的限值。另一方面，人眼視野中的視覺(jué)目標(biāo)亮度與背景亮度的對(duì)比值大小對(duì)人眼視覺(jué)疲勞存在顯著影響，亮度對(duì)比值過(guò)大時(shí)會(huì)形成不舒適眩光，引起視覺(jué)疲勞和降低視覺(jué)功 效。[23]學(xué)生視覺(jué)距離對(duì)視野中電子黑板LED 屏幕亮度和環(huán)境背景亮度的對(duì)比值存在顯著影響，從教室前部到后部空間，隨著視覺(jué)距離增大，視野中亮度對(duì)比度逐漸減小。視疲勞實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示由于亮度對(duì)比度的差異，學(xué)習(xí)區(qū)最前排中間位置比最后排位置眨眼次數(shù)更多，增大學(xué)生視覺(jué)疲勞程度。在信息化教學(xué)方式下，視覺(jué)距離對(duì)學(xué)生視覺(jué)功效和視力健康有重要影響。

教室空間不同座位位置的亮度和視亮度值 表2

2.視覺(jué)距離

在素質(zhì)教育和我國(guó)教育資源的現(xiàn)實(shí)背景下，學(xué)習(xí)區(qū)課桌采用陣列式布局仍是當(dāng)前中小學(xué)班級(jí)教室主體空間的主要形式。[24][25]前排位置的學(xué)生能近距離和教師進(jìn)行互動(dòng)，有助于提高學(xué)習(xí)效率，在電子屏幕教學(xué)方式下，前排位置的視覺(jué)距離長(zhǎng)時(shí)間觀看可能會(huì)損害學(xué)生視力健康，導(dǎo)致近視的發(fā)生或引起視力下降。《室內(nèi)LED 顯示屏光舒適度評(píng)價(jià)要求》規(guī)定LED 顯示屏的視距可以根據(jù)像素中心距計(jì)算，計(jì)算公式為

式中 DMVD是室內(nèi)LED 顯示屏的最小視距；DOVD是室內(nèi)LED 顯示屏的最佳視距；P 為L(zhǎng)ED 顯示屏的像素中心距。

國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)（CCIR）推薦室內(nèi)LED 顯示屏幕的最佳視距以屏幕高度的3～5 倍為宜，根據(jù)目前中小學(xué)常用的電子LED 屏幕尺寸其適宜的視距約為3～7m。《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于合班教室使用的數(shù)字化智能屏幕，規(guī)定最前排課桌前沿與顯示屏距離不小于顯示屏對(duì)角線尺寸的4～5 倍，按照標(biāo)準(zhǔn)普通教室常用85 寸顯示屏的尺寸，最前排與顯示屏的距離約為不小于8～10m，顯然不能適用于中小學(xué)校普通班級(jí)教室。現(xiàn)場(chǎng)光分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示教室空間平面尺度對(duì)視疲勞有重要影響，根據(jù)本次研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息化教室空間視亮度平面分布圖分析顯示，在距離電子黑板屏幕3.1m 處，電子黑板正對(duì)的中間位置的視亮度為120（圖13），這是人們視覺(jué)舒適的視亮度最高限值（臨界值）。與電子黑板屏幕距離小于3.1 m 的區(qū)域內(nèi)視亮度和對(duì)比值較高，是視覺(jué)不舒適區(qū)域，會(huì)顯著增加視覺(jué)疲勞和降低視覺(jué)功效，增加近視風(fēng)險(xiǎn)，降低學(xué)習(xí)效率和影響學(xué)生視力健康。這與目前CCIR 推薦的LED 顯示屏視距基本一致?；谝曈X(jué)健康的中小學(xué)校信息化多媒體教室平面尺度合理優(yōu)化，學(xué)生與電子黑板屏幕的水平距離不小于3.1m，按照標(biāo)準(zhǔn)課桌0.4m寬度，學(xué)習(xí)區(qū)最前排課桌前沿與電子黑板的水平距離應(yīng)不小于2.7m（圖13）。

教室空間平面尺度對(duì)學(xué)生視覺(jué)健康有顯著影響，現(xiàn)行規(guī)范要求最前排課桌前沿與黑板的水平距離為2.2m，在信息化教學(xué)方式下會(huì)增加前排學(xué)生視覺(jué)疲勞程度和近視患病風(fēng)險(xiǎn)，基于教室空間內(nèi)最前排課桌前沿與顯示屏的水平距離至少保持2.7m，按照現(xiàn)行的教室平面尺寸學(xué)習(xí)區(qū)可布置6行課桌椅，最后排課桌后沿與顯示屏的水平距離為7.6m，教室后部可提供充足的存儲(chǔ)和活動(dòng)空間，可容納48 名學(xué)生（圖14）。教育部明確提出中小學(xué)要清除“大班額”教學(xué)，中小學(xué)班級(jí)教室小班化教學(xué)是教育發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū)的趨勢(shì)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家公立中學(xué)班級(jí)人數(shù)規(guī)模通常低于30 人。[26]信息化教室最前排課桌前沿與顯示屏的水平距離設(shè)置為2.7m，既可以確保學(xué)生在適宜的視距范圍內(nèi)，同時(shí)基本滿足了現(xiàn)行規(guī)范對(duì)班級(jí)規(guī)模和人均面積的要求。

圖13：信息化多媒體教室適宜視覺(jué)距離

圖14：適應(yīng)信息化教學(xué)的空間平面尺度

五、結(jié)論

信息化時(shí)代的到來(lái)為教育信息化提供了廣闊的發(fā)展空間和平臺(tái)，基于信息技術(shù)的智慧教育是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，信息化教學(xué)方式改變了教室空間的物理環(huán)境，對(duì)青少年學(xué)生的視力健康和視覺(jué)功效有顯著影響。在信息化多媒體教室教學(xué)中，現(xiàn)行規(guī)范要求的平面尺度不能滿足學(xué)生視覺(jué)舒適感和視力健康要求，視覺(jué)距離不合適的情況下可能增加學(xué)生視覺(jué)疲勞程度，增加近視患病風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究合理優(yōu)化信息化教學(xué)方式下教室空間平面尺度設(shè)計(jì)措施，創(chuàng)造適宜的中小學(xué)校教室空間視覺(jué)環(huán)境對(duì)于青少年近視防控意義重大，能夠?yàn)檫m應(yīng)信息化教學(xué)方式和改善學(xué)生視覺(jué)環(huán)境的教室平面尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。