多媒體教室亮度對(duì)比值及主觀評(píng)價(jià)調(diào)查研究

何 偉，楊春宇，梁樹(shù)英

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，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)

引言

根據(jù)教育部信息[1]，截至2020年8月，全國(guó)中小學(xué)(含教學(xué)點(diǎn))互聯(lián)網(wǎng)接入率達(dá)到98.7%，配備多媒體教學(xué)設(shè)備普通教室達(dá)到402.8萬(wàn)間，93.1%的學(xué)校已擁有多媒體教室，其中74.2%的學(xué)校實(shí)現(xiàn)多媒體教學(xué)設(shè)備全覆蓋。多媒體教室光環(huán)境比傳統(tǒng)教室更復(fù)雜，傳統(tǒng)教室空間內(nèi)影響學(xué)生視覺(jué)功能的因素包括照度、亮度、眩光、顏色、亮度對(duì)比以及識(shí)別對(duì)象的特征等，在多媒體教室教學(xué)過(guò)程中，教室將PPT課件內(nèi)容展現(xiàn)在投影屏幕進(jìn)行教學(xué)，屏幕亮度不斷變化，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要不斷調(diào)節(jié)視覺(jué)器官來(lái)辨識(shí)目標(biāo)，多媒體教室光照環(huán)境的亮度對(duì)比是教室照明質(zhì)量的重要參數(shù)并直接影響人的視看效果[2]。教室環(huán)境亮度對(duì)比值不合適將導(dǎo)致學(xué)生用眼疲勞、視覺(jué)效率下降、影響學(xué)生注意力集中和學(xué)習(xí)效率，教室空間光照亮度環(huán)境與學(xué)生視力健康有密切關(guān)系[3,4]，不合適的教室光照環(huán)境是引起學(xué)生視覺(jué)疲勞、產(chǎn)生視力不良的主要因素[5,6]。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，并且呈逐年上升態(tài)勢(shì)[7,8]，國(guó)家衛(wèi)健委公布的一組數(shù)據(jù)顯示，2018年全國(guó)兒童青少年總體近視率高達(dá)53.6%，其中，6歲兒童近視率為14.5%，小學(xué)生為36%，初中生為71.6%，高中生為81%，如圖1所示。

圖1 全國(guó)青少年近視率 Fig.1 The detection rate of impaired vision among students

青少年視覺(jué)健康問(wèn)題嚴(yán)重影響青少年的身心健康和生活質(zhì)量，已經(jīng)成為關(guān)系國(guó)家和民族未來(lái)的重大公共衛(wèi)生問(wèn)題，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。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。2019年教育部、國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)印發(fā)《關(guān)于開(kāi)展2019年托幼機(jī)構(gòu)、校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、學(xué)校采光照明“雙隨機(jī)”抽檢工作的通知》，將對(duì)學(xué)校教室等場(chǎng)所的采光和照明以“雙隨機(jī)”方式進(jìn)行抽檢、記錄并公布，多媒體教室的光照環(huán)境尤為重要。

1 亮度對(duì)比值

多媒體教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生的主要視看區(qū)域包括投影幕布、黑板、教室環(huán)境(白墻)及桌面，投影幕布是主要的視覺(jué)目標(biāo)，黑板、教室白墻為視覺(jué)背景。亮度對(duì)比是視覺(jué)目標(biāo)和背景之間的亮度差異，亮度對(duì)比值越大，視覺(jué)目標(biāo)越清晰可見(jiàn)。視覺(jué)目標(biāo)與背景的亮度對(duì)比值是影響視覺(jué)目標(biāo)視覺(jué)功效水平和視覺(jué)目標(biāo)清晰程度的重要因素，不適合的亮度對(duì)比值會(huì)增加學(xué)生視覺(jué)疲勞程度。因此，視覺(jué)目標(biāo)和背景的亮度對(duì)比值是影響多媒體教室光照環(huán)境質(zhì)量的主要因素。亮度對(duì)比度C是視野中目標(biāo)和背景的亮度差與背景亮度的比值：

其中：Lt為視覺(jué)目標(biāo)亮度，單位為cd/m2；Lb為視覺(jué)背景亮度，單位為cd/m2；ΔL為視覺(jué)目標(biāo)與背景的亮度差。

目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有關(guān)于教室亮度變化比值的規(guī)定。上海市發(fā)布的《中小學(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB31/T 539—2020)規(guī)定了教室內(nèi)作業(yè)面照度值與鄰近周?chē)斩戎档年P(guān)系，見(jiàn)表1[9]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通》規(guī)定白天車(chē)站出入口內(nèi)外亮度變化，宜按1:10～1:15取值，夜間車(chē)站出入口內(nèi)外亮度變化，宜按2:1～ 4:1取值[10]。為了獲得良好的視覺(jué)功效和視覺(jué)舒適性，北美照明學(xué)會(huì)指出，人眼直接觀看的目標(biāo)表面的亮度與其周?chē)h(huán)境表面的亮度比值不應(yīng)大于5:1。陳超中等[11]認(rèn)為，視覺(jué)面本身與其直接背景的亮度比應(yīng)小于3:1，在視看面的周邊，相鄰近的物體表面亮度差值應(yīng)保持盡可能小。

表1 中小學(xué)校及幼兒園教室照明鄰近周?chē)斩戎蹬c作業(yè)面照度值的關(guān)系(數(shù)據(jù)來(lái)源：根據(jù)文獻(xiàn)繪制[9])Table 1 The relationship between the illuminance value of the adjacent surroundings and the illuminance value of the work surface

多媒體教室照明環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查是教室照明研究的依據(jù)和前提，本文從多媒體教室現(xiàn)狀數(shù)據(jù)測(cè)量和學(xué)生對(duì)多媒體教室照明環(huán)境主觀評(píng)價(jià)兩方面進(jìn)行了調(diào)查分析。

2 多媒體教室光照環(huán)境調(diào)查

2.1 調(diào)查方法

選取重慶大學(xué)第二綜合樓多媒體教室作為調(diào)研對(duì)象，該教室可以容納80人，屬于中型多媒體教室。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。測(cè)量教室空間亮度分布的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用校準(zhǔn)后的便攜式SRC-2光譜彩色亮度計(jì)，亮度顯示值的相對(duì)偏差范圍為不大于4%。測(cè)量時(shí)設(shè)備放置的高度距地1.2 m，是標(biāo)準(zhǔn)坐姿時(shí)觀察者眼睛高度[12]。測(cè)量過(guò)程中，按照多媒體教學(xué)過(guò)程中常用的照明模式，分別在打開(kāi)窗簾和關(guān)閉窗簾的情況下，對(duì)不同人工照明模式教室空間的亮度值進(jìn)行了測(cè)量，人工照明模式根據(jù)教室燈具控制現(xiàn)狀分為全部開(kāi)啟、前排燈具關(guān)閉和全部關(guān)閉3種。投影屏幕教學(xué)課件采用常用的白底黑字(宋體，20號(hào))powerpoint課件模板，測(cè)量時(shí)使用數(shù)碼相機(jī)、記錄表對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄。

2.2 調(diào)查結(jié)果

對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出不同光環(huán)境模式下投影屏幕、黑板、白墻、桌面的平均亮度，并通過(guò)計(jì)算得出多媒體教學(xué)方式下投影屏幕與黑板、白墻和桌面的亮度對(duì)比值，對(duì)影響亮度的燈具控制變化因素進(jìn)行單獨(dú)效應(yīng)分析，分別繪制出在打開(kāi)窗簾和關(guān)閉窗簾時(shí)不同人工照明模式下投影屏幕、黑板、白墻、桌面的平均亮度變化曲線(xiàn)，如圖2和圖3所示。

圖2 打開(kāi)窗簾時(shí)教室環(huán)境亮度Fig.2 The brightness of the classroom environment when the curtains are opened

圖3 關(guān)閉窗簾時(shí)教室環(huán)境亮度Fig.3 The brightness of classroom environment when curtains are closed

通過(guò)計(jì)算得出不同照明模式下多媒體教學(xué)方式投影屏幕與黑板、白墻和桌面的亮度對(duì)比值，計(jì)算得出桌面與黑板的亮度對(duì)比值，對(duì)影響亮度的燈具控制變化因素進(jìn)行單獨(dú)效應(yīng)分析，不同光環(huán)境模式下投影屏幕與黑板、白墻、桌面的亮度對(duì)比柱狀圖，如圖4和圖5所示。

圖4 打開(kāi)窗簾時(shí)教室空間環(huán)境的亮度對(duì)比Fig.4 The brightness contrast of the classroom space environment when the curtain is opened

圖5 關(guān)閉窗簾時(shí)教室空間環(huán)境的亮度對(duì)比Fig.5 The brightness contrast of the classroom space environment when closing the curtain

如圖4和圖5所示，多媒體教室的光照環(huán)境在不同照明模式下有非常大差別，主要包括天然光和人工照明影響因素。在開(kāi)啟窗簾且教室人工照明全部開(kāi)啟時(shí)，投影屏幕的亮度為181 cd/m2，黑板和墻面的亮度為20～30 cd/m2，屏幕亮度和背景的亮度比值約為7∶1。關(guān)閉窗簾時(shí)屏幕和背景的亮度比值為8.5∶1，在人工照明全部開(kāi)啟時(shí)，打開(kāi)窗簾和關(guān)閉窗簾下教室內(nèi)投影屏幕與背景的亮度對(duì)比值差別不大。在燈具全部關(guān)閉且打開(kāi)窗簾時(shí)，投影屏幕與黑板的亮度比值為14∶1，關(guān)閉窗簾屏幕與黑板的亮度比值為22∶1，燈具關(guān)閉的情況下窗簾對(duì)多媒體教室亮度對(duì)比值影響較大。調(diào)查結(jié)果顯示，人工照明模式和窗簾模式對(duì)多媒體教室光照環(huán)境有不可忽視的影響。此外，窗簾對(duì)調(diào)節(jié)教室照度、眩光有重要作用[13]。在多媒體教學(xué)過(guò)程中，教室人工照明關(guān)閉時(shí)視覺(jué)目標(biāo)與背景的亮度值較大，投影屏幕與白墻的亮度比、投影屏幕與課桌面的亮度比均不能滿(mǎn)足北美照明學(xué)會(huì)推薦的亮度比值。人眼隨著視覺(jué)目標(biāo)和背景亮度的變化不斷進(jìn)行視覺(jué)調(diào)節(jié)，增加了視覺(jué)疲勞程度，今后在教室照明的控制策略上應(yīng)進(jìn)行更多的研究，提高多媒體教室光照環(huán)境質(zhì)量。

3 主觀評(píng)價(jià)調(diào)查

為了解學(xué)生對(duì)多媒體教室光照環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)，本文采用問(wèn)卷方式調(diào)查學(xué)生對(duì)多媒體教室光環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)。問(wèn)卷中的語(yǔ)意差別量表采用5級(jí)量表，將多媒體教室光環(huán)境舒適亮度評(píng)價(jià)分為5個(gè)等級(jí)進(jìn)行視看舒適度主觀評(píng)價(jià)。問(wèn)卷主要包含多媒體教室教學(xué)過(guò)程中常用場(chǎng)景下投影屏幕亮度、屏幕亮度與背景亮度的對(duì)比舒適度、教室光環(huán)境亮度整體評(píng)價(jià)等方面，調(diào)查結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 投影屏幕亮度主觀評(píng)價(jià)Fig.6 Subjective evaluation of projection screen brightness

圖7 投影屏幕與背景亮度對(duì)比舒適度評(píng)價(jià)Fig.7 Comfort evaluation of contrast between projection screen and background brightness

從主觀評(píng)價(jià)調(diào)查結(jié)果情況來(lái)看，認(rèn)為投影屏幕亮度適宜的比例不到50%，整體上投影屏幕亮度的評(píng)價(jià)是偏暗，近40%的學(xué)生認(rèn)為投影屏幕的亮度偏暗或過(guò)暗，可能增加視覺(jué)疲勞程度。在投影屏幕與黑板亮度對(duì)比方面，超過(guò)20%的學(xué)生認(rèn)為投影屏幕與黑板亮度對(duì)比不舒適或非常不舒適，投影屏幕與課桌面亮度對(duì)比的調(diào)查得到了相似的結(jié)果，對(duì)多媒體教室光環(huán)境的整體評(píng)價(jià)有47.7%的學(xué)生認(rèn)為一般。多媒體進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教室光環(huán)境的亮度對(duì)比對(duì)學(xué)生視覺(jué)舒適度和心理感受有重要影響。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合，多媒體教學(xué)已經(jīng)成為主要的教學(xué)模式，關(guān)注多媒體教室光環(huán)境質(zhì)量十分必要。通過(guò)對(duì)多媒體教室照明環(huán)境的亮度對(duì)比值現(xiàn)狀調(diào)研發(fā)現(xiàn)，人工照明和窗簾控制模式對(duì)多媒體教室視覺(jué)目標(biāo)和背景的亮度對(duì)比影響較大，在關(guān)閉人工照明時(shí)投影屏幕與黑板的亮度對(duì)比值達(dá)到15∶1，視覺(jué)目標(biāo)和背景亮度對(duì)比過(guò)大不利于視覺(jué)舒適性，在多媒體教學(xué)時(shí)應(yīng)采用更符合教室光環(huán)境變化的控制方法。主觀評(píng)價(jià)顯示多媒體教學(xué)過(guò)程中視覺(jué)目標(biāo)和背景的亮度對(duì)比對(duì)視覺(jué)舒適有較大影響，為今后進(jìn)行多媒體教室光環(huán)境研究提供了參考。